专利名称：一种大型水泵机组及其工况调节方式精确定量选型方法
技术领域：
本发明涉及一种水泵机组选型方法，具体来说涉及ー种大型水泵机组及其エ况调节方式的定量选型方法，属于泵站和水泵机组规划和设计选型领域。
背景技术：
大型水泵机组主要由泵装置、电动机、传动装置和调节机构等部分組成。传统的水泵机组选型方法①在设计扬程下，抽水流量满足设计流量要求，且水泵效率较高；②在平均扬程下，水泵应在高效区工作。根据泵站设计扬程，常常无法确定出唯一适用的泵型(例如，设计扬程为7 m左右的泵站，立式轴流泵、卧式混流泵、立式混流泵以及斜式轴流泵和混流泵都在适用范围以内)和エ况调节方式，未考虑水泵和泵站エ况调节、泵站扬程变化和设备投资等因素，结果导致水泵机组选型不合理，运行效率低，造成运行和设备费用的浪费。
发明内容
本发明是根据目前大型水泵机组选型存在着考虑因素不全面、选型不合理、造成运行和设备费用浪费等问题。针对存在的问题，提出ー种大型水泵机组及其エ况调节方式精确定量选型方法。本发明首先初选出符合应用技术要求的所有的泵机组方案，剔除明显不合理的方案，得到多个可行方案，对每个可行方案采用不同エ况调节方式，根据泵站扬程变化和流量要求，优化泵站不同运行期间的运行エ况，计算运行费用，在满足泵站使用要求的前提下，计算工程使用寿命期内各可行方案考虑优化运行的运行费用和设备费用的总和，确定总费用最低者即为最优泵型、配套电动机与エ况调节方式组合方案。本发明提出的泵机组设备选型方法既能保证泵站的使用要求，又能达到高效、节约设备成本的目的，节约运行及设备费用29Γ5%以上。本发明的技术方案是ー种大型水泵机组及其エ况调节方式精确定量选型方法，其特征是，包括以下步骤Α.在满足使用要求的前提下，根据泵站特征扬程和设计流量，初选出几种可行泵型和台数；B.根据泵站特征扬程和水泵轴功率，初步确定各种可行泵型的配套电动机功率；C.针对初选出的几种可行泵型，分别计算泵机组设置变频变速调节、变角全调节和半调节エ况调节方式吋，泵机组变エ况优化运行年运行费用( I)泵站水泵机组年运行费用；(2)变频变速调节泵机组年运行费用；(3)变角调节水泵机组年运行费用；(4)半调节水泵机组年运行费用；D.计算泵站机组设置不同エ况调节方式时的总设备费用；
E.计算泵站机组使用寿命期内运行与设备总费用，比较不同方案的总费用大小，总费用最省的方案即为最优方案，其对应的泵机组与エ况调节方式亦即为最优。所述针对初选出的几种可行泵型，分别计算泵机组设置变频变速调节、变角全调节和半调节等エ况调节方式吋，泵机组变エ况优化运行年运行费用。计算过程中，一年中的运行扬程是ー个连续变量，在某一个扬程区间的运行时数是运行扬程的函数，极限状态下即为泵站年运行扬程时间密度，利用积分方法计算出泵站年运行费用。步骤C的具体计算过程如下( I)泵站年运行扬程时间密度的确定根据泵站特征扬程，提出泵站年运行扬程时间密度的概念。泵站通常在平均扬程附近运行时间最长，在最大扬程和最小扬程附近运行时间最短，近似抛物线分布的特点。以泵装置扬程Hz为横坐标，以泵站年运行扬程时间密度函数f (Hz)(其物理意义为在运行扬程范围内任一扬程处单位扬程的运行时间dt/dHz)为纵坐标，作出泵站年运行扬程时间密 度函数关系曲线，如图2。其中，A点、E点和C点的横坐标分别对应于泵站最小运行扬程Hzmin、最大时间密度运行扬程Hze和最大运行扬程Hzmax。设泵站年运行扬程时间密度函数f(Hz)由分段函数も饵)和f2(Hz)构成，并可用二次多项式表达，即
“rr、J./；(//z) = ^z2+^+C1, Hv画^HaKHze⑴
「00181/(^z)=.⑴
