二次供水变频水泵低效运行成因及其对策

第１０卷第４期　２０１２年８月　福建工程学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｆｕｊｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＶｏＩ．１０　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２０１２　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—４３４８．２０１２．０４．００４　二次供水变频水泵低效运行成因及其对策　陈礼洪　，蒋柱武　，程宏伟　，郑文芳。，徐云国　（１．福建工程学院环境与设备设备系，福建福州３５０１１８；２．福建省建筑设计研究院，福建福州３５０００１；　３．福州市自来水有限公司，福建福州３５０００１）　摘要：变频水泵二次供水技术因具有“节能”和无水箱“二次污染”的优点而得到广泛应用，但变频水　泵供水应用却存在普遍的“不节能”。二次供水变频水泵低效运行的成因在于：设计层面上随意主观　确定设计参数，泵组选配缺乏理性；采用不合理的控制模式，无法完全发挥变频技术效能；阀件和管路　损耗太大。因此，在设计阶段尽可能精确地把握设计参数，认真分析项目用水特性，合理匹配水泵，完　善控制模式，最大程度降低供水装置内部局部损耗对于系统真正节能是非常关键的。　关键词：二次供水；变频水泵；低效运行　中图分类号：ＴＵ８２１．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—４３４８（２ｏ１２）０４—０３２２—０４　Ｃａｕｓｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅ　ｏｆ　ｉｎｅｆｉｃｉｆｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｖａｒｉａｂｌｅ－ｓｐｅｅｄ　ｐｕｍｐｓ　Ｃｈｅｎ　Ｌｉｈｏｎｇ　，Ｊｉａｎｇ　Ｚｈｕｗｕ　，Ｃｈｅｎｇ　Ｈｏｎｇｗｅｉ。Ｚｈｅｎｇ　Ｗｅｎｆａｎｇ　，Ｘｕ　Ｙｕｎｇｎｏ　，（１．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｆｕｊｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｕｚｈｏｕ　３５０１　１８，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｆｕｊｉａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｆｕｚｈｏｕ　３５０００１，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｆｕｚｈｏｕ　Ｗａｔｅｒ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｆｕｚｈｏｕ　３５０００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｏｆ　ｖａｒｉａｂｌｅ—ｓｐｅｅｄ　ｐｕｍｐｓ　ｗｅｒｅ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅｉｒ　ａｄ—　ｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ“ｓａｖｉｎｇ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ”ａｎｄ“ｎｏ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｔａｎｋｓ”．Ｈｏｗｅｖｅｒ．ｉｎ　ｍａｎｙ　ｃａｓｅｓ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｆａｉｌｅｄ　ｔｏ　ｓａｖｅ　ｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｅ　ｃａｕｓｅｓ　ｏｆ　ｉｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｏｆ　ｖａｒｉａｂｌｅ—ｓｐｅｅｄ　ｐｕｍｐｓ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃａｕｓｅｓ　ｗｅｒｅ　ｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｕｎｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｕｍｐｓ；ｐｏｏｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｇ　ｏｆ　ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｉｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅ；ｈｉｇｈ　ｅｎｅｒｇｙ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　ｖａｌｖｅｓ　ａｎｄ　ｐｉｐｉｎｇ．