變頻恒壓供水調度運行模式優化

仇 堅，薛 明，陳 捷

(上海市自來水市北有限公司，上海 200086)

1 項目背景與研究目標

1．1 寶山地區主要管網結構

寶山地區供水主要由吳淞水廠(供水能力18萬t/d，最大供水量7 000 m3/h)、月浦水廠(供水能力40萬t/d，最大供水量18 000 m3/h)、泰和水廠(供水能力80萬t/d，最大供水量36 000 m3/h)供應(如圖1所示)。寶山北部地區的用水主要是由月浦水廠供應，月浦水廠出水管主要由蕰川路DN1400、蕰川路 DN1200、蕰川路 DN700、潘涇路DN800、撫遠路DN800等組成，中途不設加壓/水庫泵站。

1．2 寶山地區壓力情況

如圖2所示，根據水力模型計算可得月浦水廠供水范圍自西向東大致為富錦路—潘涇路—寶安公路—蕰川路—泰和西路，寶山北部區域及吳淞部分區域由月浦水廠直供，因此月浦水廠出水壓力波動對這些地區測壓點壓力存在直接影響。

圖1 寶山主要供水管網Fig．1 Baoshan Main Water Supply Network

圖2 市北各水廠供水范圍Fig．2 Water Supply Area of Shanghai North Water Supply Company

圖3 馬涇橋測壓點7月29日壓力Fig．3 Majinqiao Water Pressure in July 29th

圖4 陳行測壓點7月29日壓力Fig．4 Chenhang Water Pressure in July 29th

由圖3、4可知，寶山地區測壓點馬涇橋、陳行在月浦水廠出水的直接影響下，全天壓力變化幅度較大，除去夜間上水箱加壓時段，全天變化波動范圍約80 kPa，夜間(0:00～5:00)和午后早晚高峰之間壓力較高，富余水頭現象較突出，同時月浦水廠更換機泵等操作會使壓力出現大幅波動，不利于安全供水。

1．3 項目研究主要內容

寶山地區用水需求變化較大，總體服務壓力較高，夜間、早晚高峰、午間各時段水量變化顯著。換車時不但操作煩瑣，而且壓力驟變增加了風險，影響管網的平穩運行，為解決這一矛盾對月浦水廠調度模式進行優化研究。綜合考慮，基于變頻恒壓控制的調度模式是解決上述矛盾的有效辦法。要實現月浦水廠調度模式改變，需將月浦水廠中一臺或者二臺水泵改造成變頻泵，進行壓力控制。從而使水廠能夠根據外部需水量變化，實時平穩地調節水量，降低富余水頭和壓力波動，提高服務質量和水平，以此實現經濟效益和社會效益的最優化。主要研究內容有:

(1)通過總結日常調度確定各時段流量總體變化范圍，研究各時段流量條件下對應壓力范圍，以此為變頻水泵流量改造依據。

(2)對月浦6臺水泵日常開關、調度運行組合情況進行考量，研究確定變頻泵運行組合方案。

(3)研究水泵電路、吸水井限制因素，選擇需改造的變頻水泵。

(4)設計變頻泵運行壓力/流量傳感控制方案，以及相應PLC控制系統。

(5)綜合研究變頻及控制相關設備選型的影響因素。

(6)完成設備安裝，進行設備調試。

(7)根據測壓點壓力與水廠出廠壓力和流量的變化關系，結合管網模型進行模擬運算，研究其中變化規律，從中找出不同季節中安全、節能的運行工況。

(8)制定不同季節不同時段常規調度中恒壓供水的壓力控制范圍。

2 項目改造前期調研

2．1 月浦水廠現狀

月浦水廠現規模40萬t/d，水廠二級泵房現設置6臺水泵，具體水泵及電動機主要參數如表1所示。

表1 月浦水廠機泵配備Tab．1 Pump of Yuepu Water Supply Company

其中 21、23、25 號機泵連接 I段電源，22、24、26號機泵連接II段電源，21、22、23號機泵自1號吸水井取水，24、25、26號機泵自2號吸水井取水。

