專利名稱：一種大型水泵機組及其工況調節方式精確定量選型方法
技術領域：
本發明涉及一種水泵機組選型方法，具體來說涉及ー種大型水泵機組及其エ況調節方式的定量選型方法，屬于泵站和水泵機組規劃和設計選型領域。
背景技術：
大型水泵機組主要由泵裝置、電動機、傳動裝置和調節機構等部分組成。傳統的水泵機組選型方法①在設計揚程下，抽水流量滿足設計流量要求，且水泵效率較高；②在平均揚程下，水泵應在高效區工作。根據泵站設計揚程，常常無法確定出唯一適用的泵型(例如，設計揚程為7 m左右的泵站，立式軸流泵、臥式混流泵、立式混流泵以及斜式軸流泵和混流泵都在適用范圍以內)和エ況調節方式，未考慮水泵和泵站エ況調節、泵站揚程變化和設備投資等因素，結果導致水泵機組選型不合理，運行效率低，造成運行和設備費用的浪費。

發明內容
本發明是根據目前大型水泵機組選型存在著考慮因素不全面、選型不合理、造成運行和設備費用浪費等問題。針對存在的問題，提出ー種大型水泵機組及其エ況調節方式精確定量選型方法。本發明首先初選出符合應用技術要求的所有的泵機組方案，剔除明顯不合理的方案，得到多個可行方案，對每個可行方案采用不同エ況調節方式，根據泵站揚程變化和流量要求，優化泵站不同運行期間的運行エ況，計算運行費用，在滿足泵站使用要求的前提下，計算工程使用壽命期內各可行方案考慮優化運行的運行費用和設備費用的總和，確定總費用最低者即為最優泵型、配套電動機與エ況調節方式組合方案。本發明提出的泵機組設備選型方法既能保證泵站的使用要求，又能達到高效、節約設備成本的目的，節約運行及設備費用29Γ5%以上。本發明的技術方案是ー種大型水泵機組及其エ況調節方式精確定量選型方法，其特征是，包括以下步驟Α.在滿足使用要求的前提下，根據泵站特征揚程和設計流量，初選出幾種可行泵型和臺數；B.根據泵站特征揚程和水泵軸功率，初步確定各種可行泵型的配套電動機功率；C.針對初選出的幾種可行泵型，分別計算泵機組設置變頻變速調節、變角全調節和半調節エ況調節方式吋，泵機組變エ況優化運行年運行費用( I)泵站水泵機組年運行費用；(2)變頻變速調節泵機組年運行費用；(3)變角調節水泵機組年運行費用；(4)半調節水泵機組年運行費用；D.計算泵站機組設置不同エ況調節方式時的總設備費用；
E.計算泵站機組使用壽命期內運行與設備總費用，比較不同方案的總費用大小，總費用最省的方案即為最優方案，其對應的泵機組與エ況調節方式亦即為最優。所述針對初選出的幾種可行泵型，分別計算泵機組設置變頻變速調節、變角全調節和半調節等エ況調節方式吋，泵機組變エ況優化運行年運行費用。計算過程中，一年中的運行揚程是ー個連續變量，在某一個揚程區間的運行時數是運行揚程的函數，極限狀態下即為泵站年運行揚程時間密度，利用積分方法計算出泵站年運行費用。步驟C的具體計算過程如下( I)泵站年運行揚程時間密度的確定根據泵站特征揚程，提出泵站年運行揚程時間密度的概念。泵站通常在平均揚程附近運行時間最長，在最大揚程和最小揚程附近運行時間最短，近似拋物線分布的特點。以泵裝置揚程Hz為橫坐標，以泵站年運行揚程時間密度函數f (Hz)(其物理意義為在運行揚程范圍內任一揚程處單位揚程的運行時間dt/dHz)為縱坐標，作出泵站年運行揚程時間密 度函數關系曲線，如圖2。其中，A點、E點和C點的橫坐標分別對應于泵站最小運行揚程Hzmin、最大時間密度運行揚程Hze和最大運行揚程Hzmax。設泵站年運行揚程時間密度函數f(Hz)由分段函數も餌)和f2(Hz)構成，并可用二次多項式表達，即
“rr、J./；(//z) = ^z2+^+C1, Hv畫^HaKHze⑴
「00181/(^z)=.⑴
L 」If2(Hy) = O2H/+h2Hz + c2, //z,<//z<Fanax式中叫、b” C1^ a2、b2和C2均為系數?？紤]泵站年運行時間為T，則函數f (Hz)應滿足如下關系