L 」If2(Hy) = O2H/+h2Hz + c2, //z,<//z<Fanax式中叫、b” C1^ a2、b2和C2均为系数。考虑泵站年运行时间为T，则函数f (Hz)应满足如下关系
Z1(^zmin) = O
A(Hze) = O Z2(^zmax) = Oh) = 0 (2)
.A(Hz^) = UHzu)
.UHMHz=T通过求解上述方程，可得函数f (Hz)的系数か‘らを^七。在抽水流量一定的情况下，泵站水泵机组年运行费用
刚 .しん=…· , ベ》,.ト(3)式中P为水体的密度，g为重力加速度，Q为单机流量，Hz为泵装置扬程，η为机组开机台数，t!>t2分别为积分下、上限；nz为泵装置效率，ndl·为传动效率，为电动机效率，nbp为变频装置效率，Qz为泵站总抽水流量。由于dt =f (Hz) dHz = f (Hz) Hン(Q)dQ，则式(3)可变为F =ρ· 〃ル Γ mH 沖, 込·/; (". )d". + /イ!!-i.UH 风千·卿":(卿”ト她請式中Iixt为泵系统效率，Iixt= nz · ndr · nmot · nbp。(2)变频变速调节泵机组年运行费用对于设置变频调速功能的泵站，可以通过调节水泵转速改变泵站机组运行エ况。如图3，在水泵变速范围内(选取变速比为O. 7^1. 0)，拟合不同转速下泵系统效率Ilxt最高点对应的泵装置扬程Hz与流量Q的泵机组变频变速运行最优エ况曲线，如图2中BCE曲线。点A、B分别为最小装置扬程、最优エ况抛物线与下边界转速O. 7ne泵装置性能曲线的交点；点E、F分别为最优エ况抛物线、最大装置扬程与上边界转速ne泵装置性能曲线的交点。变频调速装置运行时需消耗能量，増加了泵系统的功率损失。因此，若因变频变速 运行使得泵装置效率提高而节约的运行费用小于因实施变频变速运行(变频装置效率〈I)而增加的运行费用，则不应进行变频变速运行(这种情况发生在降速比较小吋)。图中点C表示泵机组是否变频变速运行的分界点，即当泵装置扬程Hz ^ Hz。，应进行变频变速运行；当泵装置扬程HZ>HZ。，则不应进行变频变速运行，而在额定转速运行。点D为装置扬程Hz。与ηε时泵装置性能曲线的交点。在水泵系统最优エ况曲线BCE上，E点为水泵系统效率最高点，随着运行转速的降低，电动机效率随之降低，水泵系统效率也随之降低。图3中E点扬程即为图2中E点最大时间密度运行扬程ΗζΕ。当装置扬程Ηζ〈ΗζΒ，泵机组应在0.7ηε转速运行；当装置扬程Hzb ^ Hz ^ Hzc,泵机组应实施变频变速运行；当泵装置扬程Hz>HzC，泵机组应脱离变频装置在额定转速运行。因此，计算路径为AB — BC — DE — EF，式(4)可变为
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+ ,ハ具:(卿”邮爲嘆ノ(3)变角调节水泵机组年运行费用对于设置叶片调节功能的泵机组，可以通过调节水泵叶片角度改变泵站机组运行エ况，节省运行费用。求解不同装置扬程下泵系统效率最高点，作出泵机组变角运行最优エ况曲线，如图4所示，图中箭头所在曲线即为变角运行时泵系统最优エ况曲线。点A、E、C分别为最小装置扬程、最大时间密度运行扬程、最大装置扬程时泵系统效率最高点。其他装置扬程下的泵系统效率最高点可以利用三次样条插值求解。全泵站机组年运行费用可以表示为
权利要求
