變頻恒壓供水調(diào)度運(yùn)行模式優(yōu)化

仇 堅(jiān)，薛 明，陳 捷

(上海市自來水市北有限公司，上海 200086)

1 項(xiàng)目背景與研究目標(biāo)

1．1 寶山地區(qū)主要管網(wǎng)結(jié)構(gòu)

寶山地區(qū)供水主要由吳淞水廠(供水能力18萬t/d，最大供水量7 000 m3/h)、月浦水廠(供水能力40萬t/d，最大供水量18 000 m3/h)、泰和水廠(供水能力80萬t/d，最大供水量36 000 m3/h)供應(yīng)(如圖1所示)。寶山北部地區(qū)的用水主要是由月浦水廠供應(yīng)，月浦水廠出水管主要由蕰川路DN1400、蕰川路 DN1200、蕰川路 DN700、潘涇路DN800、撫遠(yuǎn)路DN800等組成，中途不設(shè)加壓/水庫泵站。

1．2 寶山地區(qū)壓力情況

如圖2所示，根據(jù)水力模型計(jì)算可得月浦水廠供水范圍自西向東大致為富錦路—潘涇路—寶安公路—蕰川路—泰和西路，寶山北部區(qū)域及吳淞部分區(qū)域由月浦水廠直供，因此月浦水廠出水壓力波動(dòng)對這些地區(qū)測壓點(diǎn)壓力存在直接影響。

圖1 寶山主要供水管網(wǎng)Fig．1 Baoshan Main Water Supply Network

圖2 市北各水廠供水范圍Fig．2 Water Supply Area of Shanghai North Water Supply Company

圖3 馬涇橋測壓點(diǎn)7月29日壓力Fig．3 Majinqiao Water Pressure in July 29th

圖4 陳行測壓點(diǎn)7月29日壓力Fig．4 Chenhang Water Pressure in July 29th

由圖3、4可知，寶山地區(qū)測壓點(diǎn)馬涇橋、陳行在月浦水廠出水的直接影響下，全天壓力變化幅度較大，除去夜間上水箱加壓時(shí)段，全天變化波動(dòng)范圍約80 kPa，夜間(0:00～5:00)和午后早晚高峰之間壓力較高，富余水頭現(xiàn)象較突出，同時(shí)月浦水廠更換機(jī)泵等操作會(huì)使壓力出現(xiàn)大幅波動(dòng)，不利于安全供水。

1．3 項(xiàng)目研究主要內(nèi)容

寶山地區(qū)用水需求變化較大，總體服務(wù)壓力較高，夜間、早晚高峰、午間各時(shí)段水量變化顯著。換車時(shí)不但操作煩瑣，而且壓力驟變增加了風(fēng)險(xiǎn)，影響管網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行，為解決這一矛盾對月浦水廠調(diào)度模式進(jìn)行優(yōu)化研究。綜合考慮，基于變頻恒壓控制的調(diào)度模式是解決上述矛盾的有效辦法。要實(shí)現(xiàn)月浦水廠調(diào)度模式改變，需將月浦水廠中一臺(tái)或者二臺(tái)水泵改造成變頻泵，進(jìn)行壓力控制。從而使水廠能夠根據(jù)外部需水量變化，實(shí)時(shí)平穩(wěn)地調(diào)節(jié)水量，降低富余水頭和壓力波動(dòng)，提高服務(wù)質(zhì)量和水平，以此實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的最優(yōu)化。主要研究內(nèi)容有:

(1)通過總結(jié)日常調(diào)度確定各時(shí)段流量總體變化范圍，研究各時(shí)段流量條件下對應(yīng)壓力范圍，以此為變頻水泵流量改造依據(jù)。

