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楼宇智能化技术

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楼宇智能化技术. 广东工业大学自动化学院. 第四章 楼宇基本设备及其控制特性. 第一节 供配电系统 第二节 照明系统 第三节 空调与冷热源系统 第四节 给排水系统. 第一节 供配电系统. 一、典型楼宇供配电系统 二、供配电系统监测 三、供电品质监测及改善 四、应急电源系统. 一、典型楼宇供配电系统. ⒈ 负荷分布及变压器的配置 变电所应尽量设在负荷中心,以便于配电,节省导线,也有利于施工。负荷中心实际上是一种最佳配电点,它需要按所要达到的优化目标及不同的计算条件而列出的目标函数来确定。

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楼宇智能化技术

广东工业大学自动化学院

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第四章 楼宇基本设备及其控制特性
  • 第一节 供配电系统
  • 第二节 照明系统
  • 第三节 空调与冷热源系统
  • 第四节 给排水系统
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第一节 供配电系统
  • 一、典型楼宇供配电系统
  • 二、供配电系统监测
  • 三、供电品质监测及改善
  • 四、应急电源系统
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一、典型楼宇供配电系统
  • ⒈负荷分布及变压器的配置
  • 变电所应尽量设在负荷中心,以便于配电,节省导线,也有利于施工。负荷中心实际上是一种最佳配电点,它需要按所要达到的优化目标及不同的计算条件而列出的目标函数来确定。
  • 就负荷的竖向分布来说,负荷大部分集中在下部,因此将变压器设置在建筑物的底部是有利的
  • 40层以上的高层建筑中,电梯设备较多,宜将变压器按上、下层配置或者按上、中、下层分别配置
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⒉供电系统的主结线
  • 电力的输送与分配,必须由母线、开关、配电线路、变压器等组成一定的供电电路,这个电路就是供电系统的一次结线,即主结线。智能化建筑由于功能上的需要,一般都采用双电源进线,即要求有两个独立电源,常用的供电方案如图
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⒊低压配电方式
  • 低压配电方式是指低压干线的配线方式, 低压配电的结线方式可分为放射式和树干式两大类,混合式即放射一树干的组合方式
  • a) 放射式配电系统 b)树干式配电系统 c)混合式配电系统
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二、供配电系统监测
  • 供配电系统监测有如下内容:
  • ①各自动开关、断路器状态监测;
  • ②三相电压、电流检测;
  • ③有功、无功功率及功率因数检测;
  • ④电网频率、谐波检测;
  • ⑤变压器温度检测及故障状态报警;
  • ⑥用电量(kwh)检测。
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⒈高、低压端电压及电流自动检测

