宋泽鹏
1天津泰达水业有限公司
2天津泰达津联自来水有限公司
摘要：在满足城市管网供水需求的前提下，合理选择供水管网前端送水泵房内相关水泵的工艺参数，是满足城市供水管网合理需求的重要措施。只有在校核完单个水泵的变频运行高效段是否能够满足管网需求，才能保证多台大、小水泵的合理运行搭配，进而根据管网的用水量需求的变化，而实时调整水泵的运行搭配，实现管网需求与工艺运行条件的无缝对接。
关键词：变频调速，定压调流量，送水泵，P-Q曲线
引言
针对供水管网定压调流量的需求，阐述多台水泵需要进行变频调速的搭配运行，合理分析水泵的P-Q曲线，从而实现设备选型贴合工艺运行工况的需求。
1送水泵运行工况分析
以一送水泵房为案例、该供水厂送水泵房的设计供水规模为50 000m3/d，折合为2 083.33m3/h；设计高日高时供水量为70 000m3/d，折合为2916.67m3/h。其中设计送水泵共4台，参数如下。1#、2#送水泵（编号为PU01、PU02）的流量Q＝1 250m3/h，扬程H＝55m，功率N＝280kW。其中1#送水泵为变频泵，2#送水泵为备用泵；3#、4#送水泵（编号为PU03、PU04）的流量Q＝833m3/h，扬程H＝55m，功率＝200kW，其中3#送水泵为变频泵。供水管网所需的压力就是通过调整四台送水泵的工作搭配方式及配套电机的频率来实现的。以下为满足不同管网用水量需求（按照从小到大的顺序），而实现的水泵运行工况分析：（1）小泵(PU03)变频运行。当供水需求在0～20 000m3/d时，管网设置的压力变送器的压力信号输入至PLC，进而控制启动变频器，PU03在变频器的拖动下开始工作，其转速的调整依托于变频器输出频率的变化来控制。（2）小泵(PU04)工频运行。当用户的用水量还要继续增加时，达到一区间的极限值20 000m3/d时，即变频器输出频率达到50Hz（上限频率）时，直接停止变频泵PU03，启动PU04保持工频运行，保持供水管网压力的恒定。（3）小泵(PU04)工频+小泵(PU03)变频运行。
当用水量持续上升至20 000～30 000m3/h时，系统工频运行PU04的同时，自动将PU03变频运行，系统的水压就开始得到调节，直到水压保持到开始时的稳定值。但是，如果用水量再继续增加的话，还将发生类似的调节，即之前运行的水泵开始工频操作，如果此时达到上限频率，但是压力未达到开始时的稳定值，就会发出报警。
2 送水泵变频调速分析
由水泵搭配运行表可知，为实现管网恒压供水的要求，最终是通过调整所选水泵电机的频率来实现的。但普通电机的频率过低时，电动机不可能产生足够大的启动转矩来保证电动机的正常启动，并且转速也降低，容易损坏电机绕组，降低设备的使用寿命。所以电机频率应存在一个合理的可调范围，在其对应的频率范围内，能够根据管网的不同需求，利用电机频率的调整，实现管网实时流量、压力的需要。若工艺设备的期望频率超出可调范围时，就存在频率调节范围无法满足工艺要求，进而供水管网中所要实现的管网压力无法准确满足，其供水目标的实时调整较难实现。
2.1 单台水泵变频调速分析
为了避免这种问题的发生，在进行工艺设备选型的时候，就需对所选设备进行校验，在满足工艺基本流量、扬程等需求的前提下，还需判定其是否能够满足工艺全过程的运行需要，而不是在问题发生的时候，通过其他途径来弥补，造成治标不治本的状况。所以针对如何避免该问题的出线，提出以下验证方案。
（1）水泵扬程H-水泵流量Q。根据H＝HX-(SX×Q)2，可知扬程与流量为开方的关系，
即Q1/Q2＝(H1/H2)1/2。
（2）水泵扬程H-水泵转速n。对于同一台叶片泵，在不同转速下运行，满足比例律（相似定律的特例），
即Q1/Q2＝n1/n2＝f1/f2。
（3）水泵转速n-频率f。变频机组在不同频率下的平均转速公式可知：
n＝60f（1-s）/p，进而可推知频率与电机转速的关系，
即n1/n2＝f1/f2。从而可建立如下关系：
Q1/Q2＝n1/n2＝(H1/H2)1/2＝f1/f2。
（4）管网压力P-水泵流量Q。由上述分析可知
Q1/Q2＝(H1/H2)1/2。
令比例系数k＝H1(Q11)＝H2(Q22)，则可得H＝KQ2。可知，凡是负荷比例律关系的工况点，均分布在一条以坐标原点为定点的二次抛物线上。水厂采用分时段变频恒压供水方式，出厂压力设定范围为0.38～0.50Mpa，由此可推得调速后的运行高效段范围（m,n）之间。
于是可分别通过m点坐标：（Hm，Qm）＝（50，750）和n点坐标：（Hn ，Qn )＝（38，1 310），推出工况相似抛物线为：P＝KmQ2，P＝KnQ2。
其中，km＝Pm/Qm2＝8.89×10-7，kn＝Pn/Qn2＝2.21×10-7。
2.2 单台水泵运行工况分析
当出水流量小于833m3/h时，只启动3#送水泵，通过其变频调节实现流量控制。变频水泵机组实际运行工况点的位置，均可在此范围内直接反映，如图2所示，通过实际运行工况点与额定相似工况的相对位置分析，可定性分析节能情况，对调度在运行中的管理工作有指导意义。机泵在此范围内运行，无异常的振动和噪音，运行可靠性和效率均较高。
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图2 不同频率下P-Q运行曲线示意图
2.3 变频调速区间分析
在水泵运行的高效区域内，水泵的运行频率是有所范围局限的。有可能当水泵配套电机的频率已经下降到其高效区的下限时，对应的出水流量仍然无法满足需要。例如，当设备频率下降至38Hz时，出水流量为633.08m3/h，无法实现333.37m3/h的需要（若水量为333.37m3/h时，设备频率为20.01Hz，频率过低，影响设备的正常运行）。此时设备选择有误，需要调整其参数选择。进行水泵的重新搭配选择。
结语
综上所述，城市供水管网的用水量随季节、时间存在较大的变化区间。为了实现管网流量的实时满足，供水压力的恒定并减少电机的频繁启停，增加设备的使用寿命、节省投资等目的，现阶段城市供水较多采用供水设备电机的变频调整来实现管网的“定压调流量”。这是在供水管网端设置压力检测，利用采样实际水压与设定水压进行比较，通过PID 调节器控制，自动调整电机的运行频率（运行转速），实现电机的闭环控制。从而改变水泵特性曲线，改变运行工况点，适应管网用水量的变化，实现出厂水的恒压供给。
参考文献：
[1]柏婧,张杰,刘沛.低温热源条件下直连供暖系统用户超压问题解决方案探讨[J].暖通空调,2020,50(12):8-12.
[2]李宏涛,王文军,蒋建志,于淼,陈蒙,廖荣平.旁通管定压在大高差集中供热系统的应用[J].煤气与热力,2012,32(07):8-10+39.
[3]雷新义.无人值守热力站自动补水定压系统[J].煤气与热力,2008,28(08):15-17.
[4]曹慧哲,贺志宏,朱蒙生,何钟怡.基于图论的多定压节点管网水力计算方法的研究[J].给水排水,2008(01):105-108.
[5]陈玉生.变频调速技术用于集中供热系统定压和小区无塔供水[J].安装,2002(02):27-28.