(2)對月浦6臺(tái)水泵日常開關(guān)、調(diào)度運(yùn)行組合情況進(jìn)行考量，研究確定變頻泵運(yùn)行組合方案。

(3)研究水泵電路、吸水井限制因素，選擇需改造的變頻水泵。

(4)設(shè)計(jì)變頻泵運(yùn)行壓力/流量傳感控制方案，以及相應(yīng)PLC控制系統(tǒng)。

(5)綜合研究變頻及控制相關(guān)設(shè)備選型的影響因素。

(6)完成設(shè)備安裝，進(jìn)行設(shè)備調(diào)試。

(7)根據(jù)測壓點(diǎn)壓力與水廠出廠壓力和流量的變化關(guān)系，結(jié)合管網(wǎng)模型進(jìn)行模擬運(yùn)算，研究其中變化規(guī)律，從中找出不同季節(jié)中安全、節(jié)能的運(yùn)行工況。

(8)制定不同季節(jié)不同時(shí)段常規(guī)調(diào)度中恒壓供水的壓力控制范圍。

2 項(xiàng)目改造前期調(diào)研

2．1 月浦水廠現(xiàn)狀

月浦水廠現(xiàn)規(guī)模40萬t/d，水廠二級泵房現(xiàn)設(shè)置6臺(tái)水泵，具體水泵及電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 月浦水廠機(jī)泵配備Tab．1 Pump of Yuepu Water Supply Company

其中 21、23、25 號機(jī)泵連接 I段電源，22、24、26號機(jī)泵連接II段電源，21、22、23號機(jī)泵自1號吸水井取水，24、25、26號機(jī)泵自2號吸水井取水。

月浦水廠常年運(yùn)行壓力約230 kPa～300 kPa，常用機(jī)泵組合如表2所示。

表2 月浦水廠常用機(jī)泵組合Tab．2 Common Pump Combination of Yuepu Water Supply Company

由于受機(jī)泵、電源及吸水井限制，月浦水廠出廠水量大致為11000、13500、16 000、17 000 m3/h 幾檔，供水量調(diào)節(jié)局限較多，調(diào)度員缺乏調(diào)節(jié)手段，因此寶山地區(qū)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)富余水頭，并且在早晚高峰前后，調(diào)度員調(diào)節(jié)水量需要更換機(jī)泵，對管網(wǎng)壓力產(chǎn)生波動(dòng)。

由圖5可知月浦水廠全年大部分日期早高峰水量在11 000～14 000 m3/h，泰和水廠檢修時(shí)期和高峰供水時(shí)期早高峰水量在14 000～16 000 m3/h。

圖5 月浦水廠2011年全年早高峰供水量Fig．5 Early Peak of Yuepu Water Supply Company in 2011

由圖6可知，由于缺乏調(diào)節(jié)手段，夜間月浦水廠出廠壓力偏高，除檢修時(shí)段外，大部分出廠壓力在260 kPa以上，部分時(shí)期在290 kPa以上，不利于寶山地區(qū)的安全供應(yīng)，同時(shí)也增加了運(yùn)行成本。

圖6 月浦水廠2011年全年過夜出廠壓力Fig．6 Night Pressure of Yuepu Water Supply Company in 2011

綜上所述，目前月浦水廠的供水量要進(jìn)行1 000～2 000 m3/h的調(diào)整比較困難。一般午后非高峰時(shí)段用水量較小，為降低富余水頭、平穩(wěn)壓力需要同時(shí)換2臺(tái)機(jī)泵，管網(wǎng)壓力會(huì)有較大的波動(dòng)，到晚高峰再換回，對管網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行有較大風(fēng)險(xiǎn)。

夜間運(yùn)行3+6#或4+5#機(jī)泵，在水庫平穩(wěn)進(jìn)水之后，月浦水廠出水壓力通常在250～280 kPa。由于缺乏有效的消能措施，月浦周邊以及寶山北部馬涇橋、陳行等測壓點(diǎn)壓力偏高，造成能耗浪費(fèi)，同時(shí)也降低管網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

為實(shí)現(xiàn)月浦水廠變頻恒壓調(diào)度，將月浦水廠中一臺(tái)或者二臺(tái)水泵改造成變頻泵，進(jìn)行壓力控制。根據(jù)外部需水量變化，實(shí)時(shí)平穩(wěn)地調(diào)節(jié)水量，提高服務(wù)質(zhì)量和水平。變頻系統(tǒng)可根據(jù)管網(wǎng)瞬間壓力變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)主干管出口端保持恒定的設(shè)定壓力值，并滿足用戶的水量需求，使整個(gè)系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。

