制水厂重点节能潜力的探讨和实践分析

王哲明

上海浦东威立雅自来水有限公司

0 前言

我国正快速建设发展集约型社会,供水企业作为城市保障的基础性行业，在城市的正常运行和发展方面起着十分重要的作用。“十二五”以来，国家低碳环保策略成为发展主旋律，节能减排考核指标日趋严格，自来水企业作为地方重点用能单位成员，积极响应节能减排号召，从管理和技术两方面入手，不断提升企业能源管理水平。其中，制水厂作为自来水企业的用能大户，是节能工作开展的重点，如何发掘其节能潜力，是企业实现节能降耗的关键。

1 企业能耗现状

上海市浦东威立雅自来水有限公司是中国第一家集制水、输配、服务为一体的中外合资供水企业。下属制水厂5家，管网泵站10个，总制水能力202万m3/d。供水面积达600多km2，服务人口约380万。公司年耗能超过1万tgce，其中能源种类主要为汽油和电力，详细数据见图1和图2。

图1 能耗构成图

图2 各单位年耗电比例

图1 显示，电力消耗占比超过99%，占公司总能耗的绝大多数。图2显示公司电耗中，管网输配用电为8．5%，超过91%的电力消耗在制水生产过程中，可见制水厂节电的效果对公司有十分重要的现实意义，其节能工作的重点为研究节电方面。

2 制水厂能耗分布特点及数据分析

制水厂主要生产过程为通过各种处理工艺对原水进行净化处理，使其能满足生活饮用和工业生产标准后，再通过输水管网向用户供水。制水厂工艺流程见图3。

图3 制水厂工艺流程图

因建造年代差异，公司各制水厂规模及采用的具体处理工艺不尽相同，总体上可以概括为常规处理和深度处理，以及污泥脱水系统。制水厂电力主要消耗在处理工艺的各个阶段及水力输配阶段，各制水厂能耗数据汇总见表1。

表1 各制水厂年用电量占比汇总

由表1可知，各制水厂规模各异，处理工艺也有较大差异，但耗能结构有明显相似处：各制水厂能耗占比最高的均为二级泵房，而二级泵房机组和提升泵机组（原水提升或中间提升泵）合计能耗占比均在全厂电量的80%～90%区间内，因此，主要水泵机组运行状态和运行效率是制水厂节能工作开展的关键所在。此外，建有污泥脱水工艺的制水厂污泥脱水耗能约占全厂能耗的5%，处理工艺用电和生活用电为其它电耗。

3 重点节能潜力发掘及实践效果

制水厂主要运行水泵机组均为离心泵机组，根据其运行特性，节能降耗常见措施有：选择机组合理的扬程、改造叶轮尺寸形状、采用节能水泵电机，匹配合适电机防止“大马拉小车”、水泵调速等，各有优点，需结合现场情况，按成本投入、改造难度和节能效果之间做出平衡和选择。

3.1 二级泵房应优先保证全变频调速机组运行

二级泵房是制水厂能源消耗最高之处，也是节能潜力最大的地方。常见运行模式为多机组并联运行。二级泵房机组在设计阶段，按城市日最高、时最高的需水量选型，普遍存在和运行工况偏差较大问题，机组运行在非高效区时间较多，同时在现有供水调度模式下，夜晚需提高管网压力保证屋顶水箱进水，因此二泵级房机组压力变化较大：

由图4可知，正常情况下，一天内机组压力变化范围可达100kPa，从220kPa到320kPa，如此宽的压力工况范围，定频机组即使是节能机组也很难维持在高效区间。

从分布数据可知，尽可能保证约75%时间的运行效率，而变频机组可以确保在较大压力区间内高效运行，保持良好的能耗表现。

表2为两个制水厂二级泵房能耗单耗对比情况。全变频机组运行与变频机组和定频机组对比，全变频机组有明显能耗优势，平均单耗要低12．83kWh/千t，超过10%的节电率。按40万t的制水厂为例，仅此一项，每天节电可超过5 000kWh，实现年节电量187万kWh，经济效益超过百万元。如对比大小车搭配运行的定频机组，节电效果更为明显，数据显示节电率可大于15%。

因此，二级泵房内使用全变频机组具有十分明显的经济意义，同时，变频调速也有利于供水调度和调整。

组合运行，可以清楚的发现，在达到相似或者更高的出厂压力（即更好的供水效果）中间提升泵的选择合理扬程实践如下：

表2 二级泵房单耗对比

提升泵用于原水提升或中间提升，往往采用变频电机来实现调整流量目的，按工艺要求只需达到一定压力即可，富余压力就是能源浪费，其中也有可观的节能潜力。某制水厂中间提升泵实际扬程为11．5m，提升后离实际水位有超过2m的水位差，如适当降低扬程即可降低提升泵单耗，降低1m扬程，理论节能潜力可达8%。割除中间提升泵井筒1m后，实际节能效果如表3。

表3 中间提升泵改造前后单耗对比

年运行数据显示，改造前后中间提升泵单耗由每千吨46．70kWh下降到每千吨43．72kWh，每千t下降约3kWh时，降幅6．4%。以该制水厂每天60万t水量计算，可实现年节电量超过60万kWh。实际工程费用仅为20 000元。同时，中间提升最大时运行水量也有显著提升。

3.2 更新适合工况机组改善拦阀门运行模式

当制水厂供水能力过大，无法匹配生产能力时，在没有调速装置的情况下只能选择拦阀门运行，采用这种模式，很大部分能量消耗在阀门上，存在着极大的能源浪费，应进行改造，更新为符合实际工况机组。由于现场无条件安装高压变频设备，只能按实际工况选择合适机组。改造前后机组能耗对比见表4。

月统计数据对比表明，更新后机组不再需要拦阀门运行，能耗单耗下降可观，以该水厂每天5万吨水量计算，可实现年节电量超过50万kWh，每个月节能率均在20%以上。

表4 更新节能机组前后单耗对比

3.3 提升水库运行水位

提升水库运行水位的原理在于降低水泵净扬程，在同一管网压力下，水库运行水位越高，进水侧压力越高，则水泵实际提升的扬程越低，从而达到节能降耗的目标。按千吨水提升1m耗电3．6kWh估算，水库运行水位上升0．25m，以40万t制水厂为例，全年节电量：0．25×3．6×400×365=13万kWh，节能潜力十分可观。

以上归纳介绍了几种制水厂重点水泵机组的节能潜力计算和改造实践分析，除此之外，减少水泵本身机械性能方面造成的损失，使用特殊喷涂材料降低水泵内表面的摩擦损失，更新低损耗变压器、匹配合适功率电机等均为节能的有效手段。除重点耗能部分，也应多关注其余设备耗电状况，如更新节能灯，合理使用空调等等，积少成多，节能量也将十分可观。

综上所述，制水厂节能降耗工作是一项长期的艰巨任务。制水厂能耗成本占制水总成本比例较高，制水厂开展节能与降耗，具有十分重要的意义，不仅可以降低自身能耗，完成各类能耗考核指标，同时也可提高企业的经济效益。此外，我们也应认识到，对企业而言，节能工作并不能局限于制水厂，管网的运行模式，调度的调整优化，都会对制水厂能耗水平产生重大影响，需要企业从高处着手，统筹考虑。