水廠二泵房能效監(jiān)控平臺(tái)在優(yōu)化供水調(diào)度中的應(yīng)用

崔 昱，鄒 琳，張 明，李 帥，陳柯柯

(無(wú)錫市水務(wù)集團(tuán)有限公司，江蘇無(wú)錫 214000)

水是生命之源，供水行業(yè)是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重要行業(yè)。隨著國(guó)家大力倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保，供水行業(yè)對(duì)其運(yùn)行成本的控制提出更高的要求。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電耗是供水企業(yè)運(yùn)行成本的最大組成部分，而水泵運(yùn)行電耗又占據(jù)企業(yè)電耗的80%[1]。以W市水司下屬4座水廠的運(yùn)行成本為例：2018年這4座水廠總生產(chǎn)運(yùn)行成本(不含人工、設(shè)備維修和折舊等)約為10 000萬(wàn)元，其中，電力成本為8 600萬(wàn)元，電力成本中僅泵房電力成本就有7 000萬(wàn)元。因而，如何降低水泵的電耗就成為控制供水企業(yè)運(yùn)行成本的關(guān)鍵所在。

目前，供水企業(yè)中普遍使用的水泵節(jié)能措施：(1)變頻調(diào)速，通過(guò)改變電機(jī)電流頻率的方法改變水泵轉(zhuǎn)速，使水泵在一定的水量?jī)?nèi)高效運(yùn)行，同時(shí)，對(duì)電機(jī)本身起到較好的保護(hù)效果；(2)葉輪切削，通過(guò)切削水泵葉輪外徑的方法改變水泵高效工況點(diǎn)；(3)科學(xué)調(diào)度，通過(guò)對(duì)泵房機(jī)組運(yùn)行模式的數(shù)據(jù)分析，在不同的供水流量和管網(wǎng)壓力情況下，選取合適的頻率組合，達(dá)到提高水泵效率節(jié)約能源的目的[2-4]。

一般評(píng)價(jià)泵房能效的主要指標(biāo)有千噸水電耗和配水單位電耗。千噸水電耗計(jì)算簡(jiǎn)單，但不能反映電耗與水泵出水壓力的關(guān)系；而配水單位電耗計(jì)算雖較復(fù)雜，但能更準(zhǔn)確地反映電耗與水泵出水壓力的關(guān)系。因此，文中著重闡述以配水單位電耗為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，搭建W市水司二泵房能效監(jiān)控平臺(tái)的過(guò)程，通過(guò)運(yùn)用能效監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行能效分析，試圖探索出最佳的調(diào)度方案，以最省的投入達(dá)到最佳的調(diào)度效果。

1 W市水司調(diào)度模式

2018年W市水司平均日供水量為127.71萬(wàn)m3，其下屬A、B、C、D 4座水廠的水量分配遵循“以需定銷、以銷定產(chǎn)”的原則由公司調(diào)度，根據(jù)全市管網(wǎng)測(cè)壓點(diǎn)壓力反饋調(diào)節(jié)。目前，公司調(diào)度結(jié)合常年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)主要測(cè)壓點(diǎn)設(shè)置合理上下限值、控制實(shí)際壓力于限值的方式，以滿足城市供水需求。這種調(diào)度方式是以合理科學(xué)的管網(wǎng)壓力反推出廠水壓力，而水廠的某一出廠水壓力值，可采用多種水泵組合方式。如何選擇合適水泵并達(dá)到優(yōu)化組合的目的，成為水司節(jié)能降耗的關(guān)鍵。W市水司主要依靠調(diào)度人員的主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行決策，即人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)度。人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)度的方式存在多種不確定性，一致性和穩(wěn)定性較差，常常會(huì)出現(xiàn)不合理的調(diào)度方式，導(dǎo)致電耗升高、能量浪費(fèi)。

2 二泵房能效監(jiān)控平臺(tái)搭建

由于A、B、C、D 4座水廠二泵房能效監(jiān)控平臺(tái)搭建方式相似，文中以4座水廠中B水廠為例，介紹B水廠二泵房能效監(jiān)控平臺(tái)的搭建與應(yīng)用，其余水廠能效監(jiān)控平臺(tái)搭建過(guò)程不再贅述。

2.1 平臺(tái)架構(gòu)

