萬(wàn)軼迅

(重慶水務(wù)集團(tuán)股份有限公司，重慶 400015)

1.引言

我集團(tuán)所屬某水廠設(shè)計(jì)日供水量20萬(wàn)噸，采用法國(guó)V型濾池過(guò)濾工藝，反沖洗系統(tǒng)采用氣水反沖洗技術(shù)，采用電腦自動(dòng)控制全過(guò)程。

氣水反沖洗濾池，共二組，每組濾池設(shè)計(jì)規(guī)模10萬(wàn)m3/d。每組濾池分為5格，單池43.98 28.65m，構(gòu)筑物高4.1m，總高9.2米濾池采用均粒石英砂濾料過(guò)濾，濾料粒徑為0.8~1.0mm，濾床厚度為1.2m，過(guò)濾速度8.2m/h，強(qiáng)制濾速10.5m/h。

濾池反沖洗采用三階段氣水反沖洗方式，采用長(zhǎng)柄濾頭布水。設(shè)計(jì)氣水聯(lián)合沖洗時(shí)水沖強(qiáng)度3.6L/m2.s，單獨(dú)水沖洗強(qiáng)度7L/m2.s，氣沖洗強(qiáng)度15L/m2.s。反沖洗水泵采用三臺(tái)（二用一備）蝸殼水泵，型號(hào)EBARA 400SZPM，單臺(tái)Q＝1360m3/h，H＝9.8m，n=740，效率 87%；配套 8級(jí)湘潭電機(jī)，55kW，n=740，效率92%，二用一備。

在該水廠生產(chǎn)運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)反沖時(shí)造成了濾池跑沙嚴(yán)重，由于在建調(diào)試期間的跑沙和后續(xù)的運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)沙層厚度已經(jīng)低于1米（設(shè)計(jì)值1.2米），甚至最低達(dá)到了0.8米以下。在2010年濾池濾料采取了補(bǔ)沙400噸基本達(dá)到濾料的設(shè)計(jì)厚度，因此展開(kāi)對(duì)濾池進(jìn)行了全面研究和技術(shù)創(chuàng)新。

2.濾池初始參數(shù)測(cè)定

為對(duì)比技術(shù)創(chuàng)新前后的參數(shù)和經(jīng)濟(jì)效益分析，該水廠在2011年8月對(duì)濾池的各項(xiàng)主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。根據(jù)該水廠濾池的運(yùn)行工況，選取比較有代表性的四口濾池作為本次測(cè)試對(duì)象，并對(duì)能測(cè)試和反映濾池工況的主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，包括運(yùn)行時(shí)間、負(fù)荷率、反沖周期、阻塞值、濾后水濁度、反沖三個(gè)階段的時(shí)間參數(shù)(氣沖、氣水混合和水沖)、氣水混合沖階段水沖強(qiáng)度、水沖階段強(qiáng)度、含泥量、濾料高度和跑沙量等(表1)。

通過(guò)對(duì)表1中濾池的參數(shù)分析，對(duì)各濾池的運(yùn)行狀況進(jìn)行了前期測(cè)評(píng)，得出如下測(cè)評(píng)結(jié)果：

(1)反沖過(guò)程跑沙嚴(yán)重

由于濾池必須靠有效的反沖洗來(lái)維持濾池的正常及可靠運(yùn)行，所以要求反沖洗強(qiáng)度必須適當(dāng)。太弱達(dá)不到?jīng)_洗要求，影響過(guò)濾效果；太強(qiáng)則會(huì)造成跑沙，甚至對(duì)濾池結(jié)構(gòu)造成破壞。在實(shí)際運(yùn)行中，由于受到設(shè)備選型等因數(shù)的影響，很難達(dá)到反沖強(qiáng)度最佳狀態(tài)。為保證反沖效果，設(shè)計(jì)往往選型預(yù)留量20%以上，造成過(guò)強(qiáng)沖洗。

該水廠濾池在氣水混合沖時(shí)啟動(dòng)一臺(tái)水泵，水沖時(shí)啟動(dòng)二臺(tái)水泵，在水沖過(guò)程中就存在反沖水量較大，反沖強(qiáng)度太強(qiáng)，以至于跑沙嚴(yán)重，最高的濾池A5單次達(dá)到了3.68噸（包含測(cè)量誤差）。

從測(cè)試數(shù)據(jù)中可以看出，濾池在氣水混合沖階段反沖設(shè)計(jì)強(qiáng)度為3.6L/m2.s，實(shí)際平均強(qiáng)度為5.26 L/m2.s，超過(guò)了設(shè)計(jì)量的46.1%。在水沖階段，反沖設(shè)計(jì)強(qiáng)度為7 L/m2.s，實(shí)際平均強(qiáng)度為9.60 L/m2.s，超過(guò)了設(shè)計(jì)值的37.1%。這也造成該水廠水廠濾池跑沙嚴(yán)重。

