CN111287253A - 给水系统优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种给水系统优化方法，包括以下步骤：在水泵的出口总管安装压力表；计算压力表到给水点之间的阻力系数K；根据给水系统的需求水量Q计算出取水处的水面到压力表的表前水力损失hf’；根据给水系统的需求水量Q和取水处的水面到压力表的表前水力损失hf’计算出水泵的扬程H；根据计算得到的阻力系数K和需求水量Q下水泵需要的扬程H扬程重新设计水泵。本发明所提供的给水系统优化方法根据现有的给水系统在不同工况下工作时测量的数据计算得到压力表到给水点之间的阻力系数K和水泵的扬程H扬程，并根据计算得到的参数重新设计更加符合当前给水系统的水泵，能够节省给水系统的能耗。

Description

给水系统优化方法
技术领域
本发明涉及一种给水系统优化方法。
背景技术
给水系统作为重要的水输送系统，应用于居民自来水供应、工业园区取水、钢铁石化热电等大型企业用水等民生及生产各个领域，当前基本处于粗放式运行，能源浪费现象非常严重。给水系统普遍距离长、沿途管路多随地势而有起伏、管路复杂，无法准确计算管路阻力损失情况，从而不能选择与系统相匹配的高效节能设备，导致目前能耗高浪费严重的情况。
发明内容
本发明提供了一种给水系统优化方法，采用如下的技术方案：
一种给水系统优化方法，包括以下步骤；
在水泵的出口总管安装压力表；
计算压力表到给水点之间的阻力系数K；
根据给水系统的需求水量Q计算出取水处的水面到压力表的表前水力损失hf’；
根据给水系统的需求水量Q和取水处的水面到压力表的表前水力损失hf’计算出水泵的扬程H扬程；
根据计算得到的阻力系数K和需求水量Q下水泵需要的扬程H扬程重新设计水泵。
进一步地，计算压力表到给水点之间的阻力系数K的具体方法为：
在水泵以第一工况条件下运行时，测得压力表的第一压力值P总管1、系统运行的第一水量Q1和出口总管的第一水流流速v1，在水泵以不同于第一工况的第二工况条件下运行时，测得压力表的第二压力值P总管2、系统运行的第二水量Q2和出口总管的第二水流流速v2，根据压力表点的机械能等于压力表之后的水力损失和其高度差之和的原理得到下述两个方程式，
Figure BDA0002395771310000011
Figure BDA0002395771310000012
式中，hf1为第一工况下的第一水力损失，hf2为第二工况下的第二水力损失，h为高度差，ρ为水的密度，g为重力常数；
水力损失和流量的关系满足下述方程式，
Figure BDA0002395771310000021
根据以上三个方程式求得第一水力损失hf1、第二水力损失hf2和高度差h；
根据求得的第一水力损失hf1或第二水力损失hf2计算得到阻力系数K。
进一步地，根据求得的第一水力损失hf1或第二水力损失hf2计算得到阻力系数K的具体方法是：
水力损失、阻力系数以及水量满足下述公式，
hf＝KQ2，
将第一水力损失hf1和第一水量Q1或第二水力损失hf2和第二水量Q2代入上述公式求得阻力系数K。
进一步地，测得系统运行的水量和压力表后的出口总管的水流速度的方法为：
获取水泵的出口总管的水流速度；
测量水泵的出口总管的内径；
根据水泵的出口总管的水流速度和内径计算系统运行的水量。
进一步地，根据给水系统的需求水量Q计算出取水处的水面到压力表的表前水力损失hf’的具体方法是：
获取取水处的水面到压力表之间的管件参数；
根据范宁公式和管件参数求得取水处的水面到压力表的沿程阻力和局部阻力；
表前水力损失hf’为沿程阻力和局部阻力之和。
进一步地，根据计算得到的阻力系数K和需求水量Q下水泵需要的扬程H扬程重新设计水泵的具体方法为：
获取取水处的水面到泵房基准平面的高度Z水池和压力表到泵房基准平面的高度Z总管；
根据伯努利方程，
Figure BDA0002395771310000022
求得扬程H扬程，式中P大气压为相对大气压，v水池为取水处的水面相对流速。
进一步地，在计算压力表到给水点之间的阻力系数K之后，
给水系统优化方法还包括：
验证计算得到的阻力系数K。
进一步地，验证计算得到的阻力系数K的具体方法为：
在水泵以不同于第一工况和第二工况的第三工况条件下运行时，测得此时压力表的第三压力值P总管3、系统运行的第三水量Q3和压力表后的出口总管的第三水流流速v3，
将上述参数代入下述公式，
Figure BDA0002395771310000031