Z1(^zmin) = O
A(Hze) = O Z2(^zmax) = Oh) = 0 (2)
.A(Hz^) = UHzu)
.UHMHz=T通過求解上述方程，可得函數f (Hz)的系數か‘らを^七。在抽水流量一定的情況下，泵站水泵機組年運行費用
剛 .しん=…· , ベ》,.ト(3)式中P為水體的密度，g為重力加速度，Q為單機流量，Hz為泵裝置揚程，η為機組開機臺數，t!>t2分別為積分下、上限；nz為泵裝置效率，ndl·為傳動效率，為電動機效率，nbp為變頻裝置效率，Qz為泵站總抽水流量。由于dt =f (Hz) dHz = f (Hz) Hン(Q)dQ，則式(3)可變為F =ρ· 〃ル Γ mH 沖, 込·/; (". )d". + /イ!!-i.UH 風千·卿":(卿”ト她請式中Iixt為泵系統效率，Iixt= nz · ndr · nmot · nbp。(2)變頻變速調節泵機組年運行費用對于設置變頻調速功能的泵站，可以通過調節水泵轉速改變泵站機組運行エ況。如圖3，在水泵變速范圍內(選取變速比為O. 7^1. 0)，擬合不同轉速下泵系統效率Ilxt最高點對應的泵裝置揚程Hz與流量Q的泵機組變頻變速運行最優エ況曲線，如圖2中BCE曲線。點A、B分別為最小裝置揚程、最優エ況拋物線與下邊界轉速O. 7ne泵裝置性能曲線的交點；點E、F分別為最優エ況拋物線、最大裝置揚程與上邊界轉速ne泵裝置性能曲線的交點。變頻調速裝置運行時需消耗能量，増加了泵系統的功率損失。因此，若因變頻變速 運行使得泵裝置效率提高而節約的運行費用小于因實施變頻變速運行(變頻裝置效率〈I)而增加的運行費用，則不應進行變頻變速運行(這種情況發生在降速比較小吋)。圖中點C表示泵機組是否變頻變速運行的分界點，即當泵裝置揚程Hz ^ Hz。，應進行變頻變速運行；當泵裝置揚程HZ>HZ。，則不應進行變頻變速運行，而在額定轉速運行。點D為裝置揚程Hz。與ηε時泵裝置性能曲線的交點。在水泵系統最優エ況曲線BCE上，E點為水泵系統效率最高點，隨著運行轉速的降低，電動機效率隨之降低，水泵系統效率也隨之降低。圖3中E點揚程即為圖2中E點最大時間密度運行揚程ΗζΕ。當裝置揚程Ηζ〈ΗζΒ，泵機組應在0.7ηε轉速運行；當裝置揚程Hzb ^ Hz ^ Hzc,泵機組應實施變頻變速運行；當泵裝置揚程Hz>HzC，泵機組應脫離變頻裝置在額定轉速運行。因此，計算路徑為AB — BC — DE — EF，式(4)可變為
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+ ,ハ具:(卿”郵爲嘆ノ(3)變角調節水泵機組年運行費用對于設置葉片調節功能的泵機組，可以通過調節水泵葉片角度改變泵站機組運行エ況，節省運行費用。求解不同裝置揚程下泵系統效率最高點，作出泵機組變角運行最優エ況曲線，如圖4所示，圖中箭頭所在曲線即為變角運行時泵系統最優エ況曲線。點A、E、C分別為最小裝置揚程、最大時間密度運行揚程、最大裝置揚程時泵系統效率最高點。其他裝置揚程下的泵系統效率最高點可以利用三次樣條插值求解。全泵站機組年運行費用可以表示為
權利要求
1.一種大型水泵機組及其工況調節方式精確定量選型方法，其特征是，包括以下步驟 A.在滿足使用要求的前提下，根據泵站特征揚程和設計流量，初選出幾種可行泵型和臺數； B.根據泵站特征揚程和水泵軸功率,初步確定各種可行泵型的配套電動機功率； C.針對初選出的幾種可行泵型，分別計算泵機組設置變頻變速調節、變角全調節和半調節工況調節方式時，泵機組變工況優化運行年運行費用 (1)泵站水泵機組年運行費用； (2)變頻變速調節泵機組年運行費用； (3)變角調節水泵機組年運行費用； (4)半調節水泵機組年運行費用； D.計算泵站機組設置不同工況調節方式時的總設備費用； E.計算泵站機組使用壽命期內運行與設備總費用，比較不同方案的總費用大小，總費用最省的方案即為最優方案，其對應的泵機組與工況調節方式亦即為最優。