对6~10kV高压线路的电压及电流测量方法如图4-5所示。

图4-5 高压线路的电压及电流测量方法

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⒉功率、功率因数的检测
  • 比较精确的测量功率方法是采用模拟乘法器构成的功率变送器,或者用数字化测量的方法(高速采样电压、电流数据,再对数字信号进行处理),直接测量功率数据。
  • 通过测量电压与电流的相差可测得功率因数,有了功率因数、电压、电流数值即可求得有功功率和无功功率。因此,可以先测量功率因数,然后间接得出功率数据,这是一种间接的测量功率的方法。
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三、供电品质监测及改善
  • 供电品质的指标通常是电压、频率和波形,其中尤以电压和频率最为重要。电压质量包括电压的偏移、电压的波动和电压的三相不平衡度等.
  • ⒈频率
  • ⒉电压偏移
  • ⒊电压波动及谐波
  • ⒋电压的不平衡度
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⒈频率
  • 在电气设备的铭牌上都标有额定频率。我国电力工业的标准频率为50Hz。由于频率直接影响电子设备的正常工作,因此对于频率的偏差要求很严格,国家规定电力系统对用户的供电频率偏差范围为0.5%。
  • 对电网频率的检测可在低压侧进行,在电网的频率偏差超过允许值时,监测系统应予报警,必要时应切断市电供电,改用备用电源或应急发电机供电。
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⒉电压偏移
  • 各种电气设备的铭牌都标有它的额定工作电压。但在实际运行中由于电力系统负荷的变化或用户本身负荷的变化等原因,往往使用电设备的端电压偏离额定值。电压低于额定值往往是发生在高峰负荷时长线路的末端,电压高于额定值往往是发生在低负荷时线路的始端。
  • 当电压过高或过低时,监测系统应予以报警,同时需要采取系统或局部的调压及保护措施。对电压偏移的改善一般要求在电网的高压侧采取措施,使电网的电压随负荷的增大而升高,反之负荷减少电压降低。对于重要的负荷,宜在受电或负荷端设置调压及稳压器。
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⒊电压波动及谐波
  • 由于三相电气设备的三相绕组不完全对称,带有铁芯线圈的励磁装置、特别是大型可控硅装置、电力电子设备的应用,在电力系统中产生了与50Hz基波成整数倍的高次谐波,于是电压的波形发生畸变成为非正弦波。有源电力滤波器(APF--Active Power Filter)是消除和抑制谐波的新型技术,从理论上说,APF可以完全消除谐波,同时也可完全补偿无功电流。
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⒋电压的不平衡度
  • 在低压系统中一般采用Y/Y0三相四线制,单相负荷接于相电压上。由于单相负荷在三相系统中不可能完全平衡,因而三个相电压不可能完全平衡。电压的不平衡度可以通过测量三个相电压及三个相电流的数据,再经相互比较其差值来检测。差值越大则不平衡度相大。当这个不平衡电压加于三相电动机时,由于相电压的不平衡使得电动机中的负序电流增加,因而增加了转子内的热损失。在设计中应尽量使单相负荷平衡地分配在三相中,对相电压不平衡敏感的负荷如电子计算机类设备应采用分开回路的措施。同时监测系统应予报警。
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⑴自备发电机组容量的选择

初步设计时自备发电机容量可以取变压器总装机容量的1O%~20%左右。

⑵自备发电机组的机组选择

1)启动装置;

2)外形尺寸

3)自启动方式

4)冷却方式

5)发电机宜选用无刷型自动励磁的方式

发电机组运行流程图

四、应急电源系统
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⑶供电系统设计

1)一路市电后备与一路自备电源

2)两路市电与自备电源

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第二节 照明系统
  • 一、楼宇照明设计
  • 二、楼宇照明设备
  • 三、 照明控制系统
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照明设计的一般步骤:

1)确定照明方式、照明种类、照度设计标准;

2)确定光源及灯具类型,并进行布置;

3)进行照度计算,并确定光源的安装功率;

4)确定照明的配电系统;

5)线路计算(包括负荷、电压损失计算,机械强度校验,功率因数补偿计算等);

6)确定导线型号、规格及敷设方式,并选择配电控制设备及其安装位置等;

7)绘制照明平面布置图,同时汇总安装容量,列出主要设备及材料清单等

一、楼宇照明设计
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⒈照度
  • 照度用来表示被照面上光的强弱,以被照场所光通的面积密度来表示。 照度的单位为勒克斯(lx),1勒克斯(lx)=1流明(lm)/1㎡。为了对照度有一个实际概念,下面举一些常见的照度数字。在40W白炽灯下l米处的照度约为30lx;加一搪瓷伞形罩后照度就增加到 73lx;阴天中午室外照度约为8000~20000lx;晴天中午在阳光下的室外照度可高达80000~120000lx。一般地说,照度为llx时,人眼仅能辨别物体的轮廓;照度为5~1Olx时,看一般书籍比较困难;阅览室和办公室的照度不应低于5Olx。
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⒉照明方式和种类
  • ⑴工作照明 正常工作时使用的室内、外照明。它一般可单独使用,也可与事故照明、值班照明同时使用,但控制线路必须分开。
  • ⑵事故照明 正常照明因故障熄灭后,供事故情况下继续工作或安全通行的照明。
  • ⑶值班照明 在非生产时间内供值班人员使用的照明。
  • ⑷警卫照明 用于警卫地区周边附近的照明。
  • ⑸障碍照明 装设在建筑物上作为障碍标志用的照明。
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⒊照明配电线路
  • 照明灯具的工作电压通常为220V,其配电线路采用380/220V三相四线制供电。线路一般采用放射式,由总配电盘经中央楼梯或两侧走廊处,采取干线立管的方式向各层分配电盘供电,如图4-10所示。各分配电盘引出的各支线对各房间的照明灯具供电。各层的分配电盘安装的位置应在同一垂直线上,便于干线立管的敷设。
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⒈常用照明光源