2．2 項(xiàng)目改造方案

水泵調(diào)速的途徑有兩種。一種是電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，通過電機(jī)與水泵間的耦合器來達(dá)到調(diào)速的目的，常見有液力耦合器。這種方式效率低，節(jié)能效果較差。另一種是調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)速方式有多種，如調(diào)壓調(diào)速、變級調(diào)速、串級調(diào)速和變頻調(diào)速等。其中變頻調(diào)速由于其調(diào)速范圍寬、電機(jī)效率高、適用面廣、可改善電機(jī)功率因數(shù)、性價(jià)比高、節(jié)能效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)而越來越多地用于需要調(diào)速的場合。

三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為:

從上式可見，改變供電頻率f、電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速n的目的。變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。

水泵調(diào)速是根據(jù)水泵比例相似原理，通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，改變水泵特性曲線，使水泵可以適應(yīng)新的運(yùn)行工況的一種方式。

水泵的每一個(gè)轉(zhuǎn)速都對應(yīng)于一條不同的特性曲線，而變頻調(diào)速是一種無級調(diào)速，可以使水泵具有任意的轉(zhuǎn)速，即有無數(shù)條特性曲線。在一定范圍內(nèi)，變頻水泵可以滿足不同的流量/揚(yáng)程組合而不產(chǎn)生富余揚(yáng)程。因此，變頻調(diào)速具有適應(yīng)工況變化，沒有富余揚(yáng)程，無需改變水泵本身，較為節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

綜合月浦出廠水量、機(jī)泵搭配等現(xiàn)行工況來看，23+24、21+24、24+25、23+26 這 4 種搭配是最常用的開法，因此選擇24號機(jī)泵進(jìn)行變頻改造，按33～50 Hz的變頻范圍，21+24、23+24、24+25、23+24+25的機(jī)泵配法能覆蓋8 000～17 000 m3/h的水量，滿足調(diào)度需求。由表3可知月浦水廠24號機(jī)泵運(yùn)補(bǔ)電量相對偏高、擬通過改造其適應(yīng)當(dāng)前運(yùn)行工況。

表3 月浦水廠2011年度機(jī)泵運(yùn)行匯總Tab．3 Pump Operation Summany of Yuepu Water Supply Company in 2011

3 項(xiàng)目改造實(shí)施

3．1 項(xiàng)目改造過程

月浦水廠最終采用了上?？七_(dá)機(jī)電控制有限公司的MAXF高壓變頻器，具體型號為MAXF1250-10000/1830，額定電壓為10 kV，額定輸出功率為1 250 kW，頻率范圍5～50 Hz。該設(shè)備具有冗余運(yùn)行、單元在線更換、高效銅散熱等新技術(shù)，并具有多種控制方式和數(shù)據(jù)通信接口。同時(shí)該種設(shè)備在我公司泰和水廠已有近4年的運(yùn)行時(shí)間，目前使用情況良好，一般年使用時(shí)間超過350 d，具有故障率低和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

本次改造采用高配設(shè)備更新改造同時(shí)進(jìn)行，減少了二次改造帶來的人工和材料的浪費(fèi)，減低了改造成本。改造工程于2012年9月份開始，10月份完工。先期實(shí)現(xiàn)了變頻器就地手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、壓力閉環(huán)控制。后期，隨著月浦水廠二級泵房自動(dòng)化改造，將變頻器信號接入PLC系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了變頻器遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。通過操作人員在電腦上輸入需要的壓力或流量，實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流控制。

3．2 改造結(jié)果

24號機(jī)泵改造后的機(jī)泵性能測試數(shù)據(jù)和特性曲線如表4、圖7所示。其中23號、26號機(jī)泵同時(shí)運(yùn)行。

表4 24號機(jī)泵改造完成后機(jī)泵特性測試數(shù)據(jù)Tab．4 Test Data of Pump After Transformation of Pump No．24