2.根據權利要求I所述的一種大型水泵機組及其工況調節方式精確定量選型方法，其特征是，步驟C (I)所述泵站水泵機組年運行費用的計算為 根據泵站特征揚程，提出泵站年運行揚程時間密度的概念；泵站通常在平均揚程附近運行時間最長，在最大揚程和最小揚程附近運行時間最短，近似拋物線分布的特點；以泵裝置揚程Hz為橫坐標，以泵站年運行揚程時間密度函數f (Hz)為縱坐標，作出泵站年運行揚程時間密度函數關系曲線，在運行揚程范圍內任一揚程處單位揚程的運行時間dt/dHz，關系曲線中A點、E點和C點的橫坐標分別對應于泵站最小運行揚程Hzmin、最大時間密度運行揚程Hze和最大運行揚程Hzmax，設泵站年運行揚程時間密度函數f (Hz)由分段函數(Hz)和f2(Hz)構成，并可用二次多項式表達，即 口、UHzKHze U("z) = Μ: +^//z+c·. Hv, <H,< 式中ap bp Cp a2、b2和C2均為系數； 考慮泵站年運行時間為T,則函數f (Hz)應滿足如下關系./ι("ζ—) = 0 f;D = o /U = O ./2 (//,,.；) = O UHA) = f2{H/E) C f'{H,)■,+[:繼/2(Hz)dHz=T y ^ zmin^ ^zE 通過求解上述方程，可得函數f (Hz)的系數士^士^^士； 在抽水流量一定的情況下，泵站水泵機組年運行費用，F = p.\h_Mqh'__n.At = p.[-_p _,__ J ^ i ()()()"z · /；,, · //!IK · "bpJi ()oo 7z · //,, · //llK . nhv o 式中P為水體的密度，g為重力加速度，Q為單機流量，Hz為泵裝置揚程，η為機組開機臺數,!^t2分別為積分下、上限；nz為泵裝置效率，ndl·為傳動效率，rInrot為電動機效率，nbp為變頻裝置效率，Qz為泵站總抽水流量；由于 dt =f (Hz) dHz = f (Hz) Hz' (Q) dQ，則計算公式為 F = P- "Λ見· (A. · /■(// )cL J + p. [ 〃"";■ p 必H 風.(λ . f (Hz)AHz j^n- IOOOT7xt(ZZz) QIOOO^xt(Fz) Q 2 ζ ζ ...戶 P柳MT) Qr r(n λ,, '(ηλΛη , .,, 1-1'P!4QI-1AQ) Q, i '(ηλΛη式中nxt 為泵系統效率，iixt=iiz· ndr · nmot · nbp。
3.根據權利要求I所述的一種大型水泵機組及其工況調節方式精確定量選型方法，其特征是，步驟C (2)所述變頻變速調節泵機組年運行費用的計算為 對于設置變頻調速功能的泵站，通過調節水泵轉速改變泵站機組運行工況，在水泵變速范圍內，選取變速比為O. 7 1.0，，擬合不同轉速下泵系統效率nxt最高點對應的泵裝置揚程Hz與流量Q的泵機組變頻變速運行最優工況曲線，工況曲線BCE曲線中點A、B分別為最小裝置揚程、最優工況拋物線與下邊界轉速O. 7\泵裝置性能曲線的交點；AE、F分別為最優工況拋物線、最大裝置揚程與上邊界轉速泵裝置性能曲線的交點； 變頻調速裝置運行時需消耗能量，增加了泵系統的功率損失；因此，若因變頻變速運行使得泵裝置效率提高而節約的運行費用小于因實施變頻變速運行，變頻裝置效率〈1，而增加的運行費用，則不應進行變頻變速運行；點C表示泵機組是否變頻變速運行的分界點，即當泵裝置揚程Hz ( Hzc,應進行變頻變速運行；當泵裝置揚程Hz > Hzc,則不應進行變頻變速運行，而在額定轉速運行；點D為裝置揚程Hz。