⑴白炽灯

⑵卤钨灯

⑶荧光灯(俗称日光灯)

⑷荧光高压汞灯(高压水银荧光灯)

⑸高压钠灯

⑹金属卤化物灯(金属卤素灯)

⑺管形氙灯(又称长弧氙灯)

⒉照明光源的光电参数特性

作照明用的光源,其主要性能指标是:光效、寿命、色温、显色指数、启动、再启动等。这些性能指标之间,有时是互相矛盾的。在实际选用时,一般应先考虑光效高、寿命长;其次才考虑显色指数、启动性能等。

二、楼宇照明设备
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三、 照明控制系统
  • ⒈跷板开关控制方式
  • ⒉断路器控制方式
  • ⒊定时控制方式
  • ⒋光电感应开关控制
  • ⒌智能控制方式
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⒈跷板开关控制方式
  • 以跷板开关控制一套或几套灯具的控制方式是采用得最多的控制方式,它可以配合设计者的要求随意布置,同一房间不同的出入口均需设置开关,单控开关用于在一处启闭照明。双控及多程开关用于楼梯及过道等场所,在上层下层或两端多处启闭照明。其接线图如图4-11所示。
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⒉断路器控制方式
  • 该方式是以断路器(空气开关、交流接触器等)控制一组灯具的控制方式。此方式控制简单,投资小,线路简单,但由于控制的灯具较多,造成大量灯具同时开关,在节能方面效果很差,又很难满足特定环境下的照明要求,因此在智能化建筑中应谨慎采用该方式,尽可能避免使用。
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⒊定时控制方式
  • 该方式就是以定时控制灯具的控制方式。该方式可利用BAS的接口,通过控制中心来实现,但该方式太机械,遇到天气变化或临时更改作息时间,就比较难以适应,一定要通过改变设定值才能实现,显得非常麻烦。
  • 还有一类延时开关,特别适合用在一些短暂使用照明或人们容易忘记关灯的场所,使照明点燃后经过预定的延时时间后自动熄灭。
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⒋光电感应开关控制
  • 光电感应开关通过测定工作面的照度与设定值比较,来控制照明开关,这样可以最大限度地利用自然光,达到更节能的目的。也可提供一个较不受季节与外部气候影响的相对稳定的视觉环境。特别适合一些采光条件好的场所,当检测的照度低于设定值的极限值时开灯,高于极限值时关灯。
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⒌智能控制方式
  • 将楼宇内的照明设备分为若干组别,通过时间区域程序设置菜单,来设定这些照明设备的启/闭程序。当楼宇内有事件发生时,需要照明各组做出相应的联动配合。
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第三节 空调与冷热源系统
  • 一、 空气的物理性质
  • 二、 空气调节原理
  • 三、 大气环境监测
  • 四、 局部式、集中式空调系统
  • 五、 中央空调
  • 六、 通风系统
  • 七、 集中供热、供冷系统
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⒈空气的成分

空气是由干空气和水蒸气组成的混合气体,称为湿空气, 另外含有不同程度的灰尘、微生物、及其他杂质 .

⒉空气的状态参数

⑴压力

1)大气压力p

2)水汽分压力pc

⑵温度t或T

⑶湿度

1)绝对湿度x x= pc /(Rc·T)

