原水泵站控制系統改造與效益分析

柳佳瑛

(上海城投原水有限公司黃浦江原水廠，上海201114)

1 項目概況

黃浦江原水廠臨江泵站一泵房屬于青草沙原水供水系統的中下游，主要供應長橋水廠和徐涇泵站，供水量約為200×104m3/d。泵房內有大型電機6臺，分別為異步機組3臺(串級調速控制)和同步機組3臺(勵磁控制)，額定電壓均為6000 V。實際運行中，最高揚程為9 m，平均揚程為3.75 m，主要技術參數見表1。

表1 電機技術參數

該泵房自1987年建廠通水至今已運行30余年，機泵本體、葉輪和電氣控制裝置均幾經改造升級，但電機本體從未更新(除2015年將異步2#電機的額定功率由原來的1 600 kW更新改造為1 200 kW)。隨著使用年限的不斷增加，目前存在的主要缺陷與不足如下。

① 電機的絕緣性能已顯著下降，且該泵房電機30年前的設計絕緣等級標準為B級，而目前大部分大型電機的絕緣等級標準為F級，存在一定的安全隱患。依靠定期的大檢修和電氣檢測保障安全運行，達不到本質安全的要求。

② 隨著青草沙系統的投運，運行工況較過去臨江頭部或大橋泵站取水有很大的改變。經過近幾年的運行與摸索，調量的要求越來越高，調速范圍較大，目前的調速控制裝置已經很難滿足需求，整體水量控制比較困難。

2 同步3#控制系統改造前的運行情況

目前臨江一泵房有兩路35 kV進線電源，每段母線下分別有3臺機組。由于外電網可能發生單路失電、電網波動等故障，出于安全考慮，通常會在兩段母線上分別運行1臺機泵，以防止整個泵站停水。

但兩段母線下的機泵調速能力不同，6 m揚程下的平均流量見表2。

表2 機泵平均流量

由表2可以看出，在機泵搭配時：

① 供水量在37 000～39 000 m3/h時，開啟1臺流量最大的異步3#機泵，水量不夠；同時開啟2臺調速機泵且全部最低速運行，水量會偏大。

② 供水量在33 000～37 000 m3/h時，只有開啟1臺異步3#機泵方能滿足水量需求。

③ 除異步3#機泵外，其他2臺調速機泵搭配同步機組運行時的調量范圍小，低于52 000 m3/h時無法滿足調量的需求。

④ 除了異步3#機泵，雖然同時運行異步1#、異步2#機泵的調量范圍較1臺調速搭配1臺同步機組時大，但是2臺機泵都處于Ⅰ段上，發生外電網故障可能全部跳車，無法保證安全供水。

綜上所述，只有搭配異步3#機泵，才能最大程度滿足目前的水量供應需求。因此，6臺機泵中異步3#機泵的運行時間最長，見表3。

表3 各臺水泵的全年運行時間 h

從表3可以看出，近3年同步機組的利用率極低，異步3#的運行時間分別占全年運行時間的97%、91%和89%。該機組的長期運行，一方面造成機泵和控制設備的元器件老化加快，一旦發生故障，調節水量極為困難；另一方面，其他機組的使用率低，尤其是同步機組，存在資源浪費的情況。

綜合分析認為，優先將臨江一泵房同步3#電機及其控制系統改造為變頻調速系統。

考慮到目前變頻器節能主要表現在風機、水泵的應用上。風機、泵類負載采用變頻調速后，節電率為20%～60%，這是因為風機、泵類負載的實際消耗功率基本與轉速的三次方成正比。當用戶需要的平均流量較小時，風機、泵類采用變頻調速使轉速降低，節能效果非常明顯。而傳統的風機、泵類采用擋板和閥門進行流量調節，電動機轉速基本不變，耗電功率變化不大[1]。

3 同步3#控制系統改造后的運行情況

將同步3#機組的控制系統由勵磁控制改造為變頻控制、對應的電動機改為異步電機后，2020年3月正式投運，主要技術參數見表4。

表4 改造后的運行參數

根據運行情況，改造后的同步3#機組的水量調節為12 000～32 500 m3/h。

3.1 調量范圍

變頻調速機組投運后，擴大了調量范圍，同時開啟I段上的調速機組(異步1#或異步2#)以及II段上的同步3#機組，能滿足31 000～65 500 m3/h的水量需求。

該機組的投運，解決了原機組搭配時水量調節范圍的矛盾，減少了異步3#機組的運行時間，起到了優化調度的作用。兩段母線各運行1臺機組，也保障了抗外界環境變化的安全性。

3.2 節能降耗

2019年同步3#機組進行改造，開泵時間少且該年部分數據為改造后的調試數據。因此，選取2017年和2018年的運行數據，與改造后的同步3#機組變頻運行數據對比，見表5。

此外，選取臨江泵站一泵房在同步3#機組改造前后，其投運時的運行數據作對比，見表6。

由表5和表6可以看出，改造后同步3#機組的電基數明顯下降，實現了一定的節能效果。

表5 同步3#機組改造前后運行對比

表6 同步3#機組改造前后的運行數據

4 效益分析

根據今年的水量需求(18 709×103m3)，由表5可計算得出每月同步3#機組可節約電量57 249.54 kW·h左右，以平均電價0.736元/kW·h計，每年可節約電費約50.56萬元。

5 結語

改造完成后變頻機組的投運，極大地平衡了兩段供電與供水能力，提高了機泵利用率，優化了調度。更換新電機后，老舊設備的運行風險降低。此外，變頻機組的電基數較同步機組明顯下降，起到了一定的節能作用。