CN104154005B - 基于单位流量耗油量最低的柴油机泵站调速优化运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于单位流量耗油量最低的柴油机泵站调速优化运行方法，首次提出一定装置扬程下柴油机泵站抽提单位流量水体的一小时的耗油量—？“单位流量耗油量”概念，求解出各种泵装置扬程下单位流量耗油量与变速比的关系曲线，以单位流量耗油量最低为优化目标，确定柴油机泵机组最优调速比和泵站运行优化方案。综合各种装置扬程下的最低单位流量耗油量及其最优调速比，给出最优转速—泵装置扬程曲线，可供泵站现场使用。与在额定转速下运行和传统的以水泵效率最高和泵装置效率最高为目标的调速优化运行方案相比，可降低能耗3%~5%以上。

Description

基于单位流量耗油量最低的柴油机泵站调速优化运行方法

技术领域

本发明涉及一种柴油机泵站调速优化运行方法，尤其是基于单位流量耗油量最低的柴油机泵站调速优化运行方法。

背景技术

为了节省柴油机泵站运行费用，在一定装置扬程下，柴油机泵站应在满足抽水流量的前提下，充分利用柴油机的调速性能，实现泵站调速优化运行。传统的柴油机泵站运行方法有以下几种：①在额定转速下运行，即不优化；②以水泵效率最高进行调速优化运行；③以泵装置效率最高进行调速优化运行。柴油机泵站在额定工况下运行，即没有优化运行，没有利用柴油机的调速性能。柴油机泵站分别以水泵和泵装置效率最高为优化目标，优化对象和范围不全面，只考虑了泵站部分设备的性能，而忽略了柴油机的负载性能，优化不合理，有可能会增加机组的耗油量，导致能源浪费，达不到优化的目的。以水泵效率最高或者泵装置效率最高进行选型，对于不同机泵组合的机组，无法进行横向比较，从而不能实现对机泵组合的合理和优化选型。

发明内容

本发明的目的就是为克服目前柴油机泵站优化运行及其选型配套中存在着考虑因素不全面、机泵配套不合理、造成运行和设备费用浪费的缺点，提出一种能真正省油的柴油机泵站调速优化运行方法和机泵合理优化选型配套的精确定量计算方法。

为实现以上目的，本发明的技术方案如下：

首次提出一定装置扬程下柴油机泵站抽提单位流量水体的一小时的耗油量——“单位流量耗油量”概念，提供一种基于单位流量耗油量最低的柴油机泵站调速优化运行方法，包括以下步骤：

A.泵站几种性能曲线计算。对于配套好的柴油机泵站，根据安装环境和机组性能，计算出机组的管路性能曲线和泵站的各项效率曲线。泵装置需要扬程曲线计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_f=\frac{10.29n^{2}L}{d^{16/3}}\\ S_j=\frac{0.083\mathrm{\ζ}}{d^4}\\ S=S_f+S_j\\ H_r=H_z+{\mathrm{SQ}}^2\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：S_f、S_j分别为水泵进出水管道的沿程水力损失阻力系数和局部水力损失阻力系数，s²/m⁵。n为管道粗糙率；L为管道长，m；d为管道内径，m；ζ为局部损失系数；Q为泵流量，m³/s；H_r为泵装置需要扬程，m；H_z为装置扬程，m。

如图1和图2所示，图中η_p、η_pi、η_z、η_s分别为水泵、管道、泵装置和泵站的效率曲线。水泵效率η_p、扬程H特性由生产厂家给出(为已知)，其与流量Q的关系可由下式拟合得到：

η_p＝a₁Q²+a₂Q+a₃(2)

H＝b₁Q²+b₂Q+b₃(3)式中：a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃为多项式拟合的系数。

管道效率η_pi为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{pi}}=\frac{H-{\mathrm{SQ}}^2}{H}---\left(4\right)$

泵装置效率η_z为：

η_z＝η_pη_pi(5)

泵站效率η_s为：

η_s＝η_pη_piη_tη_d(6)式中：η_t为传动效率；η_d为柴油机热效率，由生产厂家给出，为已知。

B.计算一定装置扬程下，机组的单位流量耗油量与调速比的关系。

单位流量耗油量是本发明首次提出的概念，表示一定装置扬程下柴油机泵站抽提单位流量水体一小时的耗油量，用以衡量柴油机泵站能耗，直接明了，方便比较。

柴油机的输出功率P(kW)可用下式计算，即

$P=\frac{\mathrm{\ρg}{\mathrm{QH}}_z}{{\mathrm{\η}}_z{\·\mathrm{\η}}_t}---\left(7\right)$

