CN103835980A - 物理学在电源频率不足时解决水泵抽水扬程问题的应用 - Google Patents

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CN103835980A CN201210526283.4A CN201210526283A CN103835980A CN 103835980 A CN103835980 A CN 103835980A CN 201210526283 A CN201210526283 A CN 201210526283A CN 103835980 A CN103835980 A CN 103835980A
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Abstract

一款物理学在电源频率不足时解决水泵抽水扬程问题的应用，将双机串联运行是解决水厂枯水期f＜48赫时抽水扬程不足的有效办法，它可以提高水泵的运行效率，降低单位产水量的电力消耗，年节电约70万度实施例证明，当f＜48赫时仍正常抽水，基本解决了县城供水的需要。输水管径巳改造为φ300mm，可使水泵的运行效率增大，η最大＝80％，从而使单位产水量的电耗成本减小到最小值。改大管径后，由于原安有“水桶式无针阀”所以2号泵进水管闸阀时并联抽水无碍。并联是扬程相等，流量相加。由于产水量增大，夏季县城“水荒”，近年内可以避免。

Description

物理学在电源频率不足时解决水泵抽水扬程问题的应用
技术领域
本发明涉及一款物理学在电源频率不足时解决水泵抽水扬程问题的应用。
背景技术
县属自来水厂有两台150s100型离心式水泵，一备一运行。水泵标称扬程100米，额定流量160m3/时，配用电动机两台，各75千瓦，转速2950转/分。输水管道为Ф150mm，管线长182.2米，从乌江边囤船取水，要求净扬程97米。供电系统系地方电网，并网的县办四座电站均系径流式，无调节能力，供电能力随水力丰枯而变化。每年枯水期，年年发生电源周波不足(50赫以下，)导致电机转速下降，水泵不能抽到额定扬程，因而带来全城停水的问题。因此，解决水泵的抽水扬程问题迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于通过物理电工学原理在电源频率不足时解决水泵抽水扬程问题的应用。
本发明为了解决其技术问题，所采取的技术方案是：几个解决方案的比较。
1、电源正常(50赫)时水泵单机运行。众所周知，
Figure BSA00000821093200011
式中hr为装置扬程；h净为净扬程；(这里H净＝97米为巳知)；p1p2为大气压强(p1＝p2∴p2-p1＝0)；∑h损为管线装置水头损失之和(可用∑h损＝ιi求出，ι＝182.2米，且当Q＝160m3/时时，在Ф150mm管线中的水力阻力系数i＝84.7毫米/米，∴∑h损＝ιi＝182.2×84.7/1000≈15米)。
∵p2-p1＝0  ∴式(1)可写成：HY＝H净+∑h损  (2)
又∵管路中的水力损失与管路中流速的平方成正比，
∴∑h损＝KQ2  (3)
式(2)可以写成：HY＝h净+KQ2  (4)
巳知KQ2＝15米，Q＝160m3/时或0.0445m3/秒，代入(3)式有：15＝K×0.04452  ∴K＝15/0.04452≈7793  代入(4)式得：HY＝97+7793Q2  (5)
式(5)抛物线方程就是水泵的装置扬程曲线。取不同Q值代入公式，得到对应的HY值。将HY曲线与150s100水泵性能曲线(产品样本性能曲线图)画在同一坐标图上时，HY和水泵扬程曲线H有一个交点HY1。这就是水泵在现有装置条件下的工况运行点。