Ｉｔ　ｉｓ　ｍａｉｎｔａｉｎｅｄ　ｔｈａｔ　ａｃｃｕｒａｔｅ　ｄｅ—　ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｐｒｏｐｅｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｂｅｔｔｅｒ　ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｏｆ　ｐｕｍｐｓ，ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅ　ａｎｄ　ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｉｏｒ　ｌｏｓｓｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｌｌ　ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅ　ｔｏ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｓｙｓｔｅｍ；ｖａｒｉａｂｌｅ—ｓｐｅｅｄ　ｐｕｍｐ；ｉｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　水厂通过市政给水管网向城镇供水时，以供　水范围的水压控制点确定管网自由水压的大小。　对于市政供水水压的大小，大多城镇已建供水系　全技术规程》（ｃＪＪ５８．＿９４）中第３．１．１条规定的　管网干线水压不低于０．１４ＭＰａ”来确定　（２０１０年８月１日实施的ＣＪＪ５８－－２００９版已废除该　“……统通常依据旧版《城镇供水厂运行、维护及其安　收稿日期：２０１２—０６—０７　条文）。因此，城镇供水管网自由水压普遍较低。　基金项目：福建省高校产学合作科技重大项目（２０１２Ｈ６００２）　第一作者简介：陈礼洪（１９６９一），男（汉），福建浦城人，副教授、高级工程师，研究方向：建筑给水排水新技术及城　市水系统优化．　第４期　陈礼洪，等：二次供水变频水泵低效运行成因及其对策　３２３　市政给水管网供水压力小有利降低供水企业运行　费用、减少管网漏水损失及爆管事故，但也带来了　建筑高区用水需二次加压供水的问题。尽管很多　城市控制点自由水压随着市政管网的完善逐步提　高，但也难以满足高层建筑发展所需水压的要求。　因此，无论是过去、现在还是将来，城镇二次供水　的模式供水量大、存在面广，二次加压消耗的电能　在城镇供水总能耗中占比将越来越大。在能源日　趋匮乏的当今，二次供水装置运行效率的问题是　值得重视和研究的。　１二次加压供水的方式　对于二次加压供水方式，主要有水池一水　泵一水箱供水方式、气压（配恒速泵）给水方式、　变频水泵供水方式等三种模式。　１．１水池一水泵一水箱供水方式　此种供水方式的主要设备是恒速水泵和高位　水箱，其主要优点是：①充分利用水箱的恒压和调　节作用，使恒速水泵任何时间都运行在一个高效　率的工况点上；②利用水箱的调节作用可缓解城　市用水高峰时水量的供需矛盾。水泵一高位水箱　联合供水是一种高效节能的供水方式，但水泵一　高位水箱联合供水存在水箱中的水容易被污染缺　点。随着人们生活水平的提高，人们对水质的要　求也日益提高，采用水箱调节的二次供水方式由　于存在二次污染的问题而不受欢迎。　１．２气压给水方式　此种供水方式的主要设备是恒速水泵、气压　罐和控制器件。气压给水是根据波义尔一马略特　定律的原理，在水泵运行或非运行时间均能自动、　连续地向给水系统供水，具有水塔和高位水箱维　持压力的功能。气压给水设备在国外采用较早，　尤其在美国、日本、加拿大、德国等发达国家早己　被广泛应用，我国于上世纪８０年代开始推广。气　压给水具有灵活机动、水质不易受二次污染等优　点，但存在运行费用高的突出矛盾，这主要是由于　气压水罐调节容积小，水泵启停频繁，启动电流　大，且水泵处于在最低工作压力Ｐ．与最高工作压　力Ｐ　之间变压运行，不能保持在最佳高效点工　作，平均效率低，而且超过最低工作压力Ｐ　以上　的压力差值属于能量的额外消耗。　１．３变频水泵供水方式　变频水泵供水技术得益于计算机、自动控制、　ＰＬＣ技术的发展，可根据用水的变化自动调整水　泵的转速来满足用户水量、水压的需要，相比恒速　水泵直接供水具有“节能”的优势。