其中，ρ为水的密度，t/m³；g为重力加速度，s²/m⁵；Q为流量，m³/s；H_z为泵装置扬程，m。

柴油机的油耗率g_e与输出功率P的关系可用多项式表达为：

g_e＝c₁P⁴+c₂P³+c₃P²+c₄P+c₅(8)式中：c₁、c₂、c₃、c₄为系数。

单位流量耗油量g_e0与柴油机的油耗率g_e的关系为：

$g_{e0}=\frac{g_{e}P}{Q}=g_e\left(P\right)\frac{P}{Q}---\left(9\right)$

式中：Q为泵流量，m³/h。

根据比例律，调速后泵装置扬程可表达为：

$\begin{array}{c}{H}_z=i^{2}H\left(\frac{Q}{i}\right)-{\mathrm{SQ}}^2\\ =i^2(b_1{\left(\frac{Q}{i}\right)}^2+b_2\left(\frac{Q}{i}\right)+b_3)-{\mathrm{SQ}}^2\\ =(b_1-S)Q^2+{\mathrm{ib}}_{2}Q+i^2{b}_3\end{array}---\left(10\right)$

式中：i为调速比，即调速后的转速与额定转速的比值；Q为调速后的水泵流量；为水泵额定转速下水泵的扬程性能曲线。

当泵装置扬程H_z一定时，改变调速比i，运用式(10)，求解对应的流量Q值，代入式(9)求得单位流量耗油量g_e0，即可求得一定装置扬程时，单位流量耗油量与调速比的关系。用同样方法，计算出不同装置扬程时，单位流量耗油量与调速比的关系，如图3。

C.确定满足最低单位流量耗油量的最优转速(最优调速比)—泵装置扬程曲线，供泵站现场使用。

在图3中一定装置扬程下单位流量耗油量与调速比的关系曲线上，找出单位流量耗油量最小的点及其对应的调速比为最优调速比，综合各种装置扬程下的最低单位流量耗油量的最优调速比，最优转速＝最优调速比×额定转速，建立装置扬程与对应其最低单位流量耗油量的最优转速的对应关系，即给出最优转速—泵装置扬程的关系曲线，如图4。

D.在额定转速下运行和传统的以水泵效率最高和泵装置效率最高为目标的调速优化运行的单位流量耗油量计算。

水泵在额定转速下运行时，直接根据式(9)计算单位流量耗油量。

以水泵效率最高和泵装置效率最高为目标的调速优化运行时，首先找出水泵和泵装置的最高效率点，图5中的点B和点Bˊ。再根据水泵的比例律公式n₂＝Q₂n₁/Q₁、n₂′＝Q₂′n₁′/Q₁′求解变速优化后的工况，即图5中的点D和点Dˊ。然后根据式(9)分别计算单位流量耗油量，计算结果与本发明的方案比较，如图6所示。

E.柴油机泵机组选型时，首先初选多组流量和扬程满足要求的可行的柴油机泵系统方案，然后用式(9)、(10)计算多组初选方案分别在多个实际的泵装置扬程下的单位流量耗油量，确定基于本发明调速优化运行方法的各方案机组最低单位流量耗油量，对初选多组可行方案横向比较，确定耗油量低、节能的柴油机组配套泵系统方案。

本发明首次提出一定装置扬程下柴油机泵站抽提单位流量水体的一小时的耗油量—“单位流量耗油量”概念，求解出各种装置扬程下单位流量耗油量与变速比的关系曲线，以单位流量耗油量最低为优化目标，确定泵站运行优化方案(柴油机最优调速比和运行台数)。综合各种装置扬程下的最低单位流量耗油量及其最优调速比，给出最优转速—装置扬程曲线，可供泵站现场使用。在不同泵装置扬程情况下，柴油机泵站按机组最低单位流量耗油量进行调速优化运行，与在额定转速下运行和传统的以水泵效率最高和泵装置效率最高为目标的调速优化运行方案相比，可降低能耗3％～5％以上。全国柴油机泵站按装机800万kW，年均运行1000h，0.25L/kW·h的比油耗计算，应用本发明后，年可节省柴油6千万～1亿升，可有效节省能源，具有重大的社会经济效益。