从图1可以看出，此时水泵单机运行的装置扬程为105米，水头损失h损＝105-97＝8米，水泵流量为111.6m3/时，运行效率为67.5％，轴功率为45千瓦，电动机功率为66.7千瓦，单位水产量耗电为66.7÷111.6＝0.6度/吨水。
因此，单机在电源频率正常情况是很不理想的。按24小时作业计算流量为2678.4m3/日，减去水厂自用水量134m3/日，净产水能力仅为2544m3/日，与夏季县城日供水需水量约相差一半。水厂原来在夏季给水供不应求的原因也在于此。
2、当电源频率下降为48赫、47赫、46赫、45赫时水泵单机运行。
由电工学得知：电机旋转磁场每分钟的转速与电源频率成正比。据此算出频率降低后的转速如表1。
频率(赫) 48 47 46 45
转速(转/分) 2832 2773 2714 2355
根据水泵转速与流量、扬程的变化关系可知：
Figure BSA00000821093200021
Figure BSA00000821093200022
从此推算出Q1＝0.96Q，Q2＝0.94Q，Q3＝0.92Q，Q4＝0.90Q。相对应的扬程分别为H1＝0.9216H，H2＝0.8836H，H3＝0.8464H，H4＝0.81H。取不同的Q值，得到相对应的H值代入上式中，就可分别得到频率下降后150S100水泵的Q降速-H降速的扬程曲线Q1-H1，Q2-H2，Q3-H3，Q4-H4的150S100水泵在频率分别为48赫、47赫、46赫、45赫的流量-扬程特性曲线(见图2)。此时，泵机装置条件未改变，仍适用于方程HY＝97+7793Q2。将HY＝97+7793Q2也画在图2上后可以看出，当净扬程为H净＝97米时.它的装置特性曲线HY＝97+7793Q2与频率下降后的任何一条Q降速频-H降速的流量、扬程关系曲线都没有交点。换言之，当电源频率下降后，将导致水泵单机抽不上水，整个给水工程处于停止状态。
3、当电源频率正常(50赫)和不正常(45赫)时双机串联运行。利用备用泵双机串联运行，由图3可以看出。由于两泵型号相同，水泵串联是按流量相等扬程相加的方法，因此只须把两泵的扬程曲线扩大一倍，同时装置条件并没有改变，仍为HY＝97+7793Q2，所以只须把HY＝97+7793Q2同f＝50赫和f＝45赫的扬程特性曲线H2950转/分串联，及H2655转/分串联分别画在同一坐标图上，就得到频率50赫和45赫时两泵串联运行的工况点HY2和HY3(见图4)。
从图4可以看出，当f＝50赫时，泵机串联运行的装置扬程Hy2＝140米，流量Q2＝70.5升/秒或253.8m3/时；当f＝45赫，泵机串联运行的装置扬程Hy3＝125米，Q＝60.2升/秒或216.72m3/时。
又根据串联运行实际观察值：当f＝50赫时，电压400v，两机电流分别为130A和90A，电机工作因数约为0.84；当f＝45赫时，电压380v，两
Figure BSA00000821093200031
Figure BSA00000821093200032
千瓦。当f＝45赫时，千瓦。
于是，当f＝50赫时，电机串联运行的电耗成本为128÷253.8≈0.5度/吨水；当f＝45赫时，泵机串联运行的电耗成本为98÷216.72≈0.45度/吨水。三种运行情况的对比如表2。
从表中的经济比较可以看出，泵机串联运行后，由于流量相对增加，使吨水电耗成本相应减少。以原产水140万吨计(单机达不到此产水量)，与单机运行比较每年可直接节省电费14000元(当f＝50赫时)至21000元(f＝45赫时)。同时由于串联运行产水量增大，供水有保证，县城“水荒”危机亦可避免
表2
Figure BSA00000821093200041
4、输水管径改造为φ300mm。