变频水泵供　水技术因具有“节能”和无水箱调节的“二次污　染”问题而得到逐步推广应用，并在普通变频恒　压供水技术的基础上，发展了管网叠压变频供水　技术，充分利用了市政管网的余压，具有更节能的　优点。日本、美国、西欧等国家在上世纪８０年代　就开始推广应用变频供水技术，其管网叠压供水　技术在２０世纪９０年代末期得到普遍应用…。我　国变频供水技术在２０世纪９０年代中期开始推广　应用，２１世纪初得到快速的推广应用和发展。目　前，我国大多数二次加压供水项目普遍采用变频　驱动水泵加压供水或管网叠压变频供水。　２二次供水变频水泵装置能耗现状　及低效运行的原因　２．１　二次供水变频水泵装置能耗现状　理论上，变频驱动水泵二次供水系统的水泵　应是高效节能的，但实际已投入运行的变频供水　项目普遍出现高运行费用的现状，甚至有的变频　水泵运行能耗是“水泵一水箱联合供水方式”的２　—３倍的情况，出现变频驱动供水实际上“并不节　能”的事实　。　２．２二次供水变频水泵装置低效原因分析　造成变频水泵二次供水效率低的原因主要有　以下几个方面：　（１）水泵选配不合理　１）主观认识的误区　尽管变频水泵供水技术在我国建筑二次供水　上推广应用已有近２０多年的时间，但许多工程技　术人员对变频供水的认识还不够全面，甚至认为　“采用变频技术就等于节能”，在二次供水设计时　对泵的选配随意性较大，致使水泵选配不合理。　也有设计人员确定完供水系统所需设计流量和扬　程后交给设备厂家来选型，而设备厂家的技术力　量及其企业的宗旨往往造成水泵选配不合理。　２）执行现行规范可操作性不强　对于变频调速水泵供水系统水泵选型、组合　方面的设计，《建筑给水排水设计规范》ＧＢ５００１５－－　２００３（２００９年版）第３．８．４规定：“……应按系统最　大设计流量选泵，调速泵在额定转速时的工作点，　应位于水泵高效区的末端”，《全国民用建筑工程　３２４　福建工程学院学报　第１０卷　设计技术措施节能专篇／给水排水》（２００７版）第　３．１节对变频调速供水系统水泵的设计流量、选　型和搭配、控制方式等都做了相应的规定。　总体来看，规范和措施对变频供水如何做到　高效做了引导性的定性规定，但对泵组选配、运行　控制缺少量化方面的指导，以致工程设计人员对　泵的选配随意性较大。选择水泵时，通常按系统　最大设计流量来组合，工程上有“１用１备”、“２　用１备”、“３用１备”、“４用１备”等情况，流量匹　配有：“５０％＋５０％”、“４０％＋４０％＋２Ｏ％”、　“３０％＋３０％＋３Ｏ％＋１０％”“２５％＋２５％＋２５％　＋２５％”等情况，因设计人员喜好而定，审查人员　也难以判断其泵组设计选配是否合理。　（２）控制模式不够合理　对变频调速水泵的运行控制模式可分为恒压　控制和变压控制两大类，而恒压控制又根据压力　传感器安装位置不同分为水泵出口压力恒定控制　和管网末端压力恒定控制两种方式。变频恒压控　制是在水泵出口或管网末端安装压力传感器，并　设定一个恒定的水压来自动调节电机、泵的转速　和运行水泵的台数来满足用户对水量水压的需　要。变压控制通常也称为变压变流量控制，是指　在水泵出口安装压力传感器和流量计，充分考虑　管网的水力特性，并建立管网特性数学模型，根据　管网用水的实际需要来调整水泵转速，使泵组满　足用水对象对流量、水压的要求。　在上述控制方法中，管网末端压力恒定控制　模式需要解决压力变送器的布线和安装的问题；　变压变流量的控制模式除了增加流量监测的造　价，其运行时还需要在现场测取不同流量时对应　的最不利点和水泵出口的压力数据，才能建立符　合实际的管网特性数学模型，而且当管网使用日　久或管网改造等因素发生变化时，需要对管网特　性数学模型重新建立，不但技术性要求高，且管理　相对复杂。而水泵出口压力恒定的控制模式相比　较管网末端压力恒定控制模式和变压变流量的控　制模式，仅须在水泵出口设个压力传感器，不但造　价低，而且管理也相对简单。因此，水泵出口压力　恒定的控制模式是变频供水控制的主流模式。　此外，目前应用的变频水泵控制程序中未考　虑水泵效率调速极限的问题。对于水泵效率调速　极限的范围，现行规范没有明确的规定，高校教材　《水泵与泵站》（第五版）中有提到“……调速泵的　转速一般控制在其额定转速的５０％左右”＿４　Ｊ，《全　国民用建筑工程技术措施——给水排水》（２００９　版）中建议水泵调速范围宜为０．７～１．０　Ｊ。而实　际运行的二次供水变频常出现频率低于２５　Ｈｚ的　情况，出现水泵实际运行效率降低的情况。　由于水泵出口压力恒定的控制模式忽略了管　网的水力特性和水泵效率调速极限，必然造成运　行能耗的浪费：其一，当用水量小于最大设计流量　时，供水压力必然大于管网实际需要，其多余水头　也就造成不必要的浪费，而一年用水中大多数时　间是小于最大设计流量，所以，变频恒压供水系统　管网部分无效功耗所占比例很高　ｊ，而且是当管　网水头损失占系统所需扬程的比例越高则浪费的　能耗越高；其二，当水泵运行频率（或转速）太低　时，水泵的效率将降低，浪费多余的能耗。　