附图说明

图1是某12in混流泵柴油机泵站各项效率与水泵流量的关系曲线。

图2是某12in混流泵柴油机泵站各项效率与泵装置扬程的关系曲线。

图3是某14in混流泵柴油机泵系统单位流量耗油量与调速比的关系曲线。

图4是两种机组柴油机泵站不同泵装置扬程时优化运行的最优转速曲线。

图5是以泵效率、泵装置效率最高为目标变速前、后水泵工作点关系曲线。

图6是495柴油机组在额定转速、泵效率最高时转速、泵装置效率最高时转速和本发明单位流量耗油量最低时转速等4种运行方式下的耗油比较曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

柴油机泵站机组基本情况：

495型柴油机配套14HBC-40型混流泵，额定转速980r/min，泵站装置扬程H_z＝6.5m，管道长度L＝14m，管路直径(内径)d＝350mm，管道上安装两只90°弯头。

A.泵站几种性能曲线计算

将管道内壁糙率n＝0.012，弯头局部阻力系数ζ_b＝0.6，进口局部阻力系数ζ_e＝0.5，管道内径d＝0.35m等参数代入式(1)计算得到泵装置管路阻力系数S＝15.00，则需要扬程曲线为：

H_r＝H_z+SQ²＝6.5+15.00Q²(11)

厂家给出的水泵流量～效率曲线方程中，系数a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃分别为－19578.7、837.99、－2.9739、－107.8505、16.7444、11.7509，则式(2)、(3)可表示成

η_p＝-1958.7Q²+837.99Q-2.9739(12)

H＝-107.8505Q²+16.7444Q+11.7509(13)

本实施例中，在水泵运行流量范围内分别选取流量0.0278、0.0556、0.0833、0.1111、0.1389、0.1667、0.1944、0.2222、0.25、0.2778、0.3056、0.3333m³/s，代入式(12)、(13)、(4)得到其对应的水泵效率为：13％、25％、36％、47％、60％、70％、77.5％、84％、85.1％、84.2％、77.8％、69％；管路效率为：99.90％、99.63％、99.16％、98.49％、97.57％、96.38％、94.75％、92.74％、89.92％、85.80％、79.70％、67.95％。

根据式(5)得到对应的泵装置效率为：12.99％、24.91％、35.70％、46.29％、58.54％、67.46％、73.43％、77.90％、76.52％、72.24％、62.01％、46.88％。用多项式拟合流量与泵装置效率之间的关系方程得到

η_z＝-5107.1Q³+991.8Q²+374.77Q+0.8774(14)

机组采用三角带传动，其传动效率η_t约为0.95，根据式(6)得泵站效率η_s为

η_s＝-2015.7Q³+45.022Q²+202.85Q+0.2229(15)

B.计算一定装置扬程下，机组的单位流量耗油量与调速比的关系。

本实施例中，例如：当装置扬程H_z＝6.5m、调速比i＝1.11(也即转速为1087.8r/min)时，将其代入式(10)，计算得到水泵流量为0.3396m³/s。根据式(14)计算得到装置效率为62.12％，考虑传动效率为95％，代入式(7)得柴油机输出功率为

$P=\frac{1.0\×9.8\×6.5\×0.3396}{62.12\%\×95\%}=36.6586\mathrm{kW}$

厂家给出的柴油机油耗率g_e与输出功率P关系式中的系数c₁、c₂、c₃、c₄为：0.0008、－0.0893、3.6774、－69.314、711.43，代入式(8)得

g_e＝0.0008×36.6586⁴－0.0893×36.6586³

+3.6774×36.6586²－69.314×36.6586+711.43

＝157.8588g/kW·h

则根据式(9)得单位流量耗油量为

$g_{e0}=\frac{157.8588\×36.6586}{0.3396\×3600}=4.7374g/m^3$

同理，通过编制程序计算求得不同装置扬程时，单位流量耗油量与变速比的关系，如图3所示。

C.找出图3不同装置扬程时单位流量耗油量与变速比的关系曲线的最小单位流量耗油量点，分别为(6.5m，0.3396m³/s，1087.8r/min)、(5.6m，0.3528m³/s，1087.8r/min)、(4.5m，0.2612m³/s，862.4r/min)。根据这些点，确定满足最小单位流量耗油量的最优转速(调速比)—泵装置扬程曲线，供泵站现场使用。