二泵房能效監(jiān)控平臺(tái)以能效計(jì)算書為理論依據(jù)，通過(guò)將流量?jī)x、壓力表、液位計(jì)等在線儀表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在調(diào)度前置機(jī)中，運(yùn)用SQL Server、C#、H5等技術(shù)將公式編程后，計(jì)算得出水廠泵房實(shí)時(shí)能效數(shù)據(jù)，最終實(shí)時(shí)展示在調(diào)度系統(tǒng)中。

2.2 B水廠二泵房泵房

B水廠二泵房并排設(shè)置8臺(tái)水泵如圖1所示。8臺(tái)水泵出水管為DN1000鋼管，8根出水管匯合成2根DN1800出水管，在出水總管上有K1、K2這2個(gè)聯(lián)絡(luò)閥。8臺(tái)水泵出水管上單獨(dú)安裝壓力表，但無(wú)流量?jī)x。在2根出水總管上分別安裝流量?jī)x、壓力表。

圖1 B水廠二泵房平面布置Fig.1 Layout of Secondary Pumping Station in WTP B

8臺(tái)水泵的具體參數(shù)如表1所示，1#～7#型號(hào)相同，額定流量為5 600 m3/h，揚(yáng)程為45 m，其中，1#、4#、6#、7#為變頻泵，2#、3#、5#為定速泵。8#為小泵，額定流量為3 500 m3/h，揚(yáng)程為34 m。

表1 B水廠水泵參數(shù)Tab.1 Pump Parameters of WTP B

二泵房高程布置如圖2所示，吸水井池底標(biāo)高為-1.000 m，池頂標(biāo)高為5.200 m。水泵進(jìn)水管為DN1200，出水管為DN1000，共8根，管中心標(biāo)高為1.500 m。2根出廠總管的管頂安裝有壓力表，壓力表安裝高度為L(zhǎng)(絕對(duì)高度)，L1=3.150 m，L2=3.236 m。

圖2 B水廠二泵房高程布置Fig.2 Elevation Layout of Secondary Pumping Station in WTP B

2.3 參數(shù)設(shè)定

為便于計(jì)算，B水二泵房各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定：出廠1號(hào)總管壓力為P1，流量為Q1；2號(hào)總管壓力為P2，流量為Q2；二泵房1#～8#泵流量為q1～q8；1#～8#泵電量為w1～w8，總電量計(jì)算如式(1)；吸水井液面標(biāo)高為M；單泵計(jì)算水損為h1～h8；1、2號(hào)出廠總管計(jì)算水損為hA、hB。

(1)

其中：W總——總電量，kW·h；

wi——第i#泵的電量，kW·h。

2.4 計(jì)算公式

配水單位電耗是指供水企業(yè)在供水壓力為1 MPa的條件下，水泵取水或供水量為1 000 m3的耗能指標(biāo)，計(jì)算如式(2)。

(2)

其中：e——配水單位電耗，kW·h/(km3·MPa)；

W——某時(shí)段內(nèi)水泵消耗的電能，kW·h；

Q——同一時(shí)段水泵的提升水量，m3；

H——同一時(shí)段水泵的揚(yáng)程，m。

2.4.1 二泵房配水電耗

B水廠二泵房有2根出廠總管并分別對(duì)應(yīng)安裝有出廠壓力表及流量計(jì)，式(2)可轉(zhuǎn)化為式(3)。

(3)

其中：Q1——同一時(shí)段通過(guò)1號(hào)總管的流量，m3；

H1——與Q1對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程，m；

Q2——同一時(shí)段通過(guò)2號(hào)總管的流量，m3；

H2——與Q2對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程，m。

式(3)中W、Q1、Q2均可通過(guò)在線儀表讀數(shù)得到，故二泵房配水電耗的計(jì)算就轉(zhuǎn)化為H1、H2的求解過(guò)程。H1、H2計(jì)算方法相同，以下僅介紹H1計(jì)算方法,如式(4)。

H1=P1×102+L1-M+hA

(4)

其中：P1——出水壓力表1的讀數(shù)，MPa；

L1——出廠總管壓力表安裝高度，m；

M——吸水井液面高度，吸水井井底標(biāo)高(-1 m)+水深，m；

hA——從水泵喇叭口至出廠總管壓力表的水頭損失，m,計(jì)算如式(5)。

(5)

