增壓泵站建設(shè)的節(jié)能降耗分析

徐偉忠

(吳江華衍水務(wù)有限公司，江蘇蘇州 215200)

2007年，整個吳江區(qū)域供水格局由1個廟港水廠加上數(shù)十個鄉(xiāng)鎮(zhèn)小水廠組成。各個小水廠之間各自為政，互相獨(dú)立，無論從水質(zhì)方面，還是供水安全方面均得不到保障。隨著吳江區(qū)域供水發(fā)展不斷向前推進(jìn)，管網(wǎng)逐步完善，2008年廟港水廠二期工程建設(shè)投運(yùn)，再到2013年第二水廠一期工程竣工并網(wǎng)投運(yùn)，整個吳江區(qū)域的供水格局初步形成。越來越多的鄉(xiāng)鎮(zhèn)小水廠，因設(shè)備老舊、工藝落后等逐步關(guān)停，這是水質(zhì)保障的必經(jīng)之路，勢在必行。但是整個吳江的供水區(qū)域較廣，供水量又在逐年提高，市政管網(wǎng)的壓力不能滿足桃源、蘆墟、北厙等邊遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)用戶的水壓需求，這就要求在中途采用增壓泵站進(jìn)行二次加壓。

以往增壓泵站二次加壓的形式，多采用水庫蓄水后，經(jīng)過水泵機(jī)組抽取水庫清水的方式進(jìn)行增壓。該方式的優(yōu)點(diǎn)，在于在管網(wǎng)總管水量不足的情況下，各個增壓泵站具有一定的蓄水調(diào)壓能力，便于整個調(diào)度中心的供水調(diào)度。但是這種增壓模式的缺點(diǎn)也顯而易見，由于需進(jìn)入清水庫，會給清水帶來二次污染的風(fēng)險，且采用進(jìn)入清水庫再用水泵機(jī)組抽取的形式，對能耗的損失很大。因此，在對黎里、梅堰、南麻泵站改造時，出于節(jié)能降耗方面考慮，結(jié)合整個吳江區(qū)域供水水量的預(yù)估和分析，摒棄了以往清水庫蓄水再增壓的形式，充分利用管網(wǎng)余壓節(jié)約能源，設(shè)計(jì)采用管網(wǎng)直接管道串聯(lián)疊壓供水。

另外，整個吳江的供水區(qū)域達(dá)到1 176 km2，供水管網(wǎng)近4 000 km，從一、二水廠到最遠(yuǎn)端鄉(xiāng)鎮(zhèn)邊遠(yuǎn)用戶直線距離將近35 km，管網(wǎng)距離預(yù)計(jì)超過50 km。為了避免末梢水出現(xiàn)水質(zhì)安全事故，必須提高一、二水廠余氯的投加量，盡量提高出廠水的余氯值。然而加大余氯投加量，會導(dǎo)致很大的副作用，消毒劑氯其實(shí)是一把雙刃劍，在消毒的同時，也生成有害物質(zhì)，因此，投加的量就起到十分關(guān)鍵的作用。在設(shè)計(jì)建設(shè)增壓泵站選址時，結(jié)合最佳補(bǔ)加余氯位置以及增壓泵站節(jié)能兩個綜合因素，確定了黎里、梅堰、南麻增壓泵站選址。

1 管道串聯(lián)疊壓供水對于節(jié)能降耗的貢獻(xiàn)分析

吳江區(qū)域供水的經(jīng)歷：最初是1個水廠和數(shù)十個小水廠分別制水的供水模式；隨后是一個水廠制水，數(shù)十個小水廠充當(dāng)小型增壓泵站的供水模式；再到現(xiàn)階段“兩水廠，五泵站”的供水格局。無論從安全可靠方面，還是節(jié)能降耗方面均得到了長足的進(jìn)步，特別是管道串聯(lián)疊壓供水增壓泵站的建設(shè)對于節(jié)能降耗的貢獻(xiàn)功不可沒。