如图4所示。

D.在额定转速下运行和传统的以水泵效率最高和泵装置效率最高为目标的调速优化运行的单位流量耗油量计算。下面以装置扬程H_z为6.5m为例，结合图5进行计算分析。

(1)额定转速下单位流量耗油量的计算

根据管路性能特性和水泵性能确定运行的工况点。管路性能曲线Q～H_r，与水泵额定转速时的性能曲线Q～H相交，交点即为额定转速下的工况点，如图5中A、A′点水泵与泵装置工况点。本案例中额定转速工况点的流量为0.2846m³/s，扬程为7.71m，水泵效率为83.23％，柴油机输出功率为27.2019kW，单位流量耗油量为4.9816g/m³。

(2)基于水泵效率最高的单位流量耗油量的计算

在额定转速下，水泵最高效率在C点，效率η_P为85.12％，流量Q为0.258m³/s，扬程H为8.85m。根据比例律可求得最高效率相似工况抛物线方程为H＝132.955Q²。绘制水泵最高效率抛物线与管路性能曲线H_r＝H_z+SQ²＝6.5+15.00Q²交于D点，如图5所示。D点的流量可联立上述两方程求得。利用比例律公式n₂＝Q₂n₁/Q₁可由C点的转速n₁求得D点的转速n₂为891.8r/min，柴油机输出功率为20.7742kW，单位流量耗油量为5.0812g/m³。

(3)基于泵装置效率最高的单位流量耗油量的计算

以泵装置效率最高作为优化目标，泵装置最高效率在C′点，对应的装置效率η_z为77.44％，流量Q为0.232m³/s，扬程为9.81m。根据比例律求得最高效率相似工况抛物线方程为H＝182.261Q²，与需要扬程曲线H_r＝H_z+SQ²＝6.5+15.00Q²交于D′点，联立该二方程，可以求得D′点的流量。利用比例律n₂′＝Q₂′n₁′/Q₁′，可由C′点的转速n₁′求得D′点的转速n₂′为833r/min，柴油机输出功率为17.1118kW，单位流量耗油量为5.3705g/m³。

对495柴油机泵系统，泵装置扬程6.5m时，额定转速工况下柴油机单位流量耗油量为4.9816g/m³，输出功率27.2019kW；水泵效率最高工况下柴油机单位流量耗油量为5.0812g/m³，输出功率为20.7742kW；泵装置效率最高工况下柴油机单位流量耗油量为5.3705g/m³，输出功率为17.1118kW。用同样方法，可计算出其他装置扬程时不同优化目标的泵装置运行工况参数。四种不同优化目标的运行工况参数及耗油量比较如图6和表1。

表1495柴油机泵系统不同优化目标的运行工况参数及耗油比较

从图6和表1可以看出，与在额定转速下运行和传统的以水泵效率最高和泵装置效率最高为目标的调速优化运行方案相比，本发明可分别节省柴油3.39％～4.90％，5.78％～6.77％，11.79％～12.61％。

E.柴油机泵机组选型时，对几种可行的不同配套组合的柴油机泵机组，计算在所需要的相同装置扬程下，机组的单位流量耗油量，横向比较，并考虑机组价格等因素，确定合理、节能的机组配套方案。

在同样的情况下若选用295型柴油机配套12in混流泵，以单位流量耗油量最低为优化目标，其优化结果如表2。

表2295柴油机泵系统单位流量耗油量最小时运行工况参数

通过比较，295型柴油机的单位流量耗油量较495柴油机小6.08％～15.03％，在相同装置扬程下，12in水泵的效率比14in的高出5～10个百分点，而装置效率则要高出4～17个百分点。因此，为了节约柴油机耗油率，应选用295柴油机泵系统。泵站总流量可以通过调整机组运行台数来满足。

Claims (5)

1.一种基于单位流量耗油量最低的柴油机泵站调速优化运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A:计算柴油机泵站的泵装置需要扬程曲线、管道效率曲线、泵装置效率曲线和泵站效率曲线；

步骤B：计算一定泵装置扬程下，柴油机泵站机组的单位流量耗油量与调速比的关系，并绘制单位流量耗油量与调速比的关系曲线；

步骤C：在单位流量耗油量与调速比的关系曲线上找出单位流量耗油量最低的点及其对应的调速比，该调速比即为对应柴油机泵站机组最低单位流量耗油量的最优调速比，将最优调速比换算为最优转速，绘出最优转速与泵装置扬程的关系曲线；

