基于目标电耗的城镇供水泵机组节能技术的研究及应用

岳金文，李志鹏，秦 武，洪顺军，蔡海兵

1 前言

水泵作为主要的通用能耗设备，约消耗全国发电总量的20%［1］。目前很多供水泵站存在水泵选型不当、能耗评估困难等问题［2~5］。在供水系统中水泵的选型既要考虑满足最大工况点的流量和扬程［6］，也应考虑用水量的不断变化和平均运行工况，只有实现供水设备和系统用水的供需平衡，泵机组才能保持最优能耗运行［7,8］。本文以某小城镇供水泵站为研究对象，针对供水系统特点，建立一套以能耗系数为指标的泵机组能耗评估方法，通过对某城镇供水现有需求和机组运行情况的分析，从整个供水系统出发，制定基于目标电耗的泵机组节能改造策略。

2 目标电耗节能改造技术

2.1 能耗系数原理

在泵液流体输送系统中，经济性评价指标能耗系数KE定义为单位体积液体输送能耗量，简称能耗系数［8］，其表达式为：

式中 KE——能耗系数，kW·h/m3

从式(1)可知，泵运行的能耗经济性水平受效率η和扬程H两个指标影响，这与传统上仅关注η指标有区别。效率指标表达能量的转化关系，而能耗系数从工程经济学来表达单位能耗所实现的输送量。同时，KE是有单位的，有具体的物理意义。实际应用中，流体输送人员用它来核算能耗的经济性，可以有效揭示η和H对经济性影响的确切数量关系，符合投入产出比的一般经济性评价原则。此外，η—Q特性曲线为抛物线，在同一效率点有两个不同流量工况，需通过计算功率才能确定最佳运行流量工况点，而KE—Q特性曲线呈递降变化，可直接定量表达出最佳运行工况。因此，能耗系数指标作为泵机组能耗评估指标可以弥补其不足。

2.2 目标电耗节能空间分析程序的制定

针对供水系统的基本情况和测量仪器，测量和搜集泵配套电动机电压、电流、泵出口管网典型点压力，供水需求等参数。由泵典型运行工况点，通过拟合泵典型运行工况点数据，得到泵的H－ Q方程和泵输入功率P—Q方程，求出η—Q方程，从而得到供水系统KE—Q方程。结合供水系统多年供水工艺需求及上述泵的特性方程，分析高能耗原因，制定多种节能改造方案，对每种节能方案投资成本、节能空间、改造难易程度进行对比分析，确定最佳改造方案。其中，节能空间是通过分析最佳改造方案不同工况下各泵的KE—Q方程，相加得到整个供水系统KE—Q方程，对比改造前后KE—Q方程得出的。具体流程如图1所示。

图1 目标电耗节能空间分析流程

3 供水泵站改造案例

3.1 供水泵站概况

某城镇水厂始建于1999年，设计产水量2.5×104 m3/d,选 用 4 台 水 泵（ 编 号 1#、2#、3#、4#），其中，1#泵为反洗泵，供洗水池使用；2#泵为型号为KS125-365双吸离心泵，额定扬程39 m,额定流量282 m3/h,转速1450 r/min；配套电机为Y255M-4型电机，3#泵和4#泵均为250S39双吸离心泵，额定扬程39 m,额定流量485 m3/h,转速1480 r/min.配套电机为Y280S-4型；3#泵和4#泵互为备用，电机Y255M-4和Y280S-4的额定参数如表1所示。在供水高峰区，2#泵和3#泵或4#泵中任一台共同运行，供水低谷区2#泵单独运行，平衡区3#泵或4#泵之一单独运行。

表1 Y255M-4和Y280S-4型电机性能参数

3.2 现场数据监测与搜集

为了有效掌握泵机组实际运行特性，分析能耗原因。采用精密压力表和超声波流量计对管网流量Q、压力P、阀门开度进行检测，并与现场工作人员进行交流机组运行状况；其中，对泵站近2年运行数据进行统一收集，整理和取样后发现，该供水泵站早晚高峰期间，流量范围为590~660 m3/h，供水时间t3（t3=15 h），压力范围为0.42~0.46 MPa;平衡区间供水流量范围为440~460 m3/h，供水时间t2（t2=3 h），供水低谷区，流量范围为140~170 m3/h,低谷区时间t1（t1=6 h），供水压力需大于0.4 MPa。KS125-365和250S39泵现场测试特性曲线如图2所示。

图2 2#和4#泵测试泵特性曲线

3.3 能耗供需平衡及运行能耗分析

从现场检测和收集数据可以发现2#泵气蚀严重，低谷区流量需求为170~200 m3/h，从图2（a）中可以发现，2#泵运行效率仅为44.74%，在额定流量下运行效率60%，效率远低于同型号泵。同时，2#泵远离高效区运行，存在大量富余流量或扬程，因此，2#泵效率低、选型不合理、需更换新泵。从图2（b）中可以看出，4#泵高效区运行效率为77%，与同型号泵实际运行基本相等。综上分析可以得出：该供水系统选型不合理，2#泵偏离高效区运行，富余扬程大，需重新确定泵机组选型和搭配方式。

4 改造方案

4.1 方案选型比较

基于目标电耗最优能耗策略，当水泵机组提供的能量等于用户端所需的能量时，系统能耗系数最低，对提高该供水系统有效方法是选择合适泵机组搭配和变流量下合理的启动与关闭泵，减少富余流量或扬程损失。可采用更换2台同型号高效泵，其中1台泵加变频器或采用不同型号泵搭配的节能改造方案。