1.1 串聯(lián)疊壓供水模式分析

以黎里增壓泵站為例，通過調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)分析，對水泵進(jìn)行科學(xué)選型，保留原來的3臺110 kW水泵機(jī)組，新增1臺132 kW水泵機(jī)組，搭配“兩變頻兩工頻”的控制方式[1]，3用1備(圖1)。根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行搭配使用，盡可能提供給調(diào)度中心更多的調(diào)壓方案，使水泵機(jī)組均能始終保持在電機(jī)高效區(qū)段工作。

圖1 梅堰增壓泵站管道串聯(lián)疊壓供水示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Water Supply of Meiyan Booster Pump Station Pipeline in Series

水泵機(jī)組串聯(lián)在管道上，利用管道內(nèi)的壓力，通過水泵機(jī)組直接進(jìn)行增壓，提高水泵機(jī)組后段的管道壓力，滿足供水需求[2]。

(1)當(dāng)自來水管網(wǎng)的水壓滿足用戶需求，即管網(wǎng)壓力大于或等于設(shè)定壓力時，自控系統(tǒng)會自動控制增壓水泵機(jī)組停止工作，自來水可以通過旁通管直接到達(dá)用水點(diǎn)。

(2)當(dāng)自來水管網(wǎng)水壓不能滿足用戶需求時，壓力傳感器向PLC控制柜發(fā)出壓力信號，PLC控制系統(tǒng)自動啟動水泵機(jī)組加壓供水，且為了達(dá)到要求的壓力，實(shí)時進(jìn)行變頻，直至實(shí)際供水壓力等于設(shè)定壓力。

(3)用水高峰期間，泵站出口壓力下降。當(dāng)降到低于設(shè)定出口壓力值時，后端壓力傳感器發(fā)出信號給PLC，自控系統(tǒng)控制變頻器升高頻率，水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增加，出水量和壓力均隨之上升，直至增壓泵站出口壓力等于設(shè)定出口壓力值。

(4)用水低谷期間，出泵站流量計(jì)流量降低，增壓泵站出口壓力上升。當(dāng)高于設(shè)定壓力值時，出站壓力變送器發(fā)送信號給PLC，自控系統(tǒng)控制變頻器降低頻率，使出站實(shí)際壓力值等于設(shè)定壓力值；變頻低于一定值時，水泵機(jī)組自動停止工作，自來水直接通過旁通管道到達(dá)用戶。

(5)如遇突發(fā)停電情況時，水泵停止工作后，自來水直接通過旁通管道過站到達(dá)用戶，保證部分用戶用水；來電時，水泵機(jī)組根據(jù)實(shí)際需要，自動開機(jī)，恢復(fù)所有用戶供水。

1.2 管道串聯(lián)疊壓供水模式節(jié)能降耗分析

如增壓泵站不利用管網(wǎng)余壓，采用水庫進(jìn)水模式時，如式(1)[1,3]。

E≈QH-(QHe+tΔQΔH)=(Q-tΔQ)ΔH

(1)

其中：E——節(jié)省的能耗，kW·h；

Q——總水量，m3；

H——市政管網(wǎng)起點(diǎn)的壓力，Pa；

He——設(shè)增壓泵站后，管網(wǎng)起點(diǎn)的壓力，Pa；

ΔQ——增壓泵站增壓水量，Pa；

ΔH——提升水壓，ΔH=H-He，Pa；

t——年運(yùn)行率。

由式(1)可知，設(shè)立增壓泵站后，節(jié)省的能耗與增壓泵站所需提升的水壓和出站水流量的乘積成正比。增壓泵站考慮利用管網(wǎng)余壓，采用管道串聯(lián)疊壓供水，進(jìn)站壓力為Ht時，節(jié)省的能量為(Q-tΔQ)ΔH+ΔQHt。以黎里增壓泵站為例，供水量約55 000 m3/d，泵站進(jìn)水壓力為0.017～0.073 MPa，新增黎里增壓泵站每年可以節(jié)省水廠電費(fèi)約11萬元，而采用管道串聯(lián)疊壓供水模式，又比傳統(tǒng)水庫蓄水模式節(jié)省電費(fèi)約4萬元。