步骤D：分别计算水泵在额定转速下运行时、水泵效率最高时及泵装置效率最高时柴油机泵站机组的单位流量耗油量与泵装置扬程的关系，并将在各种泵装置扬程下的这三种优化目标下柴油机泵站机组的单位流量耗油量与步骤C中所述单位流量耗油量与调速比的关系曲线上单位流量耗油量最低的点所对应的单位流量耗油量值进行比较。

步骤E：柴油机泵站泵系统选型时，首先初选多组流量、扬程满足要求的可行的柴油机泵系统方案，然后计算初选方案分别在多个实际的泵装置扬程下的单位流量耗油量，确定基于本发明调速优化运行方法的各方案机组最低单位流量耗油量，对初选多组可行方案横向比较，确定耗油量低、节能的柴油机组配套泵系统方案。

2.根据权利要求1所述的基于单位流量耗油量最低的柴油机泵站调速优化运行方法，其特征在于：水泵效率曲线η_p＝a₁Q²+a₂Q+a₃和水泵扬程H＝b₁Q²+b₂Q+b₃为水泵生产厂家给定，其中a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃为多项式拟合系数。

步骤A所述泵装置需要扬程曲线为

H_r＝H_z+SQ²，

其中S＝S_f+S_j， $S_f=\frac{10.29n^{2}L}{d^{16/3}},S_j=\frac{0.083\mathrm{\ζ}}{d^4},$

其中，S_f、S_j分别为水泵进出水管道的沿程水力损失阻力系数和局部水力损失阻力系数；n为管道粗糙率；L为管道长；d为管道内径；ζ为局部损失系数；Q为泵流量；H_r为泵装置需要扬程；H_z为泵装置扬程；

步骤A所述管道效率 ${\mathrm{\η}}_{pi}=\frac{H-{\mathrm{SQ}}^2}{H};$

步骤A所述泵装置效率为η_z＝η_pη_pi；

步骤A所述泵站效率为η_s＝η_pη_piη_tη_d，其中，η_t为传动效率，η_d为柴油机热效率。

3.根据权利要求2所述的基于单位流量耗油量最低的柴油机泵站调速优化运行方法，其特征在于：步骤B所述柴油机泵站机组的单位流量耗油量与调速比关系的求解过程如下：

(1)计算柴油机的输出功率其中，ρ为水的密度；g为重力加速度；Q为泵流量；H_z为泵装置扬程；

(2)计算柴油机的油耗率g_e＝c₁P⁴+c₂P³+c₃P²+c₄P+c₅，其中，c₁、c₂、c₃、c₄为系数；

(3)计算柴油机泵站机组的单位流量耗油量其中，Q为泵流量；

(4)计算调速后泵装置扬程

$\begin{array}{c}{H}_z=i^{2}H\left(\frac{Q}{i}\right)-{\mathrm{SQ}}^2\\ =i^2\left(b_1{\left(\frac{Q}{i}\right)}^2+b_2\left(\frac{Q}{i}\right)+b_3\right)-{\mathrm{SQ}}^2\\ =\left(b_1-S\right)Q^2+{\mathrm{ib}}_{2}Q+i^2{b}_3\end{array},$

其中，i为调速比，即调速后水泵的转速与额定转速的比值；Q为调速后的泵流量；为水泵在额定转速下的扬程性能曲线；

(5)计算柴油机泵站机组的单位流量耗油量与调速比的关系，过程如下：

H_z一定时，改变调速比i，运用步骤(4)中的公式求解对应的泵流量Q值，再代入步骤(3)中的公式求得单位流量耗油量g_e0，即得单位流量耗油量g_e0与调速比i的函数关系式。

4.根据权利要求1所述的基于单位流量耗油量最低的柴油机泵站调速优化运行方法，其特征在于：步骤B中所述泵装置扬程有多个，分别计算多个泵装置扬程下柴油机泵站机组的单位流量耗油量与调速比的关系并绘制单位流量耗油量与调速比的关系曲线。

5.根据权利要求1所述的基于单位流量耗油量最低的柴油机泵站调速优化运行方法，其特征在于：将步骤D中所述额定转速、水泵效率最高、泵装置效率最高和步骤C中所述单位流量耗油量最低四种优化目标下柴油机泵站的泵装置扬程、水泵转速、泵流量、柴油机输出功率、泵效率、泵装置效率、单位流量耗油量及节油率绘成表格进行比较。