2)含湿量d

3)相对湿度ψ

⑷露点温度tl

一、 空气的物理性质
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⒊空气状态参数相互间的关系
  • 当空气的水汽分压力pc不变时,空气温度t愈低,相对湿度ψ就愈大; t愈高,ψ愈小。当空气的相对湿度ψ不变时,空气温度t愈低,水汽分压力pc就愈小;t愈高,pc愈大。当空气温度t不变,则水汽分压力pc愈大,相对湿度ψ愈大; pc愈小,则ψ亦小。
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二、 空气调节原理
  • 空气调节主要是指空气的温度、湿度调节。
  • 居住室温夏季保持在25~27℃,冬季保持在16~2O℃是比较适宜的。
  • 相对湿度冬季在40%~50%之间,夏季在50%~60%之间,人的感觉比较良好,假如温度适宜,相对湿度即便在40%~70%的范围内变化,人们也能基本适应。
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⒈调温调湿设备
  • 1)空气的加热设备
  • 2)空气的减湿冷却设备
  • 3)空气的加湿设备
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⒉空气状态调节
  • 空气调节的原理就是

应用空气状态参数相

互间的关系,通过合

理的加热、加湿、冷

却、去湿步骤,使空

气的状态发生人为的

改变,达到设定状态.

如图所示为空气从状

态A调节到状态B的状

态变化过程.

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三、 大气环境监测
  • 大气监测的目的是对空气中的有害气体、灰尘、烟雾、微生物等进行监测,再进行处理,从而达到有关标准。大气监测项目有:
  • 1)烟尘、SO2、CO、NOx、臭氧等;
  • 2)有毒气体和放射性元素;
  • 3)光化学烟雾、太阳辐射、能见率等;
  • 4)气象因素:风向、风速、气温、气压、雨量、相对湿度等。
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一般空调系统包括以下几部分:

⑴进风部分

⑵空气过滤部分

⑶空气的热湿处理部分

⑷空气的输送和分配部分

⑸冷热源部分

四、 局部式、集中式空调系统
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局部式、集中式空调
  • 按照空气处理设备的设置情况,空调系统可分为集中系统、半集中系统和全分散系统。
  • 集中系统的所有空气处理设备(包括风机、冷却器、加热器、加湿器、过滤器等)都设在一个集中的空调机房内(见图4-19)。其特点是,经集中设备处理后的空气,用风道分送到各空调房间,因而,系统便于集中管理、维护。此外,某些空气处理的质量,如温、湿度精度,洁净度等也可以达到较高的水平。
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在半集中空调系统中,除了集中空调机房外,还设有分散在被调节房间的二次设备(又称未端装置)。变风量系统、诱导器系统以及风机盘管系统均属于半集中空调系统。
  • 全分散系统也称局部空调机组。这种机组通常把冷、热源和空气处理、输送设备(风机)集中设置在一个箱体内,形成一个紧凑的空调系统。可以直接将此机组放在要求空调的房间内进行空调,也可以放在相邻的房间用很短的风道与该房间相连。一般说来,这类系统可以满足不同房间的不同送风要求,使用灵活,移动方便,但装置的总功率较大。
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五、 中央空调
  • 在智能化建筑中,一般采用集中式空调系统,通常称之为中央空调系统。
  • 中央空调系统的原理图
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中央空调的空气热湿处理系统如图所示,系统主要由风门驱动器、风管式温度传感器、湿度传感器、压差报警开关、二通电动调节阀、压力传感器以及现场控制器等组成。

1)将回风管内的温度与系统设定的值进行比较,用PID(比例积分、微分)方式调节,冷水/热水电动阀开度,调节冷冻水或热水的流量,使回风温度保持在设定的范围之内。

  • 2)对回风管,新风管的温度与湿度进行检测,计算新风与回风的焓值,按回风和新风的焓值比例,控制回风门和新风门的开启比例,从而达到节能效果。
  • 3)检测送风管内的湿度值与系统设定的值进行比较,用PI(比例积分)调节,控制湿度电动调节阀,从而使送风湿度保持在所需要的范围之内。
  • 4)测量送风管内接近尾端的送风压力,调节送风机的送风量,以确保送风管内有足够的风压。
  • 5)其他方面:风机启动/停止的控制、风机运行状态的检测及故障报警、过滤网堵塞报警等。
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六、 通风系统
  • ⒈局部通风
  • ⒉全面通风
  • ⒊通风系统的设计原则
  • ⒋通风控制
  • ⒌ 风机的节能运行
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⒊通风系统的设计原则
  • 1)散发热、湿、或有害物的房间及一般的地下室均考虑 进行通风换气。
  • 2)在供暖地区设计通风换气时,应作空气平衡及热平衡计算,并采取相应地补风及加热措施,以保证通风运行的效果。
  • 3)在民用建筑的下列房间,应设置自然通风和机械通风进行全面换气:如办公室、居室、厨房、厕所、盥洗室、浴室。
  • 4)送风系统室外进风的采气口位置,应设置在室外空气较为清洁的地点,远离排风口的上风侧,而且低于排风口。
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⒋通风控制
  • ⑴风机控制
  • ⑵过滤器报警
  • ⑶风机故障报警
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风机控制