遵循改造后不改变供水系统实际需求的原则，保证用户端不出现水压过低，供水不连续等现象。若本方案采用2个同型号泵，额定流量最佳选择330~360 m3/h，由于供水日内流量变化大，低谷区流量为140~170 m3/h，需安装变频器，变频调速是有范围的，不宜低于额定转速50%，低于50%效率急剧下降［9~14］；若系统所需的最低流量低于定速泵额定流量的30%，需考虑添加1 台小流量泵，考虑流量供需平衡策略，采用同型号泵在低谷区调速比应为0.5；此时，压力低于供水最低压力要求，出现断水现象；需采用阀门调节减少流量来提高压力，从而导致供水流量低于供水需求值，出现供水不足。在平衡区流量为440~460 m3/h时，若采取同型号泵，为避免管路汇流处产生因压力不等产生漩涡，需采取阀门和变速调节相结合的方式调节，才能减小漩涡损失和噪音。由于变频器价格昂贵，采取阀门调节能耗损失大且加速阀门寿命损耗，采用同型号泵在此流量区间的能耗将比改造前大。因此，采用大小泵阶梯搭配更经济可行。

4.2 节能空间预测

由于原4#泵运行良好，只需对2#泵重新选型，3个不同阶段供水量需求分别为140~170，440~460，590~660 m3/h，4#泵的高效区间为 440~480 m3/h。根据最优能耗运行策略，在供水低谷区小泵在高效区运行，平衡区大泵处于高效区运行，高峰区两泵都处于高效区运行。在高峰区，若4#泵在高效区间运行，小泵需提供130~ 180 m3/h流量，而低谷区供水需求为140~170 m3/h，考虑到日后用水量10%增加，整个供水区间供水压力不能低于0.4 MPa,通过查询市场已有产品，从而选择改造后2#泵型号为CPS 200-370/4双吸泵，额定流量186 m3/h，额定扬程42 m。根据电动机配套标准，电机额定功率为额定水泵1.05~1.20倍，CPS 200-370/4双吸泵额定功率为28.4 kW，考虑功率圆整原则，该泵需配备30 kW电机。

供水系统日夜流量变化大，人工启动或关闭泵机组的易出现因关闭启动不及时造成系统富余能耗大或出现供水断水和不连续现象。在控制柜增加1套PLC控制系统，设定最低压力值为0.4 MPa，最高压力0.46 MPa，利用压力传感器将测得管网压力传送给控制系统，然后根据压力值自动寻优［15］，输出控制启动或关闭 2#、3#、4#泵的运行指令。控制系统原理如图3所示。

图3 控制系统原理示意

采用MATLAB对4#泵和CPS200-370/4泵测试的典型工况数据进行拟合，得到CPS200-370/4泵外特性曲线如图4所示。

4#泵能耗系数方程：

CPS200-370/4泵能耗系数方程：

图4 CPS 200-370/4泵测试泵特性曲线

计算该供水系统在低谷区、平衡区、高峰区三种运行方式的电耗值。可以根据不同供水区间流量需求，查阅图2（b）和图4曲线，得出水泵在不同流量下的扬程、效率、能耗系数、各支管提供的流量，系统电耗可通过能耗系数与流量乘积确定。在低谷区，母管流量为165 m3/h，CPS200-370/4泵运行，4#泵停止运行；在平衡区，母管流量为 450 m3/h，4#泵单独运行，CPS200-370/4泵关闭；高峰区，母管流量为630 m3/h，4#泵提供流量450 m3/h，CPS200-370/4泵提供流量280 m3/h。改造前后不同区间泵机组能耗计算结果见表2。

2 供水系统改造前后运行参数对比

根据表2中数据，改造后低谷区单泵运行效率较原泵平均提高25%；高峰区CPS200-370/4泵相对原2#泵效率平均提高19.7%，4#泵运行效率平均提高3%。改造后管网压力满足供水系统需求，均高于0.4 MPa。

改造前后各泵在低谷区，平衡区，高峰区能耗系数（通过取不同区间能耗系数均值）对比如图5所示。

图5 改造前后不同供水区间能耗系数对比

改造后低谷区系统总能耗系数下降0.123 kW·h/m3，平衡区总能耗系数值保持不变，高峰区总能耗系数值由0.1835 kW·h/m3下降到0.15 kW·h/m3。改造后系统运行如下，低谷区运行时间为6 h,总流量930 m3，总能耗将降低114.39 kW；高峰区运行15 h，总能耗降低314.06kW；每天可以节电428.39 kW，改造前平均每天耗电2188.3 kW。因此，改造后系统总节电率19.58%，如果按当地电价0.6元/(kW·h) 计算，每月可节省电费7711.02元，改造投入CPS双吸泵和30 kW电机各一台，控制系统一套，总费用约为1.4万元，1.8个月即可收回投资成本。在节能改造后，记录显示月节电量12850 kW·h，符合估算结果，达到节能改造预期效果。

5 结语

本文建立了基于能耗系数指标的供水系统能源调查评估方法，该方法以供水工艺过程关键点数据、泵外特性曲线特性曲线为基础，通过比较改造前后KE—Q方程找出节能空间。无需特殊的测量工具、操作简单、方便，可为我国中小城镇供水厂能耗评估改造提供一定的参考。针对小城镇供水系统特点，通过能耗分析与评估，找出高能耗原因，采用单体节能和系统节能相结合方法。针对泵机组阶梯搭配运行的泵选型和系统运行优化控制两方面。建立了基于目标电耗供水泵站节能运行方法，在做到高效节能的基础上，使供水系统供水更加平稳可靠。

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