月浦水廠常年運行壓力約230 kPa～300 kPa，常用機泵組合如表2所示。

表2 月浦水廠常用機泵組合Tab．2 Common Pump Combination of Yuepu Water Supply Company

由于受機泵、電源及吸水井限制，月浦水廠出廠水量大致為11000、13500、16 000、17 000 m3/h 幾檔，供水量調節局限較多，調度員缺乏調節手段，因此寶山地區經常會出現富余水頭，并且在早晚高峰前后，調度員調節水量需要更換機泵，對管網壓力產生波動。

由圖5可知月浦水廠全年大部分日期早高峰水量在11 000～14 000 m3/h，泰和水廠檢修時期和高峰供水時期早高峰水量在14 000～16 000 m3/h。

圖5 月浦水廠2011年全年早高峰供水量Fig．5 Early Peak of Yuepu Water Supply Company in 2011

由圖6可知，由于缺乏調節手段，夜間月浦水廠出廠壓力偏高，除檢修時段外，大部分出廠壓力在260 kPa以上，部分時期在290 kPa以上，不利于寶山地區的安全供應，同時也增加了運行成本。

圖6 月浦水廠2011年全年過夜出廠壓力Fig．6 Night Pressure of Yuepu Water Supply Company in 2011

綜上所述，目前月浦水廠的供水量要進行1 000～2 000 m3/h的調整比較困難。一般午后非高峰時段用水量較小，為降低富余水頭、平穩壓力需要同時換2臺機泵，管網壓力會有較大的波動，到晚高峰再換回，對管網的平穩運行有較大風險。

夜間運行3+6#或4+5#機泵，在水庫平穩進水之后，月浦水廠出水壓力通常在250～280 kPa。由于缺乏有效的消能措施，月浦周邊以及寶山北部馬涇橋、陳行等測壓點壓力偏高，造成能耗浪費，同時也降低管網運行的安全性。

為實現月浦水廠變頻恒壓調度，將月浦水廠中一臺或者二臺水泵改造成變頻泵，進行壓力控制。根據外部需水量變化，實時平穩地調節水量，提高服務質量和水平。變頻系統可根據管網瞬間壓力變化，自動調節水泵的轉速，使管網主干管出口端保持恒定的設定壓力值，并滿足用戶的水量需求，使整個系統始終保持高效節能的最佳狀態。

2．2 項目改造方案

水泵調速的途徑有兩種。一種是電機轉速不變，通過電機與水泵間的耦合器來達到調速的目的，常見有液力耦合器。這種方式效率低，節能效果較差。另一種是調節電機的轉速，調速方式有多種，如調壓調速、變級調速、串級調速和變頻調速等。其中變頻調速由于其調速范圍寬、電機效率高、適用面廣、可改善電機功率因數、性價比高、節能效果好等諸多優點而越來越多地用于需要調速的場合。

三相異步電動機轉速公式為:

從上式可見，改變供電頻率f、電動機的極對數p及轉差率s均可達到改變轉速n的目的。變頻調速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。

水泵調速是根據水泵比例相似原理，通過調節水泵轉速，改變水泵特性曲線，使水泵可以適應新的運行工況的一種方式。

水泵的每一個轉速都對應于一條不同的特性曲線，而變頻調速是一種無級調速，可以使水泵具有任意的轉速，即有無數條特性曲線。在一定范圍內，變頻水泵可以滿足不同的流量/揚程組合而不產生富余揚程。因此，變頻調速具有適應工況變化，沒有富余揚程，無需改變水泵本身，較為節能的優點。

綜合月浦出廠水量、機泵搭配等現行工況來看，23+24、21+24、24+25、23+26 這 4 種搭配是最常用的開法，因此選擇24號機泵進行變頻改造，按33～50 Hz的變頻范圍，21+24、23+24、24+25、23+24+25的機泵配法能覆蓋8 000～17 000 m3/h的水量，滿足調度需求。由表3可知月浦水廠24號機泵運補電量相對偏高、擬通過改造其適應當前運行工況。