注:40 Hz

注:45 Hz

注:50 Hz

圖7 24#機(jī)泵特性曲線Fig．7 24#Pump Characteristic Curve

變頻改造后，根據(jù)目前的運(yùn)行狀況，當(dāng)出口壓力控制在230～270 kPa時(shí)，泵口壓力有一定的降低，一般在260～300 kPa，出水流量一般在4 000～8 000 m3/h，總的輸入功率在400～980 kW，機(jī)泵效率在低流量時(shí)有所提高，大流量時(shí)無明顯改變。改造前泵口壓力一般在300～370 kPa，電基基本在115 kW/km3，變頻改造后泵口壓力明顯下降，電基在96～116 kW/km3。

4 改造后調(diào)度運(yùn)行情況

4．1 月浦水廠運(yùn)行工況

月浦水廠于2012年11月13日啟用變頻恒壓控制。在通常情況下，早晚高峰月浦出廠壓力設(shè)定為250 kPa，午后及夜間因季節(jié)不同設(shè)置為210～230 kPa，因此月浦水廠出廠平均壓力較往年有顯著下降，夜間水廠出廠壓力過高得到有效控制。寶山地區(qū)富余水頭現(xiàn)象有了明顯改善。

由圖8可知月浦水廠自項(xiàng)目啟動(dòng)起對出廠壓力進(jìn)行精細(xì)化控制，通過換開機(jī)泵調(diào)節(jié)壓力，但由于可調(diào)節(jié)的范圍有限，因此出廠平均壓力下降程度有限，且頻繁換泵對管網(wǎng)造成一定沖擊。而啟用變頻恒壓控制后，2013年月浦水廠出水壓力顯著下降，管網(wǎng)波動(dòng)也較以往減少，以換車最頻繁的供水高峰季為例，2013年7、8月高峰月浦水廠調(diào)度指令數(shù)216次，而2011年與2012年同期分別為372次和422次。

對比圖9與圖6，月浦水廠采用變頻恒壓控制后，出廠壓力約210～230 kPa，較2011年下降30～40 kPa，對管網(wǎng)運(yùn)行起到安全保障作用的同時(shí)，也降低了運(yùn)行成本。

4．2 寶山地區(qū)壓力情況

圖8 月浦水廠2011年～2013年出廠平均壓力Fig．8 Average Water Pressure of Yuepu Water Supply Company From 2011 to 2013

圖9 月浦水廠2013年夜間出廠壓力Fig．9 Night Water Pressure of Yuepu Water Supply Company of 2013

自月浦水廠變頻恒壓控制，寶山地區(qū)壓力較原先平穩(wěn)，富余水頭得到改善。對比圖10與圖3、4，寶山地區(qū)測壓點(diǎn)馬涇橋、陳行壓力較原先平穩(wěn)，除夜間上水箱時(shí)段外，全天壓力變化在20 kPa左右。由圖11可知，變頻恒壓控制后，陳行測壓點(diǎn)夜間過夜壓力較原先降低約20 kPa，有效降低了寶山區(qū)域的富余水頭，降低運(yùn)行能耗。

圖10 2013年7月29日陳行、馬涇橋測壓點(diǎn)壓力Fig．10 Chenhang and Majinqiao Water Pressure in July 29th，2013

由圖12可知寶山地區(qū)的整體壓力自2012年精細(xì)化調(diào)度開始，壓力已有所下降。開始變頻恒壓控制后，2013年寶山供水管理所整體平均壓力進(jìn)一步下降，改善公司整體管網(wǎng)壓力不均的局面，使壓力更趨合理。

圖11 變頻前后1月～9月陳行測壓點(diǎn)夜間壓力對比Fig．11 Comparison of Night Water Pressure from Jan．to Sep．in Chenhang Testing Point before and after Frequency Transformation

圖12 寶山供水管理所平均壓力對比Fig．12 Comparison of Average Water Pressure in Baoshan Water Supply Company