其中：A——管道比阻，s2/m6；

QA——通過(guò)管道的瞬時(shí)流量，m3/h；

L——管道長(zhǎng)度，m；

ε——局部水頭損失系數(shù)；

v——管道中流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2。

由《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》[5]可知A和ε，代入式(6)可得單泵水損hn(從泵前喇叭口至泵后三通)。

(6)

其中：hn——單泵計(jì)算水損，m；

V1、V2、V3、V4——各管徑下的流速，m/s；

qn——單泵流量，m3/h；

A1——泵前DN1200鑄鐵管比阻，s2/m6；

A2——泵后DN1000鑄鐵管比阻，s2/m6；

L1——泵前DN1200鑄鐵管長(zhǎng)度，m；

L2——泵后DN1000鑄鐵管長(zhǎng)度，m。

總水頭損失計(jì)算如式(7)。

(7)

其中：hA——1號(hào)出廠總管從水泵喇叭口至出廠總管壓力表的水頭損失，m;

A3——泵后DN1800鑄鐵管比阻，s2/m6；

Q1——通過(guò)1號(hào)總管的流量，m3/h；

Q2——通過(guò)2號(hào)總管的流量，m3/h；

L3——泵后DN1800鑄鐵管長(zhǎng)度，m。

若安裝單泵流量計(jì)的水泵，qn可用實(shí)際讀數(shù)，但B水廠因不具備安裝流量計(jì)的條件，qn無(wú)法得到，因而可采用估算方法計(jì)算qn。B水廠二泵房1#～7#泵型號(hào)相同，僅有變頻和工頻區(qū)別，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可假設(shè)當(dāng)有變頻泵開啟時(shí)，1#、4#、6#、7#變頻泵流量相同，2#、3#、5#定速泵按額定流量為5 600 m3/h計(jì)算，8#定速泵按額定流量為3 500 m3/h計(jì)算。當(dāng)無(wú)變頻泵開啟時(shí)，假設(shè)2#、3#、5#定速泵流量一樣，8#定速泵按額定流量為3 500 m3/h計(jì)算。qn的計(jì)算如式(8)～式(9)，X、Y、Z均可由系統(tǒng)自動(dòng)獲取。

(8)

(X=0)(9)

其中：X——1#～7#泵中變頻泵開啟臺(tái)數(shù)；

Y——定速泵開啟臺(tái)數(shù)；

Z——8#泵開啟關(guān)閉系數(shù)(開啟時(shí)值為1，關(guān)閉時(shí)值為0)。

代入各項(xiàng)數(shù)據(jù)，hA可簡(jiǎn)化為式(10)～式(11)。當(dāng)X>0時(shí)，即變頻泵開啟；當(dāng)X=0時(shí)，即無(wú)變頻泵開啟。

(X>0)(10)

(X=0)(11)

2.4.2 單泵配水電耗

B水廠二泵房由于建造年代久遠(yuǎn)未安裝單泵流量計(jì)，單泵能效的計(jì)算可通過(guò)關(guān)閉聯(lián)絡(luò)閥K1或K2，以總管流量?jī)x來(lái)計(jì)量單泵流量，具體計(jì)算如下。

當(dāng)聯(lián)絡(luò)閥K1開啟K2關(guān)閉時(shí)，1#～5#泵出水流量為Q2，6#～8#泵出水流量為Q1；當(dāng)1#～5#泵僅開啟1臺(tái)時(shí)，qn=Q2；當(dāng)6#～8#泵僅開啟1臺(tái)時(shí)，qn=Q1。由于單泵配水電耗計(jì)算方法相同，以1#泵單泵配水電耗計(jì)算為例介紹單泵配水電耗的計(jì)算過(guò)程,如式(12)。

(12)

其中：e1——1#泵配水單位電耗，kW·h/(km3·MPa)；

w1——某時(shí)段內(nèi)1#泵消耗的電能，kW·h；

(13)

其中：P2——出水壓力表2的讀數(shù)，MPa；

hB——2號(hào)出廠總管從水泵喇叭口至出廠總管壓力表的水頭損失，m,計(jì)算如式(14)。

(14)

其中：h1——單泵計(jì)算水損，m。

代入各項(xiàng)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化為式(15)。

(15)

