岳金文，李志鵬，秦 武，洪順軍，蔡海兵

1 前言

水泵作為主要的通用能耗設(shè)備，約消耗全國發(fā)電總量的20%［1］。目前很多供水泵站存在水泵選型不當(dāng)、能耗評估困難等問題［2~5］。在供水系統(tǒng)中水泵的選型既要考慮滿足最大工況點的流量和揚程［6］，也應(yīng)考慮用水量的不斷變化和平均運行工況，只有實現(xiàn)供水設(shè)備和系統(tǒng)用水的供需平衡，泵機組才能保持最優(yōu)能耗運行［7,8］。本文以某小城鎮(zhèn)供水泵站為研究對象，針對供水系統(tǒng)特點，建立一套以能耗系數(shù)為指標(biāo)的泵機組能耗評估方法，通過對某城鎮(zhèn)供水現(xiàn)有需求和機組運行情況的分析，從整個供水系統(tǒng)出發(fā)，制定基于目標(biāo)電耗的泵機組節(jié)能改造策略。

2 目標(biāo)電耗節(jié)能改造技術(shù)

2.1 能耗系數(shù)原理

在泵液流體輸送系統(tǒng)中，經(jīng)濟性評價指標(biāo)能耗系數(shù)KE定義為單位體積液體輸送能耗量，簡稱能耗系數(shù)［8］，其表達式為：

式中 KE——能耗系數(shù)，kW·h/m3

從式(1)可知，泵運行的能耗經(jīng)濟性水平受效率η和揚程H兩個指標(biāo)影響，這與傳統(tǒng)上僅關(guān)注η指標(biāo)有區(qū)別。效率指標(biāo)表達能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系，而能耗系數(shù)從工程經(jīng)濟學(xué)來表達單位能耗所實現(xiàn)的輸送量。同時，KE是有單位的，有具體的物理意義。實際應(yīng)用中，流體輸送人員用它來核算能耗的經(jīng)濟性，可以有效揭示η和H對經(jīng)濟性影響的確切數(shù)量關(guān)系，符合投入產(chǎn)出比的一般經(jīng)濟性評價原則。此外，η—Q特性曲線為拋物線，在同一效率點有兩個不同流量工況，需通過計算功率才能確定最佳運行流量工況點，而KE—Q特性曲線呈遞降變化，可直接定量表達出最佳運行工況。因此，能耗系數(shù)指標(biāo)作為泵機組能耗評估指標(biāo)可以彌補其不足。

2.2 目標(biāo)電耗節(jié)能空間分析程序的制定

針對供水系統(tǒng)的基本情況和測量儀器，測量和搜集泵配套電動機電壓、電流、泵出口管網(wǎng)典型點壓力，供水需求等參數(shù)。由泵典型運行工況點，通過擬合泵典型運行工況點數(shù)據(jù)，得到泵的H－ Q方程和泵輸入功率P—Q方程，求出η—Q方程，從而得到供水系統(tǒng)KE—Q方程。結(jié)合供水系統(tǒng)多年供水工藝需求及上述泵的特性方程，分析高能耗原因，制定多種節(jié)能改造方案，對每種節(jié)能方案投資成本、節(jié)能空間、改造難易程度進行對比分析，確定最佳改造方案。其中，節(jié)能空間是通過分析最佳改造方案不同工況下各泵的KE—Q方程，相加得到整個供水系統(tǒng)KE—Q方程，對比改造前后KE—Q方程得出的。具體流程如圖1所示。

圖1 目標(biāo)電耗節(jié)能空間分析流程

3 供水泵站改造案例

3.1 供水泵站概況

某城鎮(zhèn)水廠始建于1999年，設(shè)計產(chǎn)水量2.5×104 m3/d,選 用 4 臺 水 泵（ 編 號 1#、2#、3#、4#），其中，1#泵為反洗泵，供洗水池使用；2#泵為型號為KS125-365雙吸離心泵，額定揚程39 m,額定流量282 m3/h,轉(zhuǎn)速1450 r/min；配套電機為Y255M-4型電機，3#泵和4#泵均為250S39雙吸離心泵，額定揚程39 m,額定流量485 m3/h,轉(zhuǎn)速1480 r/min.配套電機為Y280S-4型；3#泵和4#泵互為備用，電機Y255M-4和Y280S-4的額定參數(shù)如表1所示。在供水高峰區(qū)，2#泵和3#泵或4#泵中任一臺共同運行，供水低谷區(qū)2#泵單獨運行，平衡區(qū)3#泵或4#泵之一單獨運行。

表1 Y255M-4和Y280S-4型電機性能參數(shù)