4．3 變頻前后能耗分析

表5為變頻前后能耗統(tǒng)計(jì)。

表5 變頻前后能耗統(tǒng)計(jì)Tab．5 Energy Consumption before and after Frequency Transformation

續(xù) 表

圖13為變頻前后電基對比。

圖13 變頻前后電基對比Fig．13 Comparison of Unit Energy Consumption before and after Frequency Transformation

圖14為月浦水廠變頻前后配電單耗對比。

圖14 月浦水廠變頻前后配電單耗對比Fig．14 Comparison of Distributed Energy Consumption before and after of Frequency Transformation

水泵機(jī)組電耗、電基、單耗與水量、壓力的關(guān)系如下:

配水單位電耗(與效率成反比):

由表5和圖13可知變頻前后12月到6月月浦水廠出水泵房電基明顯下降，7、8、9月電基沒有延續(xù)上述變化趨勢，其中8、9月變頻后電基基本保持不變，而7月份變頻后電基明顯增加。從上述電基計(jì)算公式可以得出，電基與水泵的揚(yáng)程(與出廠壓力有關(guān)，成正比)和機(jī)泵效率有關(guān)，即電基與出廠壓力成正比，而與機(jī)泵效率成反比。因出廠壓力直接影響管網(wǎng)服務(wù)水平(壓力合格率、平均壓力)，由此可以得出，電基是管網(wǎng)服務(wù)能耗(表現(xiàn)為富余水頭能耗的控制程度)和泵站機(jī)泵能耗(表現(xiàn)為機(jī)泵效率的控制程度)的綜合體現(xiàn)。

由圖14可知變頻前后12月～6月月浦水廠出水泵房機(jī)泵配水單位電耗(后簡稱單耗)基本持平，無明顯變化;而7月、8月、9月單耗明顯增加。從上述單耗計(jì)算公式可以得出，其與機(jī)泵效率成反比，即該指標(biāo)反映機(jī)泵效率的變化。由此得出:變頻后7月、8月、9月機(jī)泵效率明顯下降，即機(jī)泵自身能耗增加，機(jī)泵的能量利用率降低。因此不同季節(jié)不同的調(diào)度方式，對變頻后的能耗有相當(dāng)大的影響。

5 結(jié)論

通過月浦變頻恒壓改造項(xiàng)目實(shí)施，使市北寶山地區(qū)壓力變化大，非高峰時(shí)段富余水頭較高等突出現(xiàn)象得到改善，并且由于水量、壓力的降低，為公司節(jié)約了大量的電費(fèi)開支。工欲善其事，必先利其器，通過變頻恒壓控制對月浦水廠進(jìn)行無級調(diào)速，不僅增強(qiáng)了調(diào)度控制手段，而且使調(diào)度員能夠根據(jù)需水量的實(shí)時(shí)變化采取多樣化的調(diào)度手段，促進(jìn)了供水調(diào)度室調(diào)度績效管理工作的有效開展。

目前市北公司的5家水廠中，月浦、泰和已采取變頻恒壓調(diào)度，在剩余的3家水廠中，閘北、吳淞由于水量較小，在日常調(diào)度中很少通過這兩家水廠來調(diào)節(jié)整個(gè)管網(wǎng)中的供需平衡。而楊廠目前配備的機(jī)泵中，大都為額定流量為8 000 m3/h的大車，僅有14#、19#機(jī)泵為 3 000～4 000 m3/h的機(jī)泵，2 000 m3/h的水量調(diào)整必須一停一開，小水量調(diào)節(jié)受到局限，因此若在楊廠中挑選1-2部機(jī)泵作為今后變頻改造對象，對楊廠的調(diào)度調(diào)節(jié)能力將會(huì)有很大的提高。

明年，羅涇水廠即將投產(chǎn)運(yùn)行，因此寶山供水格局又將發(fā)生變化，在月浦變頻恒壓控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究寶山今后的調(diào)度模式，使公司整體的運(yùn)行更加安全、合理、經(jīng)濟(jì)。