表3 月浦水廠2011年度機泵運行匯總Tab．3 Pump Operation Summany of Yuepu Water Supply Company in 2011

3 項目改造實施

3．1 項目改造過程

月浦水廠最終采用了上海科達機電控制有限公司的MAXF高壓變頻器，具體型號為MAXF1250-10000/1830，額定電壓為10 kV，額定輸出功率為1 250 kW，頻率范圍5～50 Hz。該設備具有冗余運行、單元在線更換、高效銅散熱等新技術，并具有多種控制方式和數據通信接口。同時該種設備在我公司泰和水廠已有近4年的運行時間，目前使用情況良好，一般年使用時間超過350 d，具有故障率低和維護成本低等優點。

本次改造采用高配設備更新改造同時進行，減少了二次改造帶來的人工和材料的浪費，減低了改造成本。改造工程于2012年9月份開始，10月份完工。先期實現了變頻器就地手動控制、遠程手動控制、壓力閉環控制。后期，隨著月浦水廠二級泵房自動化改造，將變頻器信號接入PLC系統中，實現了變頻器遠程自動控制。通過操作人員在電腦上輸入需要的壓力或流量，實現恒壓或恒流控制。

3．2 改造結果

24號機泵改造后的機泵性能測試數據和特性曲線如表4、圖7所示。其中23號、26號機泵同時運行。

表4 24號機泵改造完成后機泵特性測試數據Tab．4 Test Data of Pump After Transformation of Pump No．24

注:40 Hz

注:45 Hz

注:50 Hz

圖7 24#機泵特性曲線Fig．7 24#Pump Characteristic Curve

變頻改造后，根據目前的運行狀況，當出口壓力控制在230～270 kPa時，泵口壓力有一定的降低，一般在260～300 kPa，出水流量一般在4 000～8 000 m3/h，總的輸入功率在400～980 kW，機泵效率在低流量時有所提高，大流量時無明顯改變。改造前泵口壓力一般在300～370 kPa，電基基本在115 kW/km3，變頻改造后泵口壓力明顯下降，電基在96～116 kW/km3。

4 改造后調度運行情況

4．1 月浦水廠運行工況

月浦水廠于2012年11月13日啟用變頻恒壓控制。在通常情況下，早晚高峰月浦出廠壓力設定為250 kPa，午后及夜間因季節不同設置為210～230 kPa，因此月浦水廠出廠平均壓力較往年有顯著下降，夜間水廠出廠壓力過高得到有效控制。寶山地區富余水頭現象有了明顯改善。

由圖8可知月浦水廠自項目啟動起對出廠壓力進行精細化控制，通過換開機泵調節壓力，但由于可調節的范圍有限，因此出廠平均壓力下降程度有限，且頻繁換泵對管網造成一定沖擊。而啟用變頻恒壓控制后，2013年月浦水廠出水壓力顯著下降，管網波動也較以往減少，以換車最頻繁的供水高峰季為例，2013年7、8月高峰月浦水廠調度指令數216次，而2011年與2012年同期分別為372次和422次。

對比圖9與圖6，月浦水廠采用變頻恒壓控制后，出廠壓力約210～230 kPa，較2011年下降30～40 kPa，對管網運行起到安全保障作用的同時，也降低了運行成本。

4．2 寶山地區壓力情況

圖8 月浦水廠2011年～2013年出廠平均壓力Fig．8 Average Water Pressure of Yuepu Water Supply Company From 2011 to 2013

圖9 月浦水廠2013年夜間出廠壓力Fig．9 Night Water Pressure of Yuepu Water Supply Company of 2013

自月浦水廠變頻恒壓控制，寶山地區壓力較原先平穩，富余水頭得到改善。對比圖10與圖3、4，寶山地區測壓點馬涇橋、陳行壓力較原先平穩，除夜間上水箱時段外，全天壓力變化在20 kPa左右。由圖11可知，變頻恒壓控制后，陳行測壓點夜間過夜壓力較原先降低約20 kPa，有效降低了寶山區域的富余水頭，降低運行能耗。