當(dāng)聯(lián)絡(luò)閥K1關(guān)閉K2開啟時(shí)，單泵配水電耗的計(jì)算方法與聯(lián)絡(luò)閥K1開啟K2關(guān)閉時(shí)相同，因此不再贅述。

2.4.3 效率

單泵或泵房在得到配水電耗時(shí)，效率計(jì)算如式(16)。

(16)

其中：η——效率。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 水泵特性曲線

2#、3#、5#、8#號(hào)定速泵的特性曲線如圖3～圖4所示，1#、4#、6#、7#變頻泵是由2#、3#、5#定速泵同型號(hào)的水泵加裝變頻器改造的，暫無(wú)不同頻率下的特性曲線數(shù)據(jù)。實(shí)際運(yùn)行中，2#、3#、5#定速泵的出水壓力在0.36 MPa左右。由圖3可知，定速泵處在效率較低、能耗較高的工況點(diǎn)，而經(jīng)過(guò)變頻改造后的水泵，當(dāng)其運(yùn)行頻率低于額定頻率時(shí)，其Q-H曲線下移，同樣出水壓力的情況下，可能對(duì)應(yīng)效率較高的工況點(diǎn)。實(shí)際運(yùn)行中，8#泵多與2臺(tái)變頻泵組合開啟，此時(shí)，8#泵的出水壓力在0.35 MPa左右，8#泵處在效率較高的工況點(diǎn)(圖4)。

圖3 2#、3#、5#定速泵特性曲線Fig.3 Characteristic Curve of 2#,3#,5# Constant Speed Pump

圖4 8#定速泵特性曲線Fig.4 Characteristic Curve of 8# Constant Speed Pump

3.2 單泵能效分析

以B水廠為例，通過(guò)關(guān)閉聯(lián)絡(luò)閥、開啟聯(lián)絡(luò)閥兩邊各1臺(tái)水泵可得單泵能效，具體情況如下。1#、4#、6#變頻泵進(jìn)行能效測(cè)試(測(cè)試期間因7#水泵更新，故不測(cè)試)，調(diào)節(jié)頻率為40、42、44、46 Hz。由表2可知，B水廠變頻泵效率在63.35%～70.50%，配水單位電耗在382～429 kW·h/(km3·MPa)，1#、4#泵效率基本相同，6#泵效率略高于1#、4#，頻率設(shè)定在40～42 Hz較為節(jié)能。

表2 變頻泵能效Tab.2 Energy Efficiency of Variable Frequency Pump

由表3可知，2#、3#、5#定速泵由于使用時(shí)間較長(zhǎng)且未進(jìn)行變頻改造，效率較低，都在55%左右，配水單位電耗在460 kW·h/(km3·MPa)以上，遠(yuǎn)高于1#、4#、6#變頻泵配水單位電耗。8#定速泵于2014年更新，效率較高，達(dá)到84.5%，相應(yīng)的配水單位電耗較低。

表3 定速泵能效Tab.3 Energy Efficiency of Constant Speed Pumps

3.3 多泵組合能效分析

由表2～表3可知，除8#定速泵外，1#、4#、6#變頻泵效率均遠(yuǎn)高于其他定速泵。正常工況下，B水廠平均日產(chǎn)水量在22萬(wàn)～25萬(wàn)m3，由圖5～圖6可知，B水廠日常產(chǎn)量為8 000～15 000 m3/h。

圖5 B水廠瞬時(shí)流量分布Fig.5 Instantaneous Flow Distribution of WTP B

圖6 B水廠24 h流量Fig.6 Flow of WTP B in 24 h

1#、4#、6#變頻泵與8#定速泵相對(duì)節(jié)能，因此，與之對(duì)應(yīng)的水泵組合模式為2臺(tái)變頻泵組合、2臺(tái)變頻泵與8#泵組合、3臺(tái)變頻泵組合，頻率調(diào)節(jié)為40～46 Hz。以下利用B水廠二泵房能效監(jiān)控平臺(tái)對(duì)不同組合方式下二泵房能效進(jìn)行分析，結(jié)果如下。

3.3.1 2臺(tái)變頻泵組合

由表4可知，當(dāng)2臺(tái)變頻泵同時(shí)工作時(shí)，B水廠二泵房流量在7 556～11 160 m3/h，配水單位電耗在387～412 kW·h/(km3·MPa)。其中，4#、6#泵與1#、6#泵的組合時(shí)，配水單位電耗較低，1#、4#泵組合時(shí)配水單位電耗略高，兩泵頻率控制在40～44 Hz較為節(jié)能。