3.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測與搜集

為了有效掌握泵機組實際運行特性，分析能耗原因。采用精密壓力表和超聲波流量計對管網(wǎng)流量Q、壓力P、閥門開度進行檢測，并與現(xiàn)場工作人員進行交流機組運行狀況；其中，對泵站近2年運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一收集，整理和取樣后發(fā)現(xiàn)，該供水泵站早晚高峰期間，流量范圍為590~660 m3/h，供水時間t3（t3=15 h），壓力范圍為0.42~0.46 MPa;平衡區(qū)間供水流量范圍為440~460 m3/h，供水時間t2（t2=3 h），供水低谷區(qū)，流量范圍為140~170 m3/h,低谷區(qū)時間t1（t1=6 h），供水壓力需大于0.4 MPa。KS125-365和250S39泵現(xiàn)場測試特性曲線如圖2所示。

圖2 2#和4#泵測試泵特性曲線

3.3 能耗供需平衡及運行能耗分析

從現(xiàn)場檢測和收集數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)2#泵氣蝕嚴(yán)重，低谷區(qū)流量需求為170~200 m3/h，從圖2（a）中可以發(fā)現(xiàn)，2#泵運行效率僅為44.74%，在額定流量下運行效率60%，效率遠低于同型號泵。同時，2#泵遠離高效區(qū)運行，存在大量富余流量或揚程，因此，2#泵效率低、選型不合理、需更換新泵。從圖2（b）中可以看出，4#泵高效區(qū)運行效率為77%，與同型號泵實際運行基本相等。綜上分析可以得出：該供水系統(tǒng)選型不合理，2#泵偏離高效區(qū)運行，富余揚程大，需重新確定泵機組選型和搭配方式。

4 改造方案

4.1 方案選型比較

基于目標(biāo)電耗最優(yōu)能耗策略，當(dāng)水泵機組提供的能量等于用戶端所需的能量時，系統(tǒng)能耗系數(shù)最低，對提高該供水系統(tǒng)有效方法是選擇合適泵機組搭配和變流量下合理的啟動與關(guān)閉泵，減少富余流量或揚程損失。可采用更換2臺同型號高效泵，其中1臺泵加變頻器或采用不同型號泵搭配的節(jié)能改造方案。

遵循改造后不改變供水系統(tǒng)實際需求的原則，保證用戶端不出現(xiàn)水壓過低，供水不連續(xù)等現(xiàn)象。若本方案采用2個同型號泵，額定流量最佳選擇330~360 m3/h，由于供水日內(nèi)流量變化大，低谷區(qū)流量為140~170 m3/h，需安裝變頻器，變頻調(diào)速是有范圍的，不宜低于額定轉(zhuǎn)速50%，低于50%效率急劇下降［9~14］；若系統(tǒng)所需的最低流量低于定速泵額定流量的30%，需考慮添加1 臺小流量泵，考慮流量供需平衡策略，采用同型號泵在低谷區(qū)調(diào)速比應(yīng)為0.5；此時，壓力低于供水最低壓力要求，出現(xiàn)斷水現(xiàn)象；需采用閥門調(diào)節(jié)減少流量來提高壓力，從而導(dǎo)致供水流量低于供水需求值，出現(xiàn)供水不足。在平衡區(qū)流量為440~460 m3/h時，若采取同型號泵，為避免管路匯流處產(chǎn)生因壓力不等產(chǎn)生漩渦，需采取閥門和變速調(diào)節(jié)相結(jié)合的方式調(diào)節(jié)，才能減小漩渦損失和噪音。由于變頻器價格昂貴，采取閥門調(diào)節(jié)能耗損失大且加速閥門壽命損耗，采用同型號泵在此流量區(qū)間的能耗將比改造前大。因此，采用大小泵階梯搭配更經(jīng)濟可行。

4.2 節(jié)能空間預(yù)測

由于原4#泵運行良好，只需對2#泵重新選型，3個不同階段供水量需求分別為140~170，440~460，590~660 m3/h，4#泵的高效區(qū)間為 440~480 m3/h。根據(jù)最優(yōu)能耗運行策略，在供水低谷區(qū)小泵在高效區(qū)運行，平衡區(qū)大泵處于高效區(qū)運行，高峰區(qū)兩泵都處于高效區(qū)運行。在高峰區(qū)，若4#泵在高效區(qū)間運行，小泵需提供130~ 180 m3/h流量，而低谷區(qū)供水需求為140~170 m3/h，考慮到日后用水量10%增加，整個供水區(qū)間供水壓力不能低于0.4 MPa,通過查詢市場已有產(chǎn)品，從而選擇改造后2#泵型號為CPS 200-370/4雙吸泵，額定流量186 m3/h，額定揚程42 m。根據(jù)電動機配套標(biāo)準(zhǔn)，電機額定功率為額定水泵1.05~1.20倍，CPS 200-370/4雙吸泵額定功率為28.4 kW，考慮功率圓整原則，該泵需配備30 kW電機。

