城市變頻調速給水泵站的優化配置研究

摘 要：在城市泵站設計與管理實踐中，給水泵站的優化配置是不可或缺的組成部分，對于提升給水泵站的效率具有決定性的影響。對于城市變頻調速給水泵站而言，負荷工況分析及其工況點流量分析是其優化配置的先決條件，在此基礎上確定水泵的數量與類型，才能實現優化配置的目的。本文從泵站的工況分析出發，在此基礎上建立了城市變頻調速泵站的優化配置目標函數模型與數學模型，最后進行了仿真試驗，確定了給水泵站優化配置的可行的水泵范圍。

關鍵詞：變頻調速；給水泵站；工況分析；優化配置

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 22-0000-01

一、工況分析

（一）負荷工況

以城市給水泵站的工作任務及其特點為依據，其建設配置需要滿足最惡劣條件下的揚程以及流量。同時，最大限度地降低電耗是城市給水泵站優化配置的主要目的，就要求給水泵站在配置時應以滿足城市給水需求為基礎，以此使給水泵能夠高效運行。基于此，若以QD表示給水泵站的設計流量，最高日給水泵站的給水量與最高級給水百分數分別為Qd與α0，則可利用式①計算最高日給水泵站的平均流量：QD=Qd·α0/3.6，其中3.6為流量量綱的轉換系數。同時，若以HD為管網從水泵處獲得的揚程，Hst為其所需揚程，管阻系數則用Sf表，則可用式②進行揚程設計：HD=Q2Sf+Hst，并確保給水泵站在處于高效工作狀態，避免電耗過大。

（二）工況點流量

本文以工況點流量分析為主要手段，在型號多樣的水泵中優選出水泵配置切實可行的方案。如果泵站中某一給水泵在變速條件下，給水泵流量與揚程間的擬合曲線方程為H=f（Q），且用QOB表示某管路曲線工況點B流量，如果滿足 ，且 ，也即是確保設計流量與實際流量無太大差異，而且給水泵處于高效運行狀態，那么工況點B的流量 ，那么該給水泵則可提供工況點流量，該水泵就是可行泵。若用N與 分別表示這臺泵的功率與效率，則有： ， = 。

二、目標函數與數學模型構建

（一）目標函數與約束條件

隨著用水量發生變化，管網的壓力也會相應產生變化，且與式②中的管網負載特性相符合，設其函數為 ，且在一年之中，給水泵站的用水量是動態變化的，據此，一年中，給水泵站運行分級的流量就從（Qd）1到（Qd）i，（Qd）jd變化，并滿足 ，其中， 表示泵站全年給水量，級數用 表示，最大級數為6，且有 ≥ ，為方便計算分析，本文運用最高日用水量的具體變化情況來反映一年中每天給水泵站的工作運行情況，并對當天其工作進行分級，其給水百分數則從α1到αJh變化，且有 ，其中每天的工作分級數為Jh，并有αj+1≥αj，此外，要使優化配置的給水泵站在工作運行時具有較高的經濟性，那么就要保障泵站在其運行時間內所耗電最低，以實現生產成本的全面降低，基于此，在給水泵站的優化配置過程中，則可以其全年工作運行中產生的最小總功率為依據進行配置，其目標函數則可表示為 ，其中，di為日分級數Jd的工作天數，Mij為在某一工況下運行水泵的規格數，且 、 、 、 分別為在這一工況之下的第k種規格水泵的揚程、水泵運行數量、功率以及流量。

在給水泵站的優化配置中，水泵的規格數、類型、效率均有限制。本文主要采用水泵的最小與最大規格限制設計，表示為 與 ，且 、 ∈[1，2]，且 。同時盡量確保選用的水泵類型統一，水泵數量采用最少 與最多 限制設計，且水泵運行效率運用流量進行限制。

三、仿真試驗分析

在城市變頻調速給水泵站的優化設計中，本文在掌握各類水泵資料的基礎上，選用其中幾類進行Q-H特性曲線擬合，進行仿真試驗（仿真數據見表一）并根據構建的數學模型，以n為可行泵數量，并運用額定轉速之下的工況點計算水泵流量，獲取可行方案，在以構建的目標函數為根據，選擇最小總軸功率的方案。在此基礎上，結合工況點水泵流量，確定各個水泵是否存在流量點，如果在變速范圍內均有工況點流量，那么則選1為其選取標志，如果僅僅在額定的水泵轉速之下才有工況流量，則選0.5為其選取標志，選取0.5時則為可行泵1的補充，在水泵運行中，可使其以恒定的速度參與水泵運行。

表1 給水泵站可行泵仿真數據分析

由表1中數據可看出，型號9與型號10的水泵因其揚程逐步升高，導致其無法完全滿足要求，但可通過在仿真水泵數據庫中加入高揚程同時滿足特定流量的水泵，即可有效解決這一問題。在給水泵站的優化配置中，其關鍵在于對可行泵的范圍加以確定，由于效率不能得到精確值，因而無法運用所構建的目標函數直接確定可行泵的范圍以及水泵的軸功率，因此本文運用軸功率擬合算法進行計算，選出最小軸功率的方案為運用5臺統一型號的水泵，并實現其并聯運行，此時水泵運行率耗電最少，可有效減少耗電成本，能夠獲得良好的經濟性。

綜上所述，城市變頻調速泵站優化配置過程中，最為關鍵的就在于確定可行水泵的數量，為此本文通過目標函數模型與數學模型的建立，以泵站全面耗能最低為其目標函數，并通過仿真試驗，確定了可行泵范圍，利于指導實踐中給水泵站的優化配置。

[作者簡介]孫振山，男，畢業于山東建筑工程學院給排水系，大專學歷，助理工程師，研究方向：城鎮供水設計、包括給水處理、工藝管道設計及附屬設施設計等。