验证公式是否成立。
本发明的有益之处在于所提供的给水系统优化方法根据现有的给水系统在不同工况下工作时测量的数据计算得到压力表到给水点之间的阻力系数K和水泵的扬程H扬程，并根据计算得到的参数重新设计更加符合当前给水系统的水泵，能够节省给水系统的能耗。
附图说明
图1是本发明的给水系统优化方法的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
如图1所示，为本发明的一种给水系统优化方法，包括以下步骤。
S1：在水泵的出口总管安装压力表。
S2：计算压力表到给水点之间的阻力系数K。
S3：根据给水系统的需求水量Q计算出取水处的水面到压力表的表前水力损失hf’。
S4：根据给水系统的需求水量Q和取水处的水面到压力表的表前水力损失hf’计算出水泵的扬程H扬程。
S5：根据计算得到的阻力系数K和需求水量Q下水泵需要的扬程H扬程重新设计水泵。
根据本发明的给水系统优化方法，将现有的给水系统在不同的流量的工况下进行工作，并获取相关参数，并根据这些参数计算出压力表到给水点之间的阻力系数K以及水泵需要的扬程H扬程重新设计更加符合当前给水系统的水泵。以下具体介绍上述步骤。
对于步骤S1：在水泵的出口总管安装压力表。
首先将压力表安装在水泵的出口总管，用于检测水泵出口总管的压力值。
对于步骤S2：计算压力表到给水点之间的阻力系数K。
对于压力表到给水点之间的管路的距离长、沿途管路多随地势而有起伏、管路复杂，无法准确计算管路阻力损失情况，从而不能选择与系统相匹配的高效节能设备，因此需要计算压力表到给水点之间的阻力系数K。
具体而言，计算压力表到给水点之间的阻力系数K的具体方法为：
在水泵以第一工况条件下运行时，测得压力表的第一压力值P总管1、系统运行的第一水量Q1和出口总管的第一水流流速v1，在水泵以不同于第一工况的第二工况条件下运行时，测得压力表的第二压力值P总管2、系统运行的第二水量Q2和出口总管的第二水流流速v2。其中，压力值通过压力表直接读取，水量和水流速度的获取可以通过以下步骤得到：获取水泵的出口总管的水流速度。测量水泵的出口总管的内径。根据水泵的出口总管的水流速度和其内径计算系统运行的水量。一般，给水系统在出口总管处安装有流量计，可以通过流量计直接读取水泵的出口总管的水流速度。对于没有安装流量计或流量计的读数明显不准确的给水系统，可以通过便携式的超声波流量计来检测出口总管的水流速度。
在一些给水系统中，参数水量可以直接从系统中读取出来，此时，在测量了出口总管的内径后，亦可以通过流量算出水流速度。
根据压力表点的机械能等于压力表之后的水力损失和其高度差之和的原理得到下述两个方程式，
Figure BDA0002395771310000041
Figure BDA0002395771310000042
式中，hf1为第一工况下的第一水力损失，hf2为第二工况下的第二水力损失，h为高度差，ρ为水的密度，g为重力常数。
水力损失和流量的关系满足下述方程式，
Figure BDA0002395771310000043
根据以上三个方程式求得第一水力损失hf1、第二水力损失hf2和高度差h。
根据求得的第一水力损失hf1或第二水力损失hf2计算得到阻力系数K。
根据范宁公式可知，沿程阻力的公式为：
Figure BDA0002395771310000044
局部阻力公式为：
Figure BDA0002395771310000045
则总阻力公式为：
Figure BDA0002395771310000051
又因为
Figure BDA0002395771310000052
则上式可变为：
hf总阻力＝KQ2 (7)
即得出水力损失、阻力系数以及水量满足下述公式，
hf＝KQ2 (8)
将第一水力损失hf1和第一水量Q1或第二水力损失hf2和第二水量Q2代入上述公式求得阻力系数K，将第一水力损失hf1和第一水量Q1代入上述公式所求得的阻力系数K与第二水力损失hf2和第二水量Q2代入上述公式求得的阻力系数K基本相等。
对于步骤S3：根据给水系统的需求水量Q计算出取水处的水面到压力表的表前水力损失
’
hf。
具体而言，首先获取取水处的水面到压力表之间的管件参数。管件参数包括阀门、弯头及管径和管长等数据。
根据范宁公式和所述管件参数求得取水处的水面到压力表的沿程阻力和局部阻力。
上述的公式(4)和公式(5)，结合管件参数可以计算出取水处的水面到压力表之间的沿程阻力和局部阻力，表前水力损失hf’为沿程阻力和局部阻力之和。
