议变频调速供水系统的加压设施

议变频调速供水系统的加压设施
刘俊
（东南大学建筑设计研究院南京210096）
摘要本文从水泵高效区的定义出发，论述了变频调速泵的意义，确定了泵组变频调速运行的模式，从而制定了变频调速泵组台数、小流量泵及气压罐选择的原则。

关键词水泵的高效区变频调速台数小流量泵气压罐
生活给水系统加压水泵应用变频调速技术，在全社会要求节能减排的政策下，有着深远意义；同时，在建筑物生活用水量逐时变动的情况下，水泵采用变频调速运行，扩展水泵的有效工作范围，节省运行费用，有着现实意义。

1、水泵的高效区
《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003第3.8.1条规定“选择生活给水系统加压水泵，应遵守下列一般规定：①水泵的Q～H特性曲线，应是随流量的增大，扬程逐渐下降的曲线。

②应根据管网水力计算进行选泵，水泵应在其高效区内运行”。

目前离心泵的叶轮基本采用了后弯式叶片，叶片的出水角在20°～30°之间，这种形式的离心泵其特点是流量增大，而水泵扬程减小，相应流量与轴功率的关系曲线（Q～N曲线），是一条比较平缓上升的曲线，对于水泵电动机来讲，可以稳定在一个功率变化不大的范围内有效地工作。

在此范围内相对应于Q～H 曲线中的各参数点（Q，H），即为水泵铭牌上列出的各数据，是水泵最经济工作的一个区域，即为高效区，一般不低于最高效率点的10%左右，流量在0.85Q P～1.15Q P之间（Q P为水泵铭牌上的额定流量值）；在水泵样本中，用两条波形线“§”标出，此范围为水泵的高效率区；通常样本将所生产的系列水泵的高效率方框图，绘在同一张座标纸上，称为性能曲线型谱图。

因此，可根据水泵铭牌上列出的各数据；或水泵样本Q～H曲线中两条波形线“§”标出的范围；或水泵的性能曲线型谱图进行选泵，保证水泵在高效区运行。

2、变频调速泵的意义
由于生活用水的随机性，管网中流量、压力的变化幅度较大，大部分供水工
况都不是设计流量和设计扬程，水泵的工况点会移出水泵的高效区以外，在低效区工作。

针对这种情况，就要对水泵的工况点进行必要的改变和控制。

常用的办法有调节阀门、切削叶轮、调节转速等手段，相比之下，变频调速方案较为合理。

在水泵的高效区内，根据水泵的比例律：流量比等于转速比，扬程比等于转速比平方，功率比等于转速比立方。

即 Q
1/Q
2
=n
1
/n
2
， H
1
/H
2
=(n
1
/n
2
)², N
1
/N
2
=(n
1
/n
2
)³,
得出H
1/Q
1
²=H
2
/Q
2
²=k，
H=kQ²
可以看出，凡是符合比例律关系的工况点，均分布在一条以座标原点为顶点的H=kQ²二项抛物线上，此抛物线为等效曲线，如图1：
图1
《建筑给水排水设计规范》GB50013-2003第3.8.4条规定“生活给水系统采用调速泵组供水时，应按设计秒流量选泵，调速泵在额定转速时的工作点，应位于水泵高效区的末端”。

图1中阴影的范围是水泵高效运行工况点的范围。

采用变频调速的方法，大大地扩展了离心泵的高效率的工作范围。

3、变频调速泵的运行方式
如生活给水系统加压水泵采用一用一备，则有一台工作泵采用变频调速的运行方式；如采用多用一备，则有一台工作泵采用变频调速其它采用工频，或多台工作泵采用变频调速等多种运行方式。

B不停地启泵停泵，超过了规范允许的次数，影响了泵的运行寿命；同时停泵水锤不断发生，影响供水安全。

若采用双变频运行方式，在这种供水工况下，两台泵同时变频调速供水，缩小了单台泵的调速范围，保证了变频调速泵在高效区运行，达到节能的目的。

如图3。

4、变频调速泵的台数
生活给水系统中有多台水泵并联工作时，调速泵与定速泵配置台数比例的选定，应以充分发挥每台调速泵在调速运行时仍能在较高效率范围内运行为原则,保证生活给水系统供水工况不出现间断区。

调速泵的台数应根据建筑物用水的特点确定。

根据电源频率f，变频调速n和负载转矩M的相关理论，《全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇—给水排水》中要求，水泵调速范围宜在0.7～1.0的范围内，根据这一要求：泵站各种组合供水工况如下(Q为设计妙流量)：
方案○1：一用一备
方案○2：二用一备（A工频B变频）
方案○3：二用一备（A、B变频）
方案○4：三用一备（A、B、C变频，流量比例：1：1：1）
方案○5：三用一备（A、B、C变频，流量比例1：2：2）
方案○6：三用一备（A、B变频C工频）
方案○7：三用一备（A变频B 、C工频）
根据以上情况进行分析：
方案①泵站流量在0.7Q以下时，水泵的工况点都在非高效区，此类泵站适用于用水时间集中、用水设备使用情况集中、同时给水几率较大的场所，如浴室、洗衣房、食堂。

