林 楠

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006)

1 高新區(qū)供水工程高能耗問題

1.1 工程簡介

撫順市高新區(qū)供水工程位于撫順市東部的丘陵地帶，主要供水對象為高新區(qū)的企業(yè)和部分街道轄區(qū)，工程始建于1997年，截止目前已經(jīng)運行了20多年。供水工程的水廠距離撫順市市中心約7.5 km，工程占地5.67 hm2，主要包括取水頭、泵房、沉淀池、清水池、過濾池、配水泵房以及其他輔助性工程，可以為撫順市高新區(qū)的主要企業(yè)和大約30萬人口提供生產(chǎn)、生活用水。隨著撫順市經(jīng)濟社會的迅速發(fā)展，供水工程轄區(qū)內(nèi)的企業(yè)和居民生活用水量不斷攀升，原工程處于高能低效的運行狀態(tài)，亟待進行節(jié)能改造，以提高供水工程的運行效率，降低供水企業(yè)的運行成本。

1.2 工程運行過程中水泵高耗能問題

在供水工程中，水泵是最重要和使用最普遍的機電設(shè)備，同時也是水廠的主要能耗來源[1]。當(dāng)前的供水工程中水泵使用效率低的問題比較普遍。就撫順市高新區(qū)供水工程而言，水泵運行的高耗能問題也是造成工程能耗過高的主要因素。

在撫順市高新區(qū)供水工程的運行過程中，水泵的高能耗問題主要存在于輸配水部分。由于城市供水的特征，供水工程的送水量大，同時還頻繁變化，這就造成水泵與供水管道不匹配，并經(jīng)常處于“小流量、低效率”的不利狀態(tài)。由于長期運行，維護不當(dāng)，水泵的回路滲漏產(chǎn)生了一定的無效流量。此外，由于回路阻力產(chǎn)生的嚴(yán)重不平衡，也造成了主機和水泵增加了一些額外能耗[2]。綜合分析，造成供水工程水泵能耗過高的主要原因是在“小流量、低效率、高能耗”的工況下運行，造成電能嚴(yán)重浪費。因此，節(jié)能改造應(yīng)以解決上述問題為主要目標(biāo)。

2 高新區(qū)供水工程節(jié)能技術(shù)措施

2.1 水泵運行節(jié)能技術(shù)的思路

在城市供水工程中，實現(xiàn)水泵節(jié)能的方式很多，因此水泵節(jié)能技術(shù)優(yōu)化的思路也有多種。具體而言，在工程運行過程中，主要的節(jié)能技術(shù)優(yōu)化途徑有葉輪切削、加裝電機變頻調(diào)速、供水系統(tǒng)改造與優(yōu)化等[3]。在具體的節(jié)能技術(shù)改造中，可以選擇以上方式中的一種或幾種，以避免水泵在工作過程中偏離高效工作區(qū)，進而實現(xiàn)基于水泵節(jié)能的供水工程整體節(jié)能優(yōu)化。

對具體工程而言，水泵節(jié)能優(yōu)化設(shè)計時需要分析供水工程系統(tǒng)本身的特點，選擇合適的節(jié)能改造技術(shù)措施[4]。通過對以上各種節(jié)能措施的比較，變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)優(yōu)勢最為明顯，因此擬對撫順市高新區(qū)供水工程實施水泵變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)改造。

由于撫順市高新區(qū)供水工程不僅要滿足城鎮(zhèn)居民生活用水，還要承擔(dān)本地區(qū)的主要企業(yè)供水，配水泵站和管網(wǎng)的設(shè)計供水負(fù)荷為每天20萬m3，鑒于城鎮(zhèn)供水的波動性，該項目泵站的電機配置具有日供水30萬m3的能力。由于該供水工程的供水量波動較大且變化頻繁，在供水負(fù)荷下降時采用出口閥門控制水流量的方法控制負(fù)荷變化，造成大量的能源消耗，因此在節(jié)能改造設(shè)計中采取恒壓變頻供水技術(shù)[5]。

2.2 水泵變頻調(diào)速節(jié)能改造設(shè)計方案

在本項目的節(jié)能改造設(shè)計中，擬對取水廠送水泵房、取水泵站進行節(jié)能改造設(shè)計。凈水廠的送水泵房等水泵均進行變頻調(diào)速節(jié)能改造。限于篇幅文中僅對配水廠送水泵房改造方案進行詳細(xì)介紹。

2.2.1 節(jié)能技術(shù)改造的預(yù)期目標(biāo)

結(jié)合節(jié)能改造設(shè)計的思路，本次技術(shù)改造方案的預(yù)期目標(biāo)為：通過對水泵的變頻改造，實現(xiàn)恒定水壓對水泵流量的調(diào)節(jié)，最終達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。根據(jù)供水工程配水廠送水泵房的實際情況，對供水管線合理水壓進行設(shè)定，然后通過輸水管線的總出水管的壓力變化接受器進行壓力監(jiān)測和信號反饋。在系統(tǒng)接到信號后，通過變頻調(diào)壓器對供水泵組頻率進行調(diào)節(jié)，以滿足用戶對水壓方面的具體要求，從而使給水系統(tǒng)實現(xiàn)水壓的自動調(diào)節(jié)，從而達(dá)到水泵節(jié)能的目的。