與ηε時泵裝置性能曲線的交點； 在水泵系統最優工況曲線BCE上，E點為水泵系統效率最高點，隨著運行轉速的降低，電動機效率隨之降低，水泵系統效率也隨之降低；E點揚程即為最大時間密度運行揚程Hzeo當裝置揚程Ηζ〈ΗζΒ，泵機組應在O. 7ne轉速運行；當裝置揚程Hzb ^ Hz ^ Hzc,泵機組應實施變頻變速運行；當泵裝置揚程HZ>HZ。，泵機組應脫離變頻裝置在額定轉速運行；計算路徑為AB — BC — DE — EF,計算公式為 f : PgQHy(O) Oy', .、Q,- r t LJ MJ 'Λ F=p%綱"z 晴+/,丄:7^^.17'/:獣請 =P 廣,'辦U (A. f (" )Ηγ[{ ) Ο + P .廣"辦U-^ · /； (Hy )H,'jCMOOU(J) (J/I、J ~ }(Jk ιοοα；.α((；) O+ P -Jy ,'KU」) A. f (H)H J ((；)d(； + P ·\'λ 以(凡(CU / {H、H ' {())do丨 oou0 oJ(-、ioon)) Q …
4.根據權利要求I所述的一種大型水泵機組及其工況調節方式精確定量選型方法，其特征是，步驟C (3)所述變角調節水泵機組年運行費用的計算為 對于設置葉片調節功能的泵機組，通過調節水泵葉片角度改變泵站機組運行工況，節省運行費用；求解不同裝置揚程下泵系統效率最高點，作出泵機組變角運行最優工況曲線；工況曲線中點A、E、C分別為最小裝置揚程、最大時間密度運行揚程、最大裝置揚程時泵系統效率最高點；其它裝置揚程下的泵系統效率最高點可以利用三次樣條插值求解； 全泵站機組年運行費用表示為
5.根據權利要求I所述的一種大型水泵機組及其工況調節方式精確定量選型方法，其特征是，步驟C (4)所述半調節水泵機組年運行費用的計算為 對于在運行過程中不改變葉片角度的半調節水泵機組，其年運行費用計算公式采用
6.根據權利要求I所述的一種大型水泵機組及其工況調節方式精確定量選型方法，其特征是，步驟E所述計算泵站機組使用壽命期內運行與設備總費用，對于采用變頻變速調節、變角全調節以及半調節的泵站的總費用分別用下面三式計算，即 變頻變速調節泵站機組FTs=FyXt +(Fmot + Fbp + Fdr) Xm 變角全調節泵站機組 FTq=FyXt +(Fmot + Ftj + Fdr) Xm 半調節的泵站機組 FTb=FyXt + (Fmot + Fdr) Xm 式中FTs、FTq、FTb分別為變頻變速調節、變角全調節以及半調節的泵站機組運行與設備總費用，Fy為泵站年運行費用，t為泵站壽命期20年，Fmtrt為電動機造價，Fbp為變頻器造價，Ftj為葉片全調節機構造價，Fto為傳動裝置造價，m為泵站裝機臺數。
全文摘要
一種大型水泵機組及其工況調節方式精確定量選型方法，屬于泵站技術領域。其特征是，包括以下步驟A.初選出幾種可行泵型和臺數；B.初步確定各種可行泵型的配套電動機功率；C.分別計算泵機組設置變頻變速調節、變角全調節和半調節工況調節方式時，泵機組變工況優化運行年運行費用和泵站機組設置不同工況調節方式時的總設備費用、泵站機組使用壽命期內運行與設備總費用，比較不同方案的總費用大小，總費用最省的方案即為最優方案。本發明提出的泵機組設備選型方法既能保證泵站的使用要求，又能達到高效、節約設備成本的目的，節約運行及設備費用。本發明可應用于全國大中型泵站水泵機組及其工況調節方式的選擇與優化運行，節省電能與設備費用。
文檔編號F04B51/00GK102852782SQ20121036156
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月25日 優先權日2012年9月25日
發明者仇寶云, 馮曉莉, 賀淑全, 董波 申請人:揚州大學