此时，当泵机组净扬程不变，而管线实际长度220米，管径φ300mm，则Hy＝97+230Q2。将Hy＝97+230Q2画在150s100泵机性能曲线图上，从图5可以看出，得到交点Hy4。当输水管改为φ300mm时，水泵的装置扬程在f＝50赫时为97.5米，流量为48升/秒或或172.8米3/时，轴功率N为57.5千瓦，效率η为77.5％，电机输出功率为57.5÷77.5％≈74.19千瓦。每产吨水电耗为0.43度。由此可见，输水管径改大后，当f＝50赫时，电功率增加不大，但单位产水量有显著增加，单住产水量的电耗成本接近最小值。
但是输水管道改为φ300mm后，无论电源频率下降若何，都要求不会停水是不可能的。因冬枯季节，电源频率一般在45赫至48赫之间，以f＝48赫为例，如图5中的H＝48赫曲线，此时水泵的H＝76.77米，H＝48赫扬程曲线和HY＝97+230Q2管路特性曲线没有交点。换言之，当f＜48赫时，150s100水泵在所需的扬程装置条件下没有运行点，水泵同样抽不上来。所以f＜48赫时，水泵仍然需要双机串联才能解决县城供给水问题。
此外，用机械变速提高水泵转速的办法，若用胶带传动因受传动带速度限制，无法采用。至于采用增速齿轮箱传动，则须增加功率，且要解决好电源频率一天内多变的问题，也不可能得心应手。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明原有水泵的工况运行点图。
图2是本发明在频率下降后水泵的流量、扬程关系曲线图。
图3是本发明利用备用水泵双机串联泵船装置图。
图4是本发明水泵双机串联的工况点图。
图5是本发明输水管径改造为φ300mm泵机性能曲线图。
图6是本发明水泵两台并联运行于φ300mm管路中工况点曲线图。
图中1.4#阀门卜  2.1#水泵  3.无底阀水  4.1#进水闸阀5.电劫机  6.配电盘  7.泵船  8.闸阀  9.2#水泵  10.2#阀门11.总管  12.2#电动机  13.5#闸门  14.150s100水泵n＝2950转/分时水泵特性及装置扬程曲图  15.150s100水泵性能曲线关系图  16.150s100水泵两台并联运行于φ300mm管路中工况点曲线图
具体实施方式
在图1中，电源正常(50赫)时水泵单机运行。众所周知，
Figure BSA00000821093200051
式中hr为装置扬程；h净为净扬程；(这里H净＝97米为巳知)；p1p2为大气压强(p1＝p2，∴p2-p1＝0)；∑h损为管线装置水头损失之和(可用∑h损＝ιi求出，ι＝182.2米，且当Q＝160m3/时时，在Ф150mm管线中的水力阻力系数i＝84.7毫米/米，∴∑h损＝ιi＝182.2×84.7/1000≈15米)。∵p2-p1＝0∴式(1)可写成：HY＝H净+∑h损(2)又∵管路中的水力损失与管路中流速的平方成正比，∴∑h损＝KQ2(3)式(2)可以写成：HY＝h净+KQ2(4)巳知KQ2＝15米，Q＝160m3/时或0.0445m3/秒，代入(3)有：15＝K×0.04452∴K＝15/0.04452≈7793代入(4)式得：HY＝97+7793Q2(5)式(5)抛物线方程就是水泵的装置扬程曲线。取不同Q值代入公式，得到对应的HY值。将HY曲线与150s100水泵性能曲线(产品样本性能曲线图)画在同一坐标图上时，HY和水泵扬程曲线H有一个交点HY1。这就是水泵在现有装置条件下的工况运行点(见图1)。
从图1可以看出，此时水泵单机运行的装置扬程为105米，水头损失为105米，水头损失h损＝105-97＝8米，水泵流量为111.6m3/时，运行效率为67.5％，轴功率为45千瓦，电动机为66.7千瓦，单位水产量耗电为66.7÷111.6＝0.6度/吨水。
因此，单机在电源频率正常情况是很不理想的。按24小时作业计算流量为2678.4m3/日，减去水厂自用水量134m3/日，净产水能力仅为2544m3/日，与夏季县城日供水需水量约相差一半。水厂原来在夏季给水供不应求的原因也在于此。