表4 2臺(tái)變頻泵組合能效Tab.4 Energy Efficiency of Combination of Two Variable Frequency Pumps

3.3.2 2臺(tái)變頻泵與8#泵組合

由表5可知，當(dāng)開2臺(tái)變頻泵和1臺(tái)8#泵時(shí)，B水廠二泵房流量在9 708～1 3 468 m3/h，由于8#泵單泵配水電耗較低，2臺(tái)變頻泵和1臺(tái)8#泵組合時(shí)，配水單位電耗較2臺(tái)變頻泵時(shí)有所下降，在381～403 kW·h/(km3·MPa)，泵房效率在70%左右。其中，1#、6#、8#泵組合時(shí)配水單位電耗最低，4#、6#、8#泵組合、1#、4#、8#泵組合時(shí)，配水單位電耗略高，三泵頻率為40～44 Hz，較為節(jié)能。

表5 2臺(tái)變頻泵和8#泵組合能效Tab.5 Energy Efficiency of Combination of Two Variable Frequency Pumps and 8# Pump

3.3.3 3臺(tái)變頻泵組合

由表6可知，當(dāng)3臺(tái)變頻泵同時(shí)工作時(shí)，B水廠二泵房流量在10 248～15 345 m3/h，泵房配水單位電耗在380 kW·h/(km3·MPa)左右，效率在70%左右，配水單位電耗與2臺(tái)變頻泵、1臺(tái)8#泵一同工作時(shí)基本相同，頻率控制在40～44 Hz較為節(jié)能。

表6 3臺(tái)變頻泵組合能效Tab.6 Energy Efficiency of Combination of Three Variable Frequency Pumps

3.4 水泵優(yōu)化組合方案

根據(jù)以上多泵組合能效分析，得出較為節(jié)能的水泵開啟模式如表7所示。W市水司其余3座水廠均按照B水廠的方法搭建了能效平臺(tái)，并通過(guò)單泵與多泵組合能效分析，探索日常運(yùn)行中最優(yōu)調(diào)度方案，將最優(yōu)調(diào)度方案應(yīng)用至生產(chǎn)實(shí)際。

表7 水泵優(yōu)化組合Tab.7 Optimized Mode of Pumps Operation

3.5 成本分析

經(jīng)過(guò)前期反復(fù)測(cè)試，該能效監(jiān)控平臺(tái)于2019年1月正式投入使用，應(yīng)用該平臺(tái)指導(dǎo)調(diào)度取得了不錯(cuò)的效果。W市水司2017年—2019年中1月—7月的二泵房電耗如表8所示(其中，B水廠7#泵于2019年7月底更新，能耗較低會(huì)影響公司整體電耗，故未選取7月以后的數(shù)據(jù))。

表8 2017年—2019年W市水司水量、千噸水電耗Tab.8 Water Capacity and Kiloton Water Electricity Consumption of Water Industry in W City during 2017 to 2019

2017年—2019年W市水司產(chǎn)水量逐年攀升，2017年—2018年二泵房電耗也逐步上升，但2019年1月—7月采取了優(yōu)化調(diào)度方案后，在1月—7月產(chǎn)水量較去年上升4.16%，二泵房電耗不升反降，下降約0.24%。這說(shuō)明以能效平臺(tái)為依托，優(yōu)化調(diào)度方案取得了較好的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)搭建二泵房能效監(jiān)控平臺(tái)，對(duì)水泵能效進(jìn)行定量的計(jì)算，進(jìn)而進(jìn)行能效分析，可以起到優(yōu)化水泵運(yùn)行組合模式，降低二泵房能效，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效調(diào)度的效果。

(2)通過(guò)二泵房能效監(jiān)控平臺(tái)對(duì)二泵房水泵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤收集與分析，可以為水廠來(lái)年的設(shè)備更新大修提供數(shù)據(jù)支撐。

(3)二泵房能效監(jiān)控平臺(tái)的搭建基于配水單位電耗與水泵效率的計(jì)算，計(jì)算方法較為成熟，易于快速推廣，結(jié)合信息化手段進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘與分析，可以為智能調(diào)度、智慧水務(wù)的發(fā)展奠定可靠基礎(chǔ)。