1.一种大型水泵机组及其工况调节方式精确定量选型方法，其特征是，包括以下步骤 A.在满足使用要求的前提下，根据泵站特征扬程和设计流量，初选出几种可行泵型和台数； B.根据泵站特征扬程和水泵轴功率,初步确定各种可行泵型的配套电动机功率； C.针对初选出的几种可行泵型，分别计算泵机组设置变频变速调节、变角全调节和半调节工况调节方式时，泵机组变工况优化运行年运行费用 (1)泵站水泵机组年运行费用； (2)变频变速调节泵机组年运行费用； (3)变角调节水泵机组年运行费用； (4)半调节水泵机组年运行费用； D.计算泵站机组设置不同工况调节方式时的总设备费用； E.计算泵站机组使用寿命期内运行与设备总费用，比较不同方案的总费用大小，总费用最省的方案即为最优方案，其对应的泵机组与工况调节方式亦即为最优。
2.根据权利要求I所述的一种大型水泵机组及其工况调节方式精确定量选型方法，其特征是，步骤C (I)所述泵站水泵机组年运行费用的计算为 根据泵站特征扬程，提出泵站年运行扬程时间密度的概念；泵站通常在平均扬程附近运行时间最长，在最大扬程和最小扬程附近运行时间最短，近似抛物线分布的特点；以泵装置扬程Hz为横坐标，以泵站年运行扬程时间密度函数f (Hz)为纵坐标，作出泵站年运行扬程时间密度函数关系曲线，在运行扬程范围内任一扬程处单位扬程的运行时间dt/dHz，关系曲线中A点、E点和C点的横坐标分别对应于泵站最小运行扬程Hzmin、最大时间密度运行扬程Hze和最大运行扬程Hzmax，设泵站年运行扬程时间密度函数f (Hz)由分段函数(Hz)和f2(Hz)构成，并可用二次多项式表达，即 口、UHzKHze U("z) = Μ: +^//z+c·. Hv, <H,< 式中ap bp Cp a2、b2和C2均为系数； 考虑泵站年运行时间为T,则函数f (Hz)应满足如下关系./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 通过求解上述方程，可得函数f (Hz)的系数士^士^^士； 在抽水流量一定的情况下，泵站水泵机组年运行费用，F = p.\h_Mqh'__n.At = p.[-_p _,__ J ^ i ()()()"z · /；,, · //!IK · "bpJi ()oo 7z · //,, · //llK . nhv o 式中P为水体的密度，g为重力加速度，Q为单机流量，Hz为泵装置扬程，η为机组开机台数,!^t2分别为积分下、上限；nz为泵装置效率，ndl·为传动效率，rInrot为电动机效率，nbp为变频装置效率，Qz为泵站总抽水流量；由于 dt =f (Hz) dHz = f (Hz) Hz' (Q) dQ，则计算公式为 F = P- "Λ见· (A. · /■(// )cL J + p. [ 〃"";■ p 必H 风.(λ . f (Hz)AHz j^n- IOOOT7xt(ZZz) QIOOO^xt(Fz) Q 2 ζ ζ ...户 P柳MT) Qr r(n λ,, '(ηλΛη , .,, 1-1'P!4QI-1AQ) Q, i '(ηλΛη式中nxt 为泵系统效率，iixt=iiz· ndr · nmot · nbp。
3.根据权利要求I所述的一种大型水泵机组及其工况调节方式精确定量选型方法，其特征是，步骤C (2)所述变频变速调节泵机组年运行费用的计算为 对于设置变频调速功能的泵站，通过调节水泵转速改变泵站机组运行工况，在水泵变速范围内，选取变速比为O. 7 1.0，，拟合不同转速下泵系统效率nxt最高点对应的泵装置扬程Hz与流量Q的泵机组变频变速运行最优工况曲线，工况曲线BCE曲线中点A、B分别为最小装置扬程、最优工况抛物线与下边界转速O. 7\泵装置性能曲线的交点；AE、F分别为最优工况抛物线、最大装置扬程与上边界转速泵装置性能曲线的交点； 变频调速装置运行时需消耗能量，增加了泵系统的功率损失；因此，若因变频变速运行使得泵装置效率提高而节约的运行费用小于因实施变频变速运行，变频装置效率〈1，而增加的运行费用，则不应进行变频变速运行；点C表示泵机组是否变频变速运行的分界点，即当泵装置扬程Hz ( Hzc,应进行变频变速运行；当泵装置扬程Hz > Hzc,则不应进行变频变速运行，而在额定转速运行；点D为装置扬程Hz。