对于步骤S4：根据给水系统的需求水量Q和取水处的水面到压力表的表前水力损失hf’计算出水泵的扬程H扬程。
根据计算得到的阻力系数K和需求水量Q下水泵需要的扬程H扬程重新设计水泵的具体方法为：
获取取水处的水面到泵房基准平面的高度Z水池和压力表到泵房基准平面的高度Z总管。
根据伯努利方程，
Figure BDA0002395771310000053
求得扬程H扬程。式中，P大气压为相对大气压，为0，v水池为取水处的水面相对流速，为0。
对于步骤S5：根据计算得到的阻力系数K和需求水量Q下水泵需要的扬程H扬程重新设计水泵。
在计算出了阻力系数K和需求水量Q下水泵需要的扬程H扬程后，已知了阻力系数K和扬程H扬程，根据计算出的数据设计一款针对这个给水系统的水泵，该水泵的能耗更低。
作为一种优选的实施方式，在步骤S2之后，给水系统优化方法还包括步骤：验证计算得到的阻力系数K。
验证计算得到的阻力系数K的具体方法为：
在水泵以不同于第一工况和第二工况的第三工况条件下运行时，测得此时压力表的第三压力值P总管3、系统运行的第三水量Q3和压力表后的出口总管的第三水流流速v3，
将上述参数代入下述公式，
Figure BDA0002395771310000061
验证公式是否成立，此处，验证公式是否成立的标准无需等式两边完全相等，只需等式两边基本相同，则认为阻力系数K为准确的。
以下以具体的给水系统举例说明。该给水系统其配置3台水泵400S-59(每台水泵的参数为供水能力1200m3/h,扬程65m，转速1450r/min，功率315Kw)，系统设计双泵运行时供水能力为1600m3/h，出口总管管径为DN700，另一台作为备用泵，实际双泵运行时其供水能力不足1500m3/h。该给水系统是一输送江水至工业园区工业用水的系统，取水口至工厂大约15公里远，管路为地下铺设，路途远高低起伏不定，管路情况复杂。
采集给水系统的数据：当前运行工况开1台水泵，流量计显示1190m3/h，出口总管压力表的压力为0.66Mpa。
根据方程式(1)，以及
Figure BDA0002395771310000062
得到，
Figure BDA0002395771310000063
调整出口蝶阀角度，测该给水系统的水量为1030m3/h，测得出口总管压力表的压力为0.6MPa。根据方程式(2)以及
Figure BDA0002395771310000064
得到，
Figure BDA0002395771310000065
根据方程式(3)，得到，
Figure BDA0002395771310000071
计算得hf1＝24.423m，hf2＝18.297m，h＝42.893m。
hf1＝24.423m＝K×11902，hf2＝18.297m＝K×10302，
Figure BDA0002395771310000072
即，
Figure BDA0002395771310000073
系统设计的双泵运行时需要水量为1600m3/h，出口总管压力表高距泵房基准平面高-9.2m，江面距泵房基准面高度-3.5m，水泵进口管径为DN600，水泵进口管长10m，水泵进口管上有一个蝶阀和一90°弯头。水泵出口管径为DN600，水泵出口管长10m，水泵进口管上有一个蝶阀和一个旋启式止回阀，然后是三通，出口总管管径为DN700，三通到总管压力表段长20m，总管段有一90度弯头，水泵进口蝶阀和水泵出口蝶阀均为全开。
根据分步阻力计算出江面到总管压力表处的沿程阻力和局部阻力之和为0.3m，根据公式(9)，得到，
Figure BDA0002395771310000074
得到，
Figure BDA0002395771310000075
针对该需求，调整后的量身定制的水泵为双泵，单台水泵流量800m3/h，水泵扬程82m，为该工况量身定制出的一款高效节能泵。
技改前后用水量和能耗对比：系统技改前，双泵运行，进出口阀门全开，总流量最大达1480m3/h，不足1600m3/h，不能达到供水要求，两台水泵的实际运行电流分别为450A和455A，电压为380，三相电流的功率因数为0.87，则技改前运行功率为：
Figure BDA0002395771310000076
Figure BDA0002395771310000077
技改前合计运行功率为519Kw。
通过本发明的方法进行技改后，双泵运行，进出口阀门全开，总流量达到供水要求，总流量为1600m3/h，技改后的两台水泵的实际运行电流分别为400A和395A，电压为380V，三相电流的功率因数为0.87，则技改前运行功率为：