此类泵站也适用于设计秒流量不大，用水高低峰相差不大的场所，如办公楼、商场。

这类建筑可采用一用一备单台变频调速供水设施供水，即使出现0.7Q以下泵站的工况点，由于供水量不大，也不会浪费较多的能源。

方案②可以看出，单变频泵站在供水工况中存在间断区（0.50Q～0.85Q）。

方案③可以看出，双变频泵站在供水工况中存在间断区（0.50Q～0.70Q）。

与方案②相比较而言，方案③间断区较小，供水的工况范围更大，在0.5Q以下泵站的工况点在非高效区。

方案④在供水工况中，间断区（0.33Q～0.46Q）和（0.66Q～0.70Q），所占比例为13%Q和4%Q，从水泵自身的高效区范围来看，水泵流量在0.85Q～1.15Q 之间变化，水泵工况点始终在高效区，其流量变化幅度为±15%Q，可以认为水泵在高效区连续不断工作。

此类泵站适用于对于用水时间长，用水设备使用情况集中，同时给水几率较大随卫生器具数量增加而减少，用水高低峰数值相差较大，设计秒流量大的场所，如住宅、集体宿舍、旅馆、医院、高等学校，此类建筑可采用多用一备变频调速供水设施供水。

运行方式有两种：单台变频其他工频运行，或者多台变频运行，从上述的分析来看多台变频运行更可行。

方案⑤在供水工况中，间断区（0.20Q～0.28Q）和（0.40Q～0.42Q），所占比例为8%Q和2%Q，几乎没有间断区，水泵可以在高效区连续不断工作。

方案○6出现了间断区（0.33Q～0.46Q）和（0.66Q～0.80Q）两处。

方案⑦出现了间断区（0.33Q～0.56Q）和（0.66Q～0.9Q）两处。

显然，随着工频泵数量的增加，生活给水系统供水工况间断区增多，且间断
区范围也在变大。

而且这些间断区正是生活给水系统加压设施的主要工作区。

针对这些间断区，可以采用小流量泵和气压罐联合供水来解决。

5、小流量泵和气压罐
由于生活给水系统用水的随机性，极有可能出现一个阀开的用水情况，简称零流量供水情况。

这种供水工况会造成水泵频繁启动，影响水泵寿命；且此时运行效率低下，不利于节能。

为解决此问题，加压设施常配备一个小流量水泵和气压罐，采用气压供水来满足系统零流量的要求。

方案①，由于供水的特点，出现零流量机会少，且时间不长，可以在原供水系统中直接配备气压罐来满足需要，不设小流量泵，气压罐的供水泵由供水变频调速泵担任，气压罐容积按流量为0.20Q～0.15Q来计算。

方案②，建议采用方案③的供水方案。

方案③，需设一台小流量泵，小流量泵采用间断区的最大流量0.20Q与气压罐组成气压给水系统，从而既保证变频调速供水工况的连续性，又保证零流量工况的供水，气压罐的容积以流量为0.20Q来计算。

方案④、⑤，由于供水工况的连续性，可以不单设小流量水泵，变频调速中的水泵（流量为0.23Q或0.14Q），都可以与气压罐直接匹配，保证系统零流量工况的供水，气压罐容积以流量为0.23Q或0.14Q来计算。

方案○6，小流量泵采用间断区的最大流量0.14Q与气压罐组成气压给水系统。

方案⑦，小流量泵采用间断区的最大流量0.23Q与气压罐组成气压给水系统。

6、结束语
水泵的高效区可以从水泵铭牌及样本中获得。

采用变频调速，扩展了水泵的高效区，满足水泵在高效区运行的要求。

采用多台变频的运行方式，保证每台水泵在高效区运行。

根据建筑物的用水特点，确定调速泵的台数。

如浴室、洗衣房、食堂、办公楼、商场等建筑，泵站可采用单台调速泵；如住宅、集体宿舍、旅馆、医院、高等学校等建筑，泵站可采用多台调速泵。

采用多台变频的运行方式，保证供水工况的连续性，不出现间断区。

小流量泵流量采用0.20±0.05Q(Q为设计秒流量)，气压罐容积以此流量来计算。

参考文献
1.姜乃昌.泵与泵站.第五版.北京：中国建筑工业出版社，2007。