风机启停

AI DI AO DO

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风机的变风量运行:
  • 1)改变风机风量,可通过改变风机转速的方法,一般采用变频调速技术。
  • 2)在离心风机入口设置可调导向叶片,通过调节叶片的开启度来调节风量。此外,通过风机出口方向管道的压力信号控制导向叶片的开启度。
  • 3)采用叶片角可变的轴流风机,叶片角的改变可改变风机风量。
  • 4)通过多台风机的并联运行控制来调节风量,这是一种有级差的调节方法。
  • 在选择风机时,风量、风压裕量不应过大,并且应进行运行工况的分析,确定经济合理的台数,使调节简单,全年运行费用低廉,以达到节约能源的目的。
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七、 集中供热、供冷系统
  • 燃气发动机驱动热泵系统(Gas Engineer Heat Pump, GEHP)
  • 燃气发动机直接驱动热泵的压缩机,热泵冷凝器的冷凝热作为热源供采暖或供热水,蒸发器则作为冷源为建筑物供冷或制冰。
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第四节 给排水系统
  • 一、 恒压供水系统
  • 二、 排水系统
  • 三、 水泵的节能运行
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一、 恒压供水系统
  • ⒈重力给水系统
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楼 顶 水 箱

市政管网

动力柜

污水泵

AI DI AO DO

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⒉压力给水系统
  • ⑴并联气压给水系统
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水泵直接供水,最简便方法可以采用调速水泵供水系统,即根据水泵的出水量与转速成正比关系的特性,调整水泵的转速而满足用水量的变化,同时也可节省动力。水泵调速可有下列几种方法:
  • 1)采用水泵电机可调速的联轴器(力矩耦合器) 电动机的转速不可调,在用水量变化时,通过调节可调速的水泵电机的联轴器,以此改变水泵的转速以达到调节水量的目的,联轴器类似汽车的变速箱。
  • 2)采用调速电机(变频调速系统) 由用水量的变化而控制电机的转速,从而使水泵的水量得到调节。
  • 3)自动控制水泵叶片角度的水泵,即随着水量的变化控制叶片角度的改变来调节水泵的出水量,以满足用水量的需要。
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二、 排水系统
  • 排水监控系统通常由水位开关,直接数字控制器等组成。
  • 排水监控系统的监控功能有:
  • 1)污水集水井和废水集水井水位监测及超限报警。
  • 2)根据污水集水井与废水集水井的水位,控制排水泵的启/停。当集水井的水位达到高限时,联锁启动相应的水泵;当水位达到高高限时,联锁启动相应的备用泵,直到水位降至低限时联锁停泵。
  • 3)排水泵运行状态的检测以及发生故障时报警。
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泵的通用性能曲线如图所示,从图中可知,当泵的转速一定时(如为n4),泵的扬程H在流量小的区域内是随着流量的增加而增加的,但超过一定的区域后,会随着流量的增加而急剧下降。泵的效率变化是呈马蹄形,先是随着流量的增加增加,到达最高点之后又会下降。当泵的转速改变时,泵的扬程随转速的增减而增减。

围绕高效率区呈现一个近似斜方形的面积,表示泵在某些转速下可以以较高的效率运行,如图中所示n3~n6,流量在Q1附近的区域即为高效运行区。

三、 水泵的节能运行
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改变工况点的办法有三种:
  • 1)泵的性能曲线不变
  • 2)管路特性曲线不变
  • 3)泵的性能曲线与管路特性曲线同时改变 即泵的调速和管路上的闸阀调节同时进行。
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