(2)反沖水電消耗增加

實(shí)際反沖強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)反沖強(qiáng)度，每口濾池反沖的強(qiáng)度過(guò)大，造成了反沖過(guò)程多余的水耗，也消耗了多余的電能。

3.創(chuàng)新措施的選取

通過(guò)測(cè)試，找到反沖水強(qiáng)度過(guò)大的癥結(jié)后，對(duì)調(diào)節(jié)反沖洗強(qiáng)度進(jìn)行了全面分析和探索，選取了適合本次技術(shù)創(chuàng)新的措施。

3.1 水泵流量調(diào)節(jié)的原理和方法

通過(guò)調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速能很方便地實(shí)現(xiàn)改變泵的流量、揚(yáng)程，從而達(dá)到滿(mǎn)足減小水量的要求。要改變轉(zhuǎn)速，采取的措施三個(gè)方面：

(1)改變轉(zhuǎn)差率，電機(jī)生產(chǎn)后，改變轉(zhuǎn)差率實(shí)施起來(lái)很困難；

(2)改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)，不能實(shí)現(xiàn)需要的無(wú)極調(diào)速；

(3)改變定子供電頻率，也就是變頻調(diào)速。

改變定子供電頻率是指通過(guò)改變異步電動(dòng)機(jī)定子端輸入電源的頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到改變水泵轉(zhuǎn)速的目的，也成為變頻調(diào)速，它能實(shí)現(xiàn)在相同揚(yáng)程下流量的無(wú)極調(diào)節(jié)。根據(jù)交流異步電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速公式n=60f(1-s)/p，在轉(zhuǎn)差率不變時(shí)調(diào)節(jié)頻率就可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。一旦泵的配套電動(dòng)機(jī)選定，如不進(jìn)行特殊的處理，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將與供電頻率成正比，即電源的頻率越高，轉(zhuǎn)速就越快；反之，轉(zhuǎn)速越低。改變泵的轉(zhuǎn)速，即能實(shí)現(xiàn)泵流量、揚(yáng)程滿(mǎn)足供水要求。

3.2 選取變頻調(diào)節(jié)創(chuàng)新方式的優(yōu)點(diǎn)

機(jī)泵變頻的基本原理如圖1所示。對(duì)于不調(diào)速運(yùn)行的水泵，其工作點(diǎn)只能在n=n0對(duì)應(yīng)的一條曲線(xiàn)上移動(dòng)。當(dāng)用戶(hù)所需流量從qv.0減小為qv.2時(shí)，閥門(mén)控制法只能通過(guò)關(guān)小閥門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于閥門(mén)摩擦阻力變大，管阻特性曲線(xiàn)從曲線(xiàn)1變到曲線(xiàn)2，而揚(yáng)程特性仍為n=n0時(shí)的曲線(xiàn)，因此供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到A2點(diǎn)，這時(shí)流量減小，揚(yáng)程卻增加了A2B2段的揚(yáng)程。

變頻通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，可使管網(wǎng)的某一參數(shù)點(diǎn)的水壓始終保持恒定。例如：當(dāng)計(jì)算點(diǎn)取在泵出口，且流量分別為 qv.0、qv.1、qv.2時(shí)，將泵轉(zhuǎn)速分別調(diào)在 n0、n1、n2，則泵出水口的壓力保持恒定（工作點(diǎn)分別為A、B1、B2)。如果計(jì)算點(diǎn)遠(yuǎn)離泵出水口，當(dāng)流量分別為qv.0、qv.1、qv.2時(shí)，泵轉(zhuǎn)速應(yīng)分別調(diào)在 n0、n1、n2（工作點(diǎn)分別為 A、C1、C2）。這樣考慮管網(wǎng)損失后，計(jì)算點(diǎn)上的水壓基本是恒定的。可見(jiàn)，當(dāng)計(jì)算點(diǎn)遠(yuǎn)離泵出水口時(shí)，為了保證計(jì)算點(diǎn)的水壓恒定，泵的出口水壓將變動(dòng)，這種供水方式稱(chēng)為“變壓供水”。從圖1不難看出，當(dāng)流量分別為qv.0、qv.2時(shí)，恒壓供水方式比不調(diào)速泵供水方式分別節(jié)省A1B1和A2B2段揚(yáng)程；而變壓供水比恒壓供水又分別節(jié)省了B1C1和B2C2段的揚(yáng)程。