另一方面，在水泵進行變頻改造之后，供水區(qū)域內(nèi)的用水大戶可以通過對水泵的頻率調(diào)節(jié)實現(xiàn)對流量的精準(zhǔn)調(diào)整，實現(xiàn)在大幅降低能耗的基礎(chǔ)上增加供水的可靠性[6]。此外，通過變頻改造還可以實現(xiàn)企業(yè)供水1線、2線和居民生活供水管線的分區(qū)供水，提高供水效率，有效減少水泵開停機次數(shù)，大幅降低水泵開停機對供水管道的沖擊。

2.2.2 改造方案設(shè)計

針對供水工程配水廠送水泵房的工程運行實際以及相關(guān)工程的變頻改造設(shè)計經(jīng)驗[7-8]，提出如下三種技術(shù)改造方案備選。

方案一：在泵房的門廳入口位置新建變頻器運行控制室，安裝總功率為260 kW和190 kW的變頻器各一臺，以10 kV配電室作為供電電源。變頻器拖動兩條企業(yè)供水線路的各一臺水泵。

方案二：在泵房的10 kV配電室后新建變頻器運行控制室，安裝總功率為260 kW和190 kW的變頻器各一臺，同時預(yù)留一臺同型號260 kW變頻器的安裝空間，以10 kV配電室作為供電電源。變頻器拖動兩條企業(yè)供水線路的各一臺水泵。

方案三：在泵房的10 kV配電室右側(cè)空地新建變頻器運行控制室，安裝總功率為260 kW和190 kW的變頻器各一臺，拖動兩條企業(yè)供水線路的各一臺水泵；再安裝一臺260 kW的變頻器，帶動街道居民生活供水管線的供水水泵2臺。變頻器以10 kV配電室作為供電電源。

2.2.3 節(jié)能技術(shù)改造方案選擇

對三種不同的設(shè)計方案的投資費用進行計算，結(jié)果如表1所示。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，方案一和方案二的投資數(shù)額相當(dāng)，方案三的投資相對較多，但是綜合考慮，仍舊選擇方案三。主要理由如下：第一，方案三中新建的變頻器室位于配電室的右側(cè)，該部位是一片空地，空間十分充裕，有利于合理進行室內(nèi)布置，改造設(shè)計的工程量較小，對原供水系統(tǒng)的影響較小。第二，方案三設(shè)置了大小三臺變頻器，完全可以實現(xiàn)兩條企業(yè)供水線路和一條生活供水線路共三條線路的獨立運行，可以確保供水系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行，實現(xiàn)節(jié)能技術(shù)改造的最終目標(biāo)。第三，雖然方案三的投資數(shù)額較大，但是增加幅度并不多，沒有超出可承受的范圍。

表1 方案投資費用計算 萬元

3 水泵節(jié)能技術(shù)改造的效益分析

根據(jù)撫順市高新區(qū)供水工程運行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，水泵在工作過程中的最高時變化系數(shù)為1.2，最高日變化系數(shù)為1.5，由此可以計算獲得水泵的年平均負(fù)荷率約為52%。利用該數(shù)據(jù)，即可計算獲取經(jīng)過變頻節(jié)能技術(shù)改造之后，各供水線路上水泵的節(jié)能量，計算過程和結(jié)果如下。

企業(yè)供水1線：該線路水泵在額定工況下的電功率為190 kW，按照年均52%的負(fù)荷率以及水泵性能曲線，可以獲得該水泵的實際功率為96.2 kW，該水泵全年的節(jié)電量為：(190-96.2)×365×24=82.17萬kW·h。

企業(yè)供水2線：該線路水泵在額定工況下的電功率為260 kW，按照年均52%的負(fù)荷率以及水泵性能曲線，可以獲得該水泵的實際功率為151.8 kW，該水泵全年的節(jié)電量為：(260-151.8)×365×24=94.78萬kW·h。

居民生活供水線：該線路水泵在額定工況下的電功率為260 kW，按照年均52%的負(fù)荷率以及水泵性能曲線，可以獲得該水泵的實際功率為151.8 kW，該水泵全年的節(jié)電量為：(260-151.8)×365×24=94.78萬kW·h。

綜合上述計算結(jié)果，在水泵變頻節(jié)能技術(shù)改造完成之后，變頻調(diào)節(jié)的節(jié)電總量為每年82.17+94.78+94.78=271.73萬kW·h。按照0.64元/kW·h電費單價計算，節(jié)能改造完成之后年可節(jié)約電力成本約174萬元。由此可見，相對于110.1萬元的投資成本，在技術(shù)改造完成的一年之后即可收回成本。

4 結(jié) 語

在城市供水工程中，水泵是使用最廣泛，也是最重要的機電設(shè)備，當(dāng)前的諸多供水工程中使用的水泵具有效率低、能耗高、運行成本高的問題，進而嚴(yán)重影響供水工程的整體效益發(fā)揮。文章以遼寧省撫順市高新區(qū)供水工程為例，對水泵高能耗問題深入分析，結(jié)合工程實際提出了通過變頻調(diào)速達(dá)到水泵節(jié)能的目標(biāo)，并提出了具體改造方案。通過對改造方案的比選和綜合分析，結(jié)果顯示，通過對水泵進行變頻調(diào)速技術(shù)改造，不僅可以取得顯著的節(jié)能效果，同時投資少、見效快、資金回收周期短，可以在類似工程中推廣使用。