2 增壓泵站選址對電耗及藥耗的貢獻(xiàn)分析

2.1 增壓泵站選址對節(jié)約電耗方面的貢獻(xiàn)分析

采用管道串聯(lián)疊壓供水方式，主要目的是充分利用城市管網(wǎng)余壓，降低水泵揚(yáng)程，從而節(jié)省電耗。但每個地區(qū)可供利用的管網(wǎng)余壓有限，若地處市政管網(wǎng)的末梢，余壓較小，可供利用的壓力很小，也就失去管道串聯(lián)疊壓供水的意義。且管道串聯(lián)疊壓供水方式對管網(wǎng)水量要求較高，如果水量不能滿足需求，會造成增壓泵站進(jìn)站局部用水用戶的壓力降低，甚至無水可用。綜合考慮這兩個方面，在黎里、梅堰、南麻3個增壓泵站的選址上做充分的調(diào)研。

黎里增壓泵站日進(jìn)、出站水壓力如圖2所示。黎里泵站5 km內(nèi)無集中的大規(guī)模用水用戶群，滿足管道串聯(lián)疊壓供水方式的選址要求。另外，黎里增壓泵站正好位于第一水廠與遠(yuǎn)端蘆墟、北厙、金家壩3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的中間位置，實(shí)際運(yùn)行時，黎里增壓泵站的建設(shè)投運(yùn)，對東區(qū)供水管網(wǎng)壓力的保障起到關(guān)鍵作用。

圖2 2016年1月29日黎里增壓泵站進(jìn)、出水壓力Fig.2 Inflow and Outflow Water Pressure of Lili Booster Pump Station on January 29, 2016

梅堰增壓泵站日進(jìn)、出站水壓力如圖3所示。設(shè)立的梅堰增壓泵站，聯(lián)合新建的盛澤增壓泵站，直接可確保平望、梅堰等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的壓力穩(wěn)定，且由于盛澤增壓泵站與梅堰增壓泵站的合作，老的平望水廠、端市增壓站、梅堰水廠、盛澤水廠，進(jìn)入關(guān)停階段。梅堰增壓泵站的建設(shè)，無論是供水安全的可靠性，還是人員編制的精簡性均功不可沒。

圖3 2016年1月29日梅堰增壓泵站日進(jìn)、出站水壓力Fig.3 Inflow and Outflow Water Pressure of Meiyan Booster Pump Station on January 29, 2016

針對西南區(qū)銅鑼、青云、桃源3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)壓力不足的問題，南麻增壓泵站選址時，正好位于第一水廠與西南區(qū)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間。南麻增壓泵站進(jìn)站水壓力在建設(shè)初期暫時較低，如果采用管道串聯(lián)疊壓供水模式，易造成進(jìn)站前段管網(wǎng)產(chǎn)生負(fù)壓，對前段用戶用水造成影響，不適宜采用管道串聯(lián)加壓供水模式。但是通過分析管網(wǎng)改造及建設(shè)規(guī)劃，以及南麻增壓泵站前段用戶分布，從長遠(yuǎn)發(fā)展考慮，針對初期可能出現(xiàn)的進(jìn)站水壓力過低的問題，可采取適當(dāng)控制出口壓力的方式，盡量滿足遠(yuǎn)端銅鑼、青云、桃源3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)壓力需求的同時，照顧南麻增壓泵站管網(wǎng)前端用戶的壓力需求。同時，S258省道1 400 mm管道在2015年年底正式竣工并網(wǎng)，徹底解決南麻增壓泵站進(jìn)站管網(wǎng)壓力過低的困擾。

綜合以上，黎里、梅堰、南麻增壓泵站的選址，充分考慮了管網(wǎng)余壓及末梢供水壓力需求等多方面因素，在保障安全穩(wěn)定供水前提下，盡可能節(jié)省電耗。

由圖4可知，2014年黎里、梅堰、南麻增壓泵站建成投運(yùn)之后，生產(chǎn)運(yùn)行部整個電單耗從281 kW·h/(kt水)降至268 kW·h/(kt水)。因此，黎里、梅堰、南麻增壓泵站的建設(shè)對節(jié)省電耗方面的幫助是確實(shí)有據(jù)的。