在图2中，当电源频率下降为48赫、47赫、46赫、45赫时水泵单机运行
由电工学得知：电机旋转磁场每分钟的转速与电源频率成正比。据此算出频率降低后的转速如表1。
频率(赫) 48 47 46 45
转速(转/分) 2832 2773 2714 2355
根据水泵转速与流量、扬程的变化关系可知：
Figure BSA00000821093200061
Figure BSA00000821093200062
从此推算出Q1＝0.96Q，Q2＝0.94，Q3＝0.92Q，Q4＝0.90Q。相对应的扬程分别为H1＝0.926H，H2＝0.8836H，H3＝0.8464H，H4＝0.81H。取不同的Q值，得到相对应的H值代入上式中，就可分别得到频率下降后150S100水泵的Q降速-H降速的扬程曲线Q1-H1，Q2-H2，Q3-H3，Q4-H4的150S100水泵在频率分别为48赫、47赫、46赫、45赫的流量-扬程特性曲线(见图2)。此时，泵机装置条件未改变，仍适用于方程HY＝97+7793Q2。将HY＝97+7793Q2。也画在图2上后可以看出，当净扬程为H净＝97米对.它的装置特性曲线HY＝97+7793Q2与频率降后的任何一条Q降速频-H降速的流量、扬程关系曲线都没有交点。换言之，当电源频率下降后，将导致水泵单机抽不上水，整个给水工程处于停止状态。
在图3中，当电源频率正常(50赫)和不正常(45赫)时双机串联运行。利用备用泵双机串联运行如图3所示。由于两泵型号相同，水泵串联是按流量相等扬程相加的方法，因此只须把两泵的扬程曲线扩大一倍，同时装置条件并没有改变，仍为HY＝97+7793Q2，所以只须把HY＝97+7793Q2同f＝50赫和f＝45赫的扬程特性曲线H2950转/分串联，及H2655转/分串联分别画在同一坐标图上，就得到频率50赫和45赫时两泵串联运行的工况点HY2和HY3(见图4)。从图4可以看出，当f＝50赫时，泵机串联运行的装置扬程Hy2＝140米，流量Q2＝70.5升；/秒或253.8m3/时；当f＝45赫，泵机串联运行的装置扬程Hy3＝125米，Q＝60.2杆/秒或216.72m3/时。又根据串联运行实际观察值：当f＝50赫时，电压400v，两机电流分别为130A和90A，电机工作因数约为0.84；当f＝45赫时，电压380v，两机电流分别为115A和62A。利
Figure BSA00000821093200071
Figure BSA00000821093200072
千瓦
于是，当f＝50赫时，电机串联运行的电耗成本为128÷253.8≈0.5度/吨水；当f＝45赫时，泵机串联运行的电耗成本为98÷216.72≈0.45度/吨水。三种运行情况的时比如表2。从表中的经济比较可以看出，泵机串联运行后，由于流量相对增加，使吨水电耗成本相应减少。以原产水140万吨计(单机达不到此产水量)，与单机运行比较每年可直接节省电费14000元(当f＝50赫时)至21000元(f＝45赫时)。同时由于串联运行产水量增大，供水有保证，县城“水荒”危机亦可避免
表2
在图4中，输水管径改造为φ300mm。此时，当泵机组净扬程不变，而管线实际长度220米，管径φ300mm，则HY＝97+230Q2画在150s100泵机性能曲线图上，得到交点Hy4(见图5)。
在图5中，从图5可以看出，当输水管改为φ300mm时，水泵的装置扬程在f＝50赫时为97.5米，流量为48升/秒或或172.8米3/时，轴功率N为57.5千瓦，效率η为77.5％，电机输出功率为57.5÷77.5％≈74.19千瓦。每产吨水电耗为0.43度。由此可见，输水管径改大后，当f＝50赫时，电功率增加不大，但单位产水量有显著增加，单住产水量的电耗成本接近最小值。但是输水管道改为φ300mm后，无论电源频率下降若何，都要求不会停水是不可能的。因冬枯季节，电源频率一般在45赫至48赫之间，以f＝48赫为例，如图5中的H＝48赫曲线，此时水泵的H＝76.77米，H＝48赫扬程曲线和HY＝97+230Q2管路特性曲线没有交点。换言之，当f＜48赫时，150s100水泵在所需的扬程装置条件下没有运行点，水泵同样抽不上来。所以f＜48赫时，水泵仍然需要双机串联才能解决县城供给水问题。