圖10 2013年7月29日陳行、馬涇橋測壓點壓力Fig．10 Chenhang and Majinqiao Water Pressure in July 29th，2013

由圖12可知寶山地區的整體壓力自2012年精細化調度開始，壓力已有所下降。開始變頻恒壓控制后，2013年寶山供水管理所整體平均壓力進一步下降，改善公司整體管網壓力不均的局面，使壓力更趨合理。

圖11 變頻前后1月～9月陳行測壓點夜間壓力對比Fig．11 Comparison of Night Water Pressure from Jan．to Sep．in Chenhang Testing Point before and after Frequency Transformation

圖12 寶山供水管理所平均壓力對比Fig．12 Comparison of Average Water Pressure in Baoshan Water Supply Company

4．3 變頻前后能耗分析

表5為變頻前后能耗統計。

表5 變頻前后能耗統計Tab．5 Energy Consumption before and after Frequency Transformation

續 表

圖13為變頻前后電基對比。

圖13 變頻前后電基對比Fig．13 Comparison of Unit Energy Consumption before and after Frequency Transformation

圖14為月浦水廠變頻前后配電單耗對比。

圖14 月浦水廠變頻前后配電單耗對比Fig．14 Comparison of Distributed Energy Consumption before and after of Frequency Transformation

水泵機組電耗、電基、單耗與水量、壓力的關系如下:

配水單位電耗(與效率成反比):

由表5和圖13可知變頻前后12月到6月月浦水廠出水泵房電基明顯下降，7、8、9月電基沒有延續上述變化趨勢，其中8、9月變頻后電基基本保持不變，而7月份變頻后電基明顯增加。從上述電基計算公式可以得出，電基與水泵的揚程(與出廠壓力有關，成正比)和機泵效率有關，即電基與出廠壓力成正比，而與機泵效率成反比。因出廠壓力直接影響管網服務水平(壓力合格率、平均壓力)，由此可以得出，電基是管網服務能耗(表現為富余水頭能耗的控制程度)和泵站機泵能耗(表現為機泵效率的控制程度)的綜合體現。

由圖14可知變頻前后12月～6月月浦水廠出水泵房機泵配水單位電耗(后簡稱單耗)基本持平，無明顯變化;而7月、8月、9月單耗明顯增加。從上述單耗計算公式可以得出，其與機泵效率成反比，即該指標反映機泵效率的變化。由此得出:變頻后7月、8月、9月機泵效率明顯下降，即機泵自身能耗增加，機泵的能量利用率降低。因此不同季節不同的調度方式，對變頻后的能耗有相當大的影響。

5 結論

通過月浦變頻恒壓改造項目實施，使市北寶山地區壓力變化大，非高峰時段富余水頭較高等突出現象得到改善，并且由于水量、壓力的降低，為公司節約了大量的電費開支。工欲善其事，必先利其器，通過變頻恒壓控制對月浦水廠進行無級調速，不僅增強了調度控制手段，而且使調度員能夠根據需水量的實時變化采取多樣化的調度手段，促進了供水調度室調度績效管理工作的有效開展。

目前市北公司的5家水廠中，月浦、泰和已采取變頻恒壓調度，在剩余的3家水廠中，閘北、吳淞由于水量較小，在日常調度中很少通過這兩家水廠來調節整個管網中的供需平衡。而楊廠目前配備的機泵中，大都為額定流量為8 000 m3/h的大車，僅有14#、19#機泵為 3 000～4 000 m3/h的機泵，2 000 m3/h的水量調整必須一停一開，小水量調節受到局限，因此若在楊廠中挑選1-2部機泵作為今后變頻改造對象，對楊廠的調度調節能力將會有很大的提高。

明年，羅涇水廠即將投產運行，因此寶山供水格局又將發生變化，在月浦變頻恒壓控制的基礎上進一步研究寶山今后的調度模式，使公司整體的運行更加安全、合理、經濟。