（３）供水装置内部局部水损太大　随着我国经济及建筑业的快速发展，二次供　水市场的需求也推动了变频供水装备的产业化发　展，目前大多数二次供水泵组大多由装备厂家来　提供。由于变频供水装备具有集成组装的特点，　厂家除自主研发的部分组件外大多是通过采购水　泵、阀件、控制元件等来组装，往往忽略了阀件的　局部损失。据某市自来水公司对其公司采购准入　产品的检测反映，水泵的效率可达６０％一７０％，　但组装成成套设备以后效率通常低于４０％，其主　要原因是阀件水头损失太大。　３提高二次供水变频水泵装置运行　效率的对策　３．１开展用户用水特性方面的基础性研究，建立　用水负荷模型　对于变频驱动供水技术，国内许多学者和专　家做了大量研究，其中广州大学樊建军等对水泵　选型、管网叠压供水技术等方面展开了系列的研　究　卜ｍ］。但对二次供水用户用水量、用水变化规　律、设计流量与用水规模关系等方面的测试和研　究未见报道，而变频供水泵组选配运行的效率与　用水量及变化规律有直接的关系，行业应组织力　量开展用水量、用水变化规律、设计流量与用水规　模关系等方面的基础性测试和研究工作，建立用　水负荷模型，为变频供水系统的设计选型提供相　对准确的量化依据。　第４期　陈礼洪，等：二次供水变频水泵低效运行成因及其对策　３２５　３．２开发兼顾管网水力特性和水泵效率调速极　限的控制系统　４　结语　二次供水变频水泵低效运行的原因是多方面　的，其主要原因，一是在设计层面上，由于难以把　握实际用水的变化，而对诸多较模糊的设计参数　随意主观确定，从而影响泵组选配的合理性，导致　首先，改变水泵出口压力恒定的低效控制模　式，可采用水泵出口变压变流量的控制方　式ｌ】　；其次，应改变泵组控制中任何情况都采　用单变频控制模式，应结合具体情况合理选择变　频水泵的数量，扩大泵组高效运行的流量范围；其　三，控制模式中应充分考虑水泵效率调速极限因　素，确保水泵全流量效率运行。对于用水变化大、　管网变化因素多的建筑小区二次供水，研究管网　特性的变化特点、水泵效率调速极限及控制策略　水泵长期运行在非高效段，导致能耗损失；二是由　于忽略管网水力特性变化的复杂性，而采用了不　合理的控制模式，因而没有完全发挥变频技术的　效能，导致能耗损失；三是变频供水装置本身由于　阀门设置和管路布置的问题，导致能耗的巨大　浪费。　的控制系统并工程化应用，是二次供水变频水泵　高效运行所需解决的关键技术。　３．３降低成套变频供水设备的内部损耗　因此，采用变频水泵二次供水的工程技术人　员对变频供水系统运行效率问题应给予足够的重　视，在设计阶段应认真分析项目用水的特性，合理　选配泵组和运行控制模式，尽可能提高变频供水　应重视成套变频供水设备内部管件局部损耗　大的问题，可从行业产品标准上来引导、规范生产　企业降低设备内部管件局部损耗，提高整装设备　的运行效率。　系统运行的效率，达到真正节能的效果。　参考文献：　［１］马戍环．无负压给水设备及管网准用的技术条件［Ｊ］．给水排水，２００５，３１（７）：８１—８４．　［２］赵世明，刘振印，高峰．恒压变频调速泵与水泵一高位水箱供水耗能比较［Ｊ］．给水排水，２００８，３４（８）：７１—７３．　［３］樊建军，梁志君，懂毅，等．水泵选型与运行模式对变频调速供水系统能耗的影响［Ｊ］．中国农村水利水电，２００７（７）：　２５—２７．　［４］姜乃昌．泵与泵站［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００７．　［５］中国建筑标准设计研究院．全国民用建筑工程技术措施——给水排水［Ｍ］．北京：中国计划出版社，２００９．　［６］邱寿华，刘德明，陈犀抬，等．变频供水系统两种常用压力控制点能耗比较［Ｊ］．福建建筑，２０１０（８）：９８—１００．　［７］樊建军，王峰，胡晓东，等．直接式管网叠压供水的优化设计［Ｊ］．中国给水排水，２００５，２１（５）：５９—６１．　［８］樊建军，魏晓安，王峰．管网叠压供水技术存在的主要问题及解决途径［Ｊ］．中国给水排水，２００６，２２（２２）：３９—４２．　［９］樊建军，王峰，周鸿，等．管网叠压供水系统的水泵适用性分析［Ｊ］．中国给水排水，２００７，２３（２０）：６３—６６．　［１Ｏ］樊建军，王峰，方茜，等．正确认识和合理使用管网叠压供水技术［Ｊ］．给水排水，２００８，３４（６）：８５—８７．　［１１］曹琦．恒压变频供水系统节能分析［Ｊ］．变频器世界，２００６（６）：１３２—１３６．　［１２］曹琦．变压变频供水系统的节能控制方法［Ｊ］．变频器世界，２００６（８）：１３１—１３２．　［１３］陈犀晶，刘德明，邱寿华，等．变频调速与管网叠压供水系统小流量工况分析与对策探讨［Ｊ］．建筑节能，２０１１　（１）：３０—３３．　［１４］何政斌，金海城，周炳强，等．变频调速变压变流量供水设备的研制及运行效果分析［Ｊ］．给水排水，１９９８，２４　（１０）：５９—６３．　［１５］汤跃，尚亚波，吴徐，等．变频调速恒压与变压供水的能耗分析［Ｊ］．排灌机械，２００７，２５（１）：４５—４９．　（责任编辑：林仁铨）