供水系統(tǒng)日夜流量變化大，人工啟動或關(guān)閉泵機組的易出現(xiàn)因關(guān)閉啟動不及時造成系統(tǒng)富余能耗大或出現(xiàn)供水?dāng)嗨筒贿B續(xù)現(xiàn)象。在控制柜增加1套PLC控制系統(tǒng)，設(shè)定最低壓力值為0.4 MPa，最高壓力0.46 MPa，利用壓力傳感器將測得管網(wǎng)壓力傳送給控制系統(tǒng)，然后根據(jù)壓力值自動尋優(yōu)［15］，輸出控制啟動或關(guān)閉 2#、3#、4#泵的運行指令?？刂葡到y(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理示意

采用MATLAB對4#泵和CPS200-370/4泵測試的典型工況數(shù)據(jù)進行擬合，得到CPS200-370/4泵外特性曲線如圖4所示。

4#泵能耗系數(shù)方程：

CPS200-370/4泵能耗系數(shù)方程：

圖4 CPS 200-370/4泵測試泵特性曲線

計算該供水系統(tǒng)在低谷區(qū)、平衡區(qū)、高峰區(qū)三種運行方式的電耗值?？梢愿鶕?jù)不同供水區(qū)間流量需求，查閱圖2（b）和圖4曲線，得出水泵在不同流量下的揚程、效率、能耗系數(shù)、各支管提供的流量，系統(tǒng)電耗可通過能耗系數(shù)與流量乘積確定。在低谷區(qū)，母管流量為165 m3/h，CPS200-370/4泵運行，4#泵停止運行；在平衡區(qū)，母管流量為 450 m3/h，4#泵單獨運行，CPS200-370/4泵關(guān)閉；高峰區(qū)，母管流量為630 m3/h，4#泵提供流量450 m3/h，CPS200-370/4泵提供流量280 m3/h。改造前后不同區(qū)間泵機組能耗計算結(jié)果見表2。

2 供水系統(tǒng)改造前后運行參數(shù)對比

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)，改造后低谷區(qū)單泵運行效率較原泵平均提高25%；高峰區(qū)CPS200-370/4泵相對原2#泵效率平均提高19.7%，4#泵運行效率平均提高3%。改造后管網(wǎng)壓力滿足供水系統(tǒng)需求，均高于0.4 MPa。

改造前后各泵在低谷區(qū)，平衡區(qū)，高峰區(qū)能耗系數(shù)（通過取不同區(qū)間能耗系數(shù)均值）對比如圖5所示。

圖5 改造前后不同供水區(qū)間能耗系數(shù)對比

改造后低谷區(qū)系統(tǒng)總能耗系數(shù)下降0.123 kW·h/m3，平衡區(qū)總能耗系數(shù)值保持不變，高峰區(qū)總能耗系數(shù)值由0.1835 kW·h/m3下降到0.15 kW·h/m3。改造后系統(tǒng)運行如下，低谷區(qū)運行時間為6 h,總流量930 m3，總能耗將降低114.39 kW；高峰區(qū)運行15 h，總能耗降低314.06kW；每天可以節(jié)電428.39 kW，改造前平均每天耗電2188.3 kW。因此，改造后系統(tǒng)總節(jié)電率19.58%，如果按當(dāng)?shù)仉妰r0.6元/(kW·h) 計算，每月可節(jié)省電費7711.02元，改造投入CPS雙吸泵和30 kW電機各一臺，控制系統(tǒng)一套，總費用約為1.4萬元，1.8個月即可收回投資成本。在節(jié)能改造后，記錄顯示月節(jié)電量12850 kW·h，符合估算結(jié)果，達到節(jié)能改造預(yù)期效果。

5 結(jié)語

本文建立了基于能耗系數(shù)指標(biāo)的供水系統(tǒng)能源調(diào)查評估方法，該方法以供水工藝過程關(guān)鍵點數(shù)據(jù)、泵外特性曲線特性曲線為基礎(chǔ)，通過比較改造前后KE—Q方程找出節(jié)能空間。無需特殊的測量工具、操作簡單、方便，可為我國中小城鎮(zhèn)供水廠能耗評估改造提供一定的參考。針對小城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)特點，通過能耗分析與評估，找出高能耗原因，采用單體節(jié)能和系統(tǒng)節(jié)能相結(jié)合方法。針對泵機組階梯搭配運行的泵選型和系統(tǒng)運行優(yōu)化控制兩方面。建立了基于目標(biāo)電耗供水泵站節(jié)能運行方法，在做到高效節(jié)能的基礎(chǔ)上，使供水系統(tǒng)供水更加平穩(wěn)可靠。

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