圖1 變頻恒壓供水的基本原理圖

圖2 變頻效率曲線(xiàn)圖

從圖2中變頻效率曲線(xiàn)l可以看出，當(dāng)流量qv=qv.2時(shí)，其效率將降至B點(diǎn)可見(jiàn)，隨著流量的減小，水泵運(yùn)行效率的顯著降低。而在轉(zhuǎn)速控制方式下，其效率曲線(xiàn)因轉(zhuǎn)速而變化，在n2時(shí)的效率曲線(xiàn)為圖2的曲線(xiàn)2。當(dāng)流量qv=qv.2時(shí)，效率為c點(diǎn)之值，和qv=qv.2時(shí)的效率（A點(diǎn)）基本相等，即采用轉(zhuǎn)速控制可使水泵的效率總處于最佳狀態(tài)。

3.3 變頻技術(shù)創(chuàng)新方式的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

我們對(duì)反沖三臺(tái)水泵中兩臺(tái)水泵電機(jī)加裝變頻裝置，工作形式同樣采用兩用一備，有以下三種方式：

(1)在氣水混合沖時(shí)開(kāi)啟一臺(tái)變頻機(jī)泵，在水沖時(shí)再開(kāi)啟一臺(tái)變頻機(jī)泵，另外一臺(tái)工頻機(jī)泵作為備用。此方式較為合理，通過(guò)調(diào)試在氣水混合沖和水沖階段均能達(dá)到最佳沖洗狀態(tài)。

(2)在氣水混合沖時(shí)開(kāi)啟一臺(tái)工頻機(jī)泵，在水沖時(shí)再開(kāi)啟一臺(tái)變頻機(jī)泵，另外一臺(tái)變頻機(jī)泵作為備用。此方式由于工頻機(jī)泵出水量太大，變頻機(jī)泵出水量達(dá)不到其最小出水量而不能出水。

(3)在氣水混合沖時(shí)開(kāi)啟一臺(tái)變頻機(jī)泵，在水沖時(shí)再開(kāi)啟一臺(tái)工頻機(jī)泵，另一臺(tái)變頻機(jī)泵作為備用。同方式(2)，在工頻機(jī)泵啟動(dòng)后，變頻機(jī)泵不能出水。

通過(guò)三個(gè)運(yùn)行方式方案的技術(shù)比較，我們采用方案(1)的工作方式，既能滿(mǎn)足變頻現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)水量的要求，也能達(dá)到最大的節(jié)能要求。

4.結(jié)果與討論

本次改造后，由于水溫和各濾池等客觀因素，為避免對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)造成影響，調(diào)試分為兩步進(jìn)行。首先選取靠近設(shè)計(jì)值的中間值研究運(yùn)行工況。經(jīng)過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)變頻器應(yīng)運(yùn)行在44HZ左右，選取變頻為45HZ，進(jìn)行初步調(diào)試，穩(wěn)定運(yùn)行后再根據(jù)測(cè)試參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。然后觀察運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)反沖過(guò)程中的氣水混合沖和水沖頻率不能一致，結(jié)合實(shí)際參數(shù)，將氣水混合沖階段頻率調(diào)整為44.2HZ，水沖階段頻率調(diào)整為43HZ。

從以上表格可以看出，本次改造后濾池的濾后水濁度和含泥量等沒(méi)有明顯變化，同時(shí)濾池反沖洗周期和技術(shù)創(chuàng)新改造前一致，說(shuō)明達(dá)到了應(yīng)有的反沖效果。從本次技術(shù)創(chuàng)新的經(jīng)濟(jì)效益分析，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定發(fā)現(xiàn)：(1)反沖水節(jié)約114780 m3/年；(2)反沖電節(jié)約1800KWH/年；(3)濾池跑沙年節(jié)約133.33噸/年。

5.結(jié)論

(1)該水廠水反沖強(qiáng)度較設(shè)計(jì)值偏大，采用本改造方案效果更明顯。反沖強(qiáng)度較設(shè)計(jì)值越大，經(jīng)濟(jì)效益越佳；反之亦然。

(2)從各濾池改造后參數(shù)看，濾池遠(yuǎn)近與水頭損失大小關(guān)系不大，產(chǎn)生水頭損失較大的主要是濾床的水阻。

(3)在水氣混合沖和單獨(dú)水沖階段，機(jī)泵需要運(yùn)行的頻率有差異。按照原來(lái)的工頻電機(jī)運(yùn)行，水沖強(qiáng)度偏大，容易造成水電浪費(fèi)和跑沙。

(4)探索在各種天氣狀況下，運(yùn)行在什么工況最優(yōu)，既節(jié)約資源，又達(dá)到反沖效果。

(5)根據(jù)季節(jié)變化，水體的黏滯性變化較大。具體運(yùn)行頻率有待摸索。

[1]張金松.凈水廠技術(shù)改造實(shí)施指南[K].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

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表1 技術(shù)創(chuàng)新前濾池參數(shù)匯總

表2 改造前濾池參數(shù)

表3 變頻調(diào)整最終時(shí)混合沖44.2HZ、水沖43HZ后濾池參數(shù)