圖4 電單耗變化曲線Fig.4 Change Curve of Power Consumption

2.2 增壓泵站選址對節(jié)約藥耗方面的貢獻(xiàn)分析

為了避免末梢水出現(xiàn)水質(zhì)安全事故，必須提高一、二水廠余氯的投加量，盡量提高出廠水的余氯值，然而客戶的投訴量也隨之增多。余氯值提高對距離水廠較近的用戶有很大的影響，較高的余氯值，會影響自來水的口感，客戶的投訴不可避免，更為重要的是，氯氣起消毒作用的同時，還存在很大的副作用。因此，消毒劑氯的投加的量起到十分關(guān)鍵的作用。同時，藥耗每年均是制水成本中的重要組成部分，因此，在設(shè)計(jì)建造黎里、梅堰、南麻增壓泵站時，需采集黎里、梅堰、南麻3個泵站在第一水廠正常氯投加量的前提下的余氯數(shù)據(jù)。

通過數(shù)據(jù)分析可知，梅堰泵站余氯值由于距離第一水廠較近，完全滿足且高于《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)的消毒指標(biāo)要求，因此，梅堰增壓泵站無需補(bǔ)加氯；而黎里、南麻在夏天溫度高時，必須進(jìn)行補(bǔ)加氯，以使東區(qū)蘆墟、北厙、金家壩和西南區(qū)銅鑼、青云、桃源這些邊遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的余氯值滿足GB 5749—2006的消毒指標(biāo)要求。

圖5 2016年2月20日—2月29日桃源余氯數(shù)據(jù)關(guān)系圖Fig.5 Data Relationship of Residual Chlorine in Taoyuan during February 20 to 29, 2016

由圖5可知，2月25日開始，停止南麻增壓泵站補(bǔ)加次氯酸鈉設(shè)備的運(yùn)行后，可明顯看出2月25日—29日，桃源作為管網(wǎng)末梢的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，余氯值有很大的降低，且余氯的下降值隨著溫度的升高而增大；反之，通過對南麻增壓泵站補(bǔ)投加次氯酸鈉，可以有效提高桃源的余氯值，達(dá)到規(guī)定要求。因此，第一水廠余氯值保持在科學(xué)范圍的同時，依靠黎里和南麻增壓泵站的補(bǔ)加氯，可以有效解決東區(qū)及西南區(qū)邊遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)對消毒指標(biāo)要求的問題。2014年，黎里、梅堰、南麻增壓泵站投運(yùn)之后，對第一水廠余氯投加量降低起到關(guān)鍵作用，同時徹底解決了余氯值過高，投訴增高、成本浪費(fèi)和余氯值過低，又滿足不了邊遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水客戶對水質(zhì)要求的矛盾[4]。

3 結(jié)論

在整個整改過程中，充分考慮各種因素，包括選址上考慮電耗因素、原有廢棄停用泵房改造從而降低土建費(fèi)用、自控系統(tǒng)與安防監(jiān)控系統(tǒng)取長補(bǔ)短的有效結(jié)合、補(bǔ)加氯的改造考慮對藥耗的節(jié)省。

黎里、梅堰、南麻增壓泵站改造建設(shè)案例中，采用的管道串聯(lián)疊壓供水模式，也是一種新型供水模式的嘗試。從這個案例可以看出，一切新的模式或者新的技術(shù)產(chǎn)生，其本身并無對錯，用的好與壞，完全取決于是否考慮周全，充分調(diào)查和分析各種背景數(shù)據(jù)。實(shí)際電耗數(shù)據(jù)和整個邊遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)壓力數(shù)據(jù)已經(jīng)證明，這是一次成功的嘗試，對降低制水電單耗和提高供水服務(wù)質(zhì)量，有很大的幫助。

同時，需注意未來用水量的變化趨勢，審時度勢布局管網(wǎng)或水廠，管道串聯(lián)疊壓供水模式并不是萬能的模式，它在現(xiàn)有的吳江區(qū)域供水環(huán)境以及未來數(shù)年里可能均有效。但是如果實(shí)際供水情況發(fā)生變化，管道串聯(lián)疊壓供水的模式已經(jīng)不再適宜將來的供水環(huán)境時，應(yīng)該果斷改變。