Figure BDA0002395771310000081
Figure BDA0002395771310000082
技改后合计运行功率为455Kw，每小时节电量＝519-455＝64Kw，同时每小时增加供水量＝1600-1480＝120m3/h，经过本发明的方法重新设计的高效水泵相对现有的系统具有较大的改进。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种给水系统优化方法，其特征在于，包括以下步骤；
在水泵的出口总管安装压力表；
计算所述压力表到给水点之间的阻力系数K；
根据给水系统的需求水量Q计算出取水处的水面到所述压力表的表前水力损失hf’；
根据给水系统的需求水量Q和取水处的水面到所述压力表的表前水力损失hf’计算出水泵的扬程H扬程；
根据计算得到的阻力系数K和所述需求水量Q下水泵需要的扬程H扬程重新设计水泵。
2.根据权利要求1所述的给水系统优化方法，其特征在于，
计算所述压力表到给水点之间的阻力系数K的具体方法为：
在水泵以第一工况条件下运行时，测得所述压力表的第一压力值P总管1、系统运行的第一水量Q1和出口总管的第一水流流速v1，在水泵以不同于第一工况的第二工况条件下运行时，测得所述压力表的第二压力值P总管2、系统运行的第二水量Q2和出口总管的第二水流流速v2，根据所述压力表点的机械能等于所述压力表之后的水力损失和其高度差之和的原理得到下述两个方程式，
Figure FDA0002395771300000011
Figure FDA0002395771300000012
式中，hf1为第一工况下的第一水力损失，hf2为第二工况下的第二水力损失，h为高度差，ρ为水的密度，g为重力常数；
水力损失和流量的关系满足下述方程式，
Figure FDA0002395771300000013
根据以上三个方程式求得所述第一水力损失hf1、所述第二水力损失hf2和所述高度差h；
根据求得的所述第一水力损失hf1或所述第二水力损失hf2计算得到所述阻力系数K。
3.根据权利要求2所述的给水系统优化方法，其特征在于，
所述根据求得的所述第一水力损失hf1或所述第二水力损失hf2计算得到所述阻力系数K的具体方法是：
水力损失、阻力系数以及水量满足下述公式，
hf＝KQ2，
将所述第一水力损失hf1和所述第一水量Q1或所述第二水力损失hf2和所述第二水量Q2代入上述公式求得所述阻力系数K。
4.根据权利要求2所述的给水系统优化方法，其特征在于，
测得系统运行的水量和所述压力表后的出口总管的水流速度的方法为：
获取水泵的出口总管的水流速度；
测量水泵的出口总管的内径；
根据水泵的出口总管的水流速度和所述内径计算系统运行的水量。
5.根据权利要求3所述的给水系统优化方法，其特征在于，
所述根据给水系统的需求水量Q计算出取水处的水面到所述压力表的表前水力损失hf’的具体方法是：
获取取水处的水面到压力表之间的管件参数；
根据范宁公式和所述管件参数求得取水处的水面到压力表的沿程阻力和局部阻力；
所述表前水力损失hf’为所述沿程阻力和所述局部阻力之和。
6.根据权利要求5所述的给水系统优化方法，其特征在于，
所述根据给水系统的需求水量Q和取水处的水面到所述压力表的表前水力损失hf’计算出水泵的扬程H扬程的具体方法为：
获取取水处的水面到泵房基准平面的高度Z水池和压力表到泵房基准平面的高度Z总管；
根据伯努利方程，
Figure FDA0002395771300000021
求得所述扬程H扬程，式中P大气压为相对大气压，v水池为取水处的水面的相对流速。
7.根据权利要求1所述的给水系统优化方法，其特征在于，
在所述计算所述压力表到给水点之间的阻力系数K之后，
所述给水系统优化方法还包括：
验证计算得到的所述阻力系数K。
8.根据权利要求7所述的给水系统优化方法，其特征在于，
所述验证计算得到的所述阻力系数K的具体方法为：
在水泵以不同于第一工况和第二工况的第三工况条件下运行时，测得此时所述压力表的第三压力值P总管3、系统运行的第三水量Q3和所述压力表后的出口总管的第三水流流速v3，
将上述参数代入下述公式，
Figure FDA0002395771300000022
验证公式是否成立。
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