与ηε时泵装置性能曲线的交点； 在水泵系统最优工况曲线BCE上，E点为水泵系统效率最高点，随着运行转速的降低，电动机效率随之降低，水泵系统效率也随之降低；E点扬程即为最大时间密度运行扬程Hzeo当装置扬程Ηζ〈ΗζΒ，泵机组应在O. 7ne转速运行；当装置扬程Hzb ^ Hz ^ Hzc,泵机组应实施变频变速运行；当泵装置扬程HZ>HZ。，泵机组应脱离变频装置在额定转速运行；计算路径为AB — BC — DE — EF,计算公式为 f : PgQHy(O) Oy', .、Q,- r t LJ MJ 'Λ F=p%綱"z 晴+/,丄:7^^.17'/:獣請 =P 广,'办U (A. f (" )Ηγ[{ ) Ο + P .广"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.根据权利要求I所述的一种大型水泵机组及其工况调节方式精确定量选型方法，其特征是，步骤C (3)所述变角调节水泵机组年运行费用的计算为 对于设置叶片调节功能的泵机组，通过调节水泵叶片角度改变泵站机组运行工况，节省运行费用；求解不同装置扬程下泵系统效率最高点，作出泵机组变角运行最优工况曲线；工况曲线中点A、E、C分别为最小装置扬程、最大时间密度运行扬程、最大装置扬程时泵系统效率最高点；其它装置扬程下的泵系统效率最高点可以利用三次样条插值求解； 全泵站机组年运行费用表示为
5.根据权利要求I所述的一种大型水泵机组及其工况调节方式精确定量选型方法，其特征是，步骤C (4)所述半调节水泵机组年运行费用的计算为 对于在运行过程中不改变叶片角度的半调节水泵机组，其年运行费用计算公式采用
6.根据权利要求I所述的一种大型水泵机组及其工况调节方式精确定量选型方法，其特征是，步骤E所述计算泵站机组使用寿命期内运行与设备总费用，对于采用变频变速调节、变角全调节以及半调节的泵站的总费用分别用下面三式计算，即 变频变速调节泵站机组FTs=FyXt +(Fmot + Fbp + Fdr) Xm 变角全调节泵站机组 FTq=FyXt +(Fmot + Ftj + Fdr) Xm 半调节的泵站机组 FTb=FyXt + (Fmot + Fdr) Xm 式中FTs、FTq、FTb分别为变频变速调节、变角全调节以及半调节的泵站机组运行与设备总费用，Fy为泵站年运行费用，t为泵站寿命期20年，Fmtrt为电动机造价，Fbp为变频器造价，Ftj为叶片全调节机构造价，Fto为传动装置造价，m为泵站装机台数。
全文摘要
一种大型水泵机组及其工况调节方式精确定量选型方法，属于泵站技术领域。其特征是，包括以下步骤A.初选出几种可行泵型和台数；B.初步确定各种可行泵型的配套电动机功率；C.分别计算泵机组设置变频变速调节、变角全调节和半调节工况调节方式时，泵机组变工况优化运行年运行费用和泵站机组设置不同工况调节方式时的总设备费用、泵站机组使用寿命期内运行与设备总费用，比较不同方案的总费用大小，总费用最省的方案即为最优方案。本发明提出的泵机组设备选型方法既能保证泵站的使用要求，又能达到高效、节约设备成本的目的，节约运行及设备费用。本发明可应用于全国大中型泵站水泵机组及其工况调节方式的选择与优化运行，节省电能与设备费用。
文档编号F04B51/00GK102852782SQ20121036156
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者仇宝云, 冯晓莉, 贺淑全, 董波 申请人:扬州大学