在图6中，输水管径巳改造为φ300mm，可使水泵的运行效率增大，η最大＝80％，从而使单位产水量的电耗成本减小到最小值。改大管径后，由于原安有“水桶式无针阀”所以2号泵进水管闸阀时并联抽水无碍。并联是扬程相等，流量相加。由于产水量增大，夏季县城“水荒”，近年内可以避免。
此外，用机械变速提高水泵转速的办法，若用胶带传动因受传动带速度限制，无法采用。至于采用增速齿轮箱传动，则须增加功率，且要解决好电源频率一天内多变的问题，也不可能得心应手。

Claims (5)

1.一款物理学在电源频率不足时解决水泵抽水扬程问题的应用，其特征是：电源正常(50赫)时水泵单机运行。众所周知，
Figure FSA00000821093100011
式中hr为装置扬程；h净为净扬程；(这里H净＝97米为巳知)；p1p2为大气压强(p1＝p2∴p2-p1＝0)；∑h损为管线装置水头损失之和(可用∑h损＝ιi求出，ι＝182.2米，且当Q＝160m3/时时，在Ф150mm管线中的水力阻力系数i＝84.7毫米/米，∴∑h损＝ιi＝182.2×84.7/1000≈15米)。∵p2-p1＝0∴式(1)可写成：HY＝H净+∑h损(2)又∵管路中的水力损失与管路中流速的平方成正比，∴∑h损＝KQ2(3)式(2)可以写成：HY＝h净+KQ2(4)巳知KQ2＝15米，Q＝160m3/时或0.0445m3/秒，代入(3)有：15＝K×0.04452∴K＝15/0.04452≈7793代入(4)式得：HY＝97+7793Q2(5)式(5)抛物线方程就是水泵的装置扬程曲线，取不同Q值代入公式，得到对应的HY值。将HY曲线与150s100水泵性能曲线(产品样本性能曲线图)画在同一坐标图上时，和水泵扬程曲线H有一个交点HY1。这就是水泵在现有装置条件下的工况运行点。此时水泵单挖机运行的装置扬程为105米，水头损失为105米，水头损失h损＝105-97＝8米，水泵流量为111.6m3/时，运行效率为67.5％，轴功率为45千瓦，电动机为66.7千瓦，单位水产量耗电为66.7÷111.6＝0.6度/吨水。因此，单机在电源频率正常情况是很不理想的。按24小时作业计算流量为2678.4m3/日，减去水厂自用水量134m3/日，净产水能力仅为2544m3/日，与夏季县城日供水需水量约相差一半。水厂原来在夏季给水供不应求的原因也在于此。
2.根据权利要求1所述的物理学在电源频率不足时解决水泵抽水扬程问题的应用，其特征是：当电源频率下降为48赫、47赫、46赫、45赫时水泵单机运行，由电工学得知：
电机旋转磁场每分钟的转速与电源频率成正比。据此算出频率降低后的转速如表1。
频率(赫) 48 47 46 45 转速(转/分) 2832 2773 2714 2355
根据水泵转速与流量、扬程的变化关系可知：
Figure FSA00000821093100022
从此推算出Q1＝0.96Q，Q2＝0.94，Q3＝0.92Q，Q4＝0.90Q。相对应的扬程分别为H1＝0.926H，H2＝0.8836H，H3＝0.8464H，H4＝0.81H。取不同的Q值，得到相对应的H值代入上式中，就可分别得到频率下降后150S100水泵的Q降速-H降速的扬程曲线Q1-H1，Q2-H2，Q3-H3，Q4-H4的150S100水泵在频率分别为48赫、47赫、46赫、45赫的流量-扬程特性曲线(见图2)。此时，泵机装置条件未改变，仍适用于方程HY＝97+7793Q2。将HY＝97+7793Q2。也画在图2上后可以看出，当净扬程为H净＝97米对.它的装置特性曲线HY＝97+7793Q2与频率降后的任何一条Q降速频-H降速的流量、扬程关系曲线都没有交点。换言之，当电源频率下降后，将导致水泵单机抽不上水，整个给水工程处于停止状态。
