淺談飲用水供水系統(tǒng)節(jié)能管理

文 _ 石巍 肖文京 王春立 馮利慧 劉金亮

北京天壇生物制品股份有限公司

淺談飲用水供水系統(tǒng)節(jié)能管理

文 _ 石巍 肖文京 王春立 馮利慧 劉金亮

北京天壇生物制品股份有限公司

1 運(yùn)行現(xiàn)狀

公司現(xiàn)用生活飲用水供水系統(tǒng)主要由水泵機(jī)組、變頻控制柜、壓力儀表、管路系統(tǒng)等構(gòu)成。變頻柜由變頻調(diào)節(jié)器、PLC（或變頻控制器）、低壓電器等構(gòu)成。系統(tǒng)包括功率為22kW供水泵3臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)小泵），功率為45kW供水泵1臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)大泵），其中45kW水泵一直為備用狀態(tài)。

系統(tǒng)正常工作狀況下，采用3臺(tái)22kW水泵變頻加壓供水。首先，1臺(tái)變頻供水，供水壓力不足時(shí)，先開(kāi)的泵轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，變頻控制再軟啟動(dòng)第2臺(tái)泵；若壓力還不夠，第2臺(tái)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，變頻控制再啟動(dòng)第3臺(tái)；若用水量減少，按啟動(dòng)順序依次停止工頻泵，直到最后一臺(tái)變頻恒壓供水。

公司近幾年用水量趨勢(shì)11000001000000 900000800000 2010年 2011年 2012年2013年預(yù)計(jì)

2 存在問(wèn)題

在班組實(shí)際運(yùn)行工作中發(fā)現(xiàn)3臺(tái)22kW水泵運(yùn)行過(guò)程中頻繁出現(xiàn)啟停現(xiàn)象，有時(shí)甚至導(dǎo)致壓力報(bào)警。同時(shí)，供水單耗居高不下，不但工作強(qiáng)度增加，而且能源消耗也隨之增大。

由于公司生活飲用水供應(yīng)系統(tǒng)既供應(yīng)生產(chǎn)用水，又供應(yīng)生活用水，因此造成供水流量波動(dòng)較大。這也就導(dǎo)致我們之前所說(shuō)的，供水過(guò)程中壓力不穩(wěn)定導(dǎo)致頻繁啟停，以至于超壓報(bào)警的現(xiàn)象頻發(fā)。由于水泵的頻繁啟停和超負(fù)荷的工作狀態(tài)，造成設(shè)備損壞和能源的浪費(fèi)。

3 解決方案

3.1 實(shí)際用量分析

公司近幾年供水量趨勢(shì)如圖1。

公司近年通過(guò)節(jié)能減排、降本增效等強(qiáng)有力的管理，大規(guī)模浪費(fèi)情況基本杜絕。但因用水性質(zhì)和特點(diǎn)決定了公司瞬時(shí)供水量仍然波動(dòng)較大，供水量變化較大時(shí)間大致在白天生產(chǎn)生活比較密集時(shí)間，故我們針對(duì)8：00–17∶00進(jìn)行有針對(duì)性的測(cè)試（隨機(jī)統(tǒng)計(jì)2010～2012年供水量），具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

通過(guò)表1數(shù)據(jù)表明，公司供水高峰期大致在上午8∶00－11∶00，最高用水量不超過(guò)200t/h。

3.2 供水系統(tǒng)分析

供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門(mén)開(kāi)度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖2所示。

由圖2可以看出，流量Q越大，揚(yáng)程H越小。由于在閥門(mén)開(kāi)度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶(hù)的用水情況，因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程H與用水流量Q間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門(mén)在某一開(kāi)度下，揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系。管阻特性反映了水泵的能量用來(lái)克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。在同一閥門(mén)開(kāi)度下，揚(yáng)程H越大，流量Q也越大。由于閥門(mén)開(kāi)度的改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)向用戶(hù)的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量之間的關(guān)系。揚(yáng)程特性曲線(xiàn)和管阻特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)，稱(chēng)為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖2中A點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶(hù)的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿(mǎn)足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 改造方案制定

結(jié)合以上分析，我們針對(duì)現(xiàn)階段公司供水實(shí)際情況，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，調(diào)整原有供水設(shè)備，摸索嘗試了一套新的供水方式。

根據(jù)公司實(shí)際供水量分析數(shù)據(jù)可以看出，供水每小時(shí)的最大流量不超過(guò)200m3。所以，我們嘗試將原有作為備用使用的水泵，即功率為45kW、揚(yáng)程為50m、流量為200m3/h的供水泵作為工作水泵；將3臺(tái)功率為22kW、揚(yáng)程為50m、流量為100m3/h的供水泵作為備用泵。并且從新調(diào)整大泵的供水參數(shù)及設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。如圖3。

本次設(shè)計(jì)方案的變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由變頻器、水泵、電動(dòng)機(jī)、壓力傳感器、管道和閥門(mén)等構(gòu)成。變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過(guò)計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率使水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增大，從而使實(shí)際供水壓力提高，在運(yùn)行過(guò)程中該過(guò)程將被重復(fù)，直到實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果運(yùn)行過(guò)程中實(shí)際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會(huì)降低，水泵的轉(zhuǎn)速減小，實(shí)際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等。

圖3 變頻恒壓控制原理圖

表1

表2

表3 2010、2012、2013年1～10月份用水量及能耗表

4 節(jié)能效益分析

4.1 改造后實(shí)際供水情況

本次技術(shù)改造后，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可見(jiàn)，改造后單獨(dú)1臺(tái)大泵足可以滿(mǎn)足公司現(xiàn)階段生產(chǎn)生活用水量，而且供水壓力安全、穩(wěn)定。

4.2 單位能耗供水量對(duì)比

通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)比較，單獨(dú)運(yùn)行1臺(tái)大泵照比以前3臺(tái)小泵的運(yùn)行方式，單位能耗供水量對(duì)比見(jiàn)表3。

4.3 節(jié)能量計(jì)算：

根據(jù)表3可知，2013年平均每立方米比2012年節(jié)電13%，如果全年預(yù)計(jì)供水量按90萬(wàn)m3計(jì)算，2013年全年供水節(jié)電量約為12150 kWh。

按照1元/kWh計(jì)算，全年將節(jié)約電費(fèi)1.2萬(wàn)元。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)飲用水供水系統(tǒng)運(yùn)行方式的調(diào)整，在不增加額外資金投入的情況下，充分利用現(xiàn)有設(shè)備，調(diào)整運(yùn)行方式，解決了由于公司生活飲用水使用波動(dòng)較大對(duì)供水系統(tǒng)的影響，避免了因使用波動(dòng)導(dǎo)致水泵、管道等安全隱患，保證了供水的安全穩(wěn)定，改造后，年供水單耗大幅度降低，起到了較好的節(jié)能降耗的作用。

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