3.根据权利要求1所述的物理学在电源频率不足时解决水泵抽水扬程问题的应用，其特征是：当电源频率正常(50赫)和不正常(45赫)时双机串联运行。利用备用泵双机串联运行如图3所示。由于两泵型号相同，水泵串联是按流量相等扬程相加的方法，因此只须把两泵的扬程曲线扩大一倍，同时装置条件并没有改变，仍为HY＝97+7793Q2，所以只须把HY＝97+7793Q2同f＝50赫和f＝45赫的扬程特性曲线H2950转/分串联，及H2655转/分串联分别画在同一坐标图上，就得到频率50赫和45赫时两泵串联运行的工况点HY2和HY3(见图4)。从图4可以看出，当f＝50赫时，泵机串联运行的装置扬程Hy2＝140米，流量Q2＝70.5升；/秒或253.8m3/时；当f＝45赫，泵机串联运行的装置扬程Hy3＝125米，Q＝60.2杆/秒或216.72m3/时。又根据串联运行实际观察值：当f＝50赫时，电压400v，两机电流分别为130A和90A，电机工作因数约为0.84；当f＝45赫时，电压380v，两机电流分别为115A
Figure FSA00000821093100031
45赫时，
Figure FSA00000821093100032
千瓦。
于是，当f＝50赫时，电机串联运行的电耗成本为128÷253.8≈0.5度/吨水；当f＝45赫时，泵机串联运行的电耗成本为98÷216.72≈0.45度/吨水。三种运行情况的时比如表2。从表中的经济比较可以看出，泵机串联运行后，由于流量相对增加，使吨水电耗成本相应减少。以原产水140万吨计(单机达不到此产水量)，与单机运行比较每年可直接节省电费14000元(当f＝50赫时)至21000元(f＝45赫时)。同时由于串联运行产水量增大，供水有保证，县城“水荒”危机亦可避免。
表2
Figure FSA00000821093100033
4.根据权利要求1所述的物理学在电源频率不足时解决水泵抽水扬程问题的应用，其特征是：输水管径改造为φ300mm此时，当泵机组净扬程不变，而管线实际长度220米，管径φ300mm，则HY＝97+230Q2画在150s100泵机性能曲线图上，得到交点Hy4，从图5可以看出，当输水管改为φ300mm时，水泵的装置扬程在f＝50赫时为97.5米，流量为48升/秒或或172.8米3/时，轴功率N为57.5千瓦，效率η为77.5％，电机输出功率为57.5÷77.5％≈74.19千瓦。每产吨水电耗为0.43度。由此可见，输水管径改大后，当f＝50赫时，电功率增加不大，但单位产水量有显著增加，单住产水量的电耗成本接近最小值。
5.根据权利要求1所述的物理学在电源频率不足时解决水泵抽水扬程问题的应用，其特征是：输水管径巳改造为φ300mm，可使水泵的运行效率增大，η最大＝80％，从而使单位产水量的电耗成本减小到最小值。改大管径后，由于原安有“水桶式无针阀”所以2号泵进水管闸阀时并联抽水无碍。并联是扬程相等，流量相加。由于产水量增大，夏季县城“水荒”，近年内可以避免。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113944645A (zh) * 2020-07-15 2022-01-18 依必安派特穆尔芬根有限两合公司 用于优化调节多个风扇排列的系统和方法

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