水廠的能耗分析與節(jié)能措施

李都望，余天奇

（江西省水務集團有限公司，江西南昌 330096）

自來水行業(yè)是城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展中不可或缺的保障性行業(yè)，也是城鎮(zhèn)建設體系中的能耗大戶。 由于自來水行業(yè)發(fā)展的局限性及時限性，導致傳統(tǒng)水廠的諸多設備在設計時并未將節(jié)能放在首位，整體趨于保守的設計使得水廠有很大的節(jié)能潛力。 如何行之有效地通過運營管理和技術改造來降低能耗是本文探討的主要關注點。

1 水廠能耗設備的數(shù)據(jù)分析

目前我國城市供水處理技術仍以由混凝、沉淀、過濾和消毒4 個單元處理過程組成的常規(guī)供水處理工藝為主。 典型的制水工藝流程圖，如圖1 所示。

在傳統(tǒng)制水工藝中， 主要的能耗設備集中在取水泵房、送水泵房、加藥加氯間等。 通過對A、B、C、D4 個水廠的電量能耗數(shù)據(jù)進行分析，得出各用電設備的能耗占比（表1）。

圖1 制水工藝流程

表1 用電設備能耗占比 %

各水廠的規(guī)模、處理工藝不盡相同，但能耗占比總體呈規(guī)律性變化： 各水廠的送水泵房均占據(jù)能耗比統(tǒng)計的首位。送水泵房是全廠凈化水供給系統(tǒng)，其主體工藝設備為多臺大功率水泵機組及相應的出口閥門，總管出水直接面對用戶，而送水泵房內主要的用電能耗設備為水泵機組， 約占整個水廠能耗的一半以上，乃至更高比例[1]。因此，研究水泵機組的節(jié)能降耗措施則是水廠能耗分析的重點。

2 水泵機組的節(jié)能降耗措施

2.1 應用變頻調速機組

在變頻器尚未普及的年代，水廠設計通常會采取大小泵或者大中小泵搭配的設計方案， 用水高峰期通過大泵供水，夜間則開啟1 臺小泵，維持清水池正常水位，以滿足夜間小流量的供水需求。而在實際運行過程中，送水泵房內的水泵機組1 天內的壓力變化范圍較寬， 定頻機組很難運行在最佳工況點上，因此很容易偏離高效區(qū)，從而增加用電損耗，這也是造成水泵機組能耗浪費最大原因。

通過收集A 水廠和B 水廠送水泵房的電量能耗數(shù)據(jù)，歸納得到平均千噸水能耗，見表2。 根據(jù)實測數(shù)據(jù)顯示，變頻機組比定頻機組的能耗明顯減少，平均千噸水能節(jié)約14.25 kWh， 約12%的能耗。 按100 kt 水廠計算，每年可節(jié)約電量52×104kWh，節(jié)約電費31 萬元。 因此，送水泵房為了更好地滿足工藝要求及節(jié)能需求，應優(yōu)先考慮變頻調速機組運行。

表2 A 水廠與B 水廠送水泵房的平均千噸水能耗對比（出廠水壓力0.25 MPa） kWh

2.2 優(yōu)化水泵參數(shù)選型

送水泵房常見的運行模式為多臺機組并聯(lián)運行，而水廠建設在設計之初，為了滿足最不利點的供水壓力，會根據(jù)最高日、最高時的供水需求進行水泵選型，普遍存在工況點偏移，與實際運行情況相差過大的情況。實際上，當水泵機組通過變頻器控制實現(xiàn)了流量變化的目的， 按照工藝要求只需要達到設定的壓力即可，富余揚程的壓力就是浪費能耗。為了使水泵機組運行在高效區(qū)內， 以最節(jié)能的工況滿足供水需求，需合理確定水泵揚程，必要時可改造葉輪尺寸形狀， 對實際工況不在高效區(qū)的機組進行葉輪切割，減小葉輪外徑，減輕帶負載能力，降低電流值，使水泵特性曲線發(fā)生偏移，得到理想的高效區(qū)，進而實現(xiàn)節(jié)能的需求。

2.3 選用節(jié)能型設備

水泵機組作為水廠內最主要的能耗設備， 其自身性能直接影響著整個水廠的能耗管理， 選擇效率高且高效區(qū)寬的水泵機組，能有效地降低用電損耗。通常意義而言，更優(yōu)質的葉輪材質及做工水平，意味著機組效率的提高、能耗的降低。從電氣的角度來探究，參與電能交換的變壓器亦可采用節(jié)能型變壓器，其空載、 負載損耗均比常規(guī)變壓器平均下降約10%左右，通過降低變壓器的空載損耗和負載損耗，可以提高變壓器自身效率，提高功率因素，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標。

2.4 優(yōu)化設備運行方式

針對水泵機組的運行方式，如果單泵實現(xiàn)節(jié)能，可采取的方法是在用水低峰期時，調節(jié)出口閥門，減少出水流量，降低輸出負載來實現(xiàn)節(jié)能；如果多臺機組運行，可根據(jù)機組各自的性能進行組合調配，將效率低的機組作為輔助水量和壓力的調節(jié)， 將效率高且高效區(qū)寬的機組作為主供水機組， 將效率高但高效區(qū)窄的機組作為日間高峰期供水機組。 不同機組的性能組合調度，能有效地提高效率，從而在理想環(huán)境下盡可能地降低機組的能耗。

2.5 應用自動化控制節(jié)能

通過PLC 控制可以實現(xiàn)供水管網(wǎng)壓力的自動調節(jié)以達到節(jié)能減耗的效果，具體做法是在每臺水泵機組管路上各設壓力變送器，以實現(xiàn)泵和相應閥門的連鎖，在出廠水總管上設總管壓力變送器作為恒壓供水的反饋量，同時根據(jù)壓力測量、壓力給定與變頻控制泵形成PID 閉環(huán)控制，實現(xiàn)恒壓供水節(jié)能控制。每臺水泵機組的電氣動力柜均設置智能表，PLC 通過與智能配電保護設備的通訊，實現(xiàn)對相應的供配電回路的電流、功率、電壓及供配電回路狀態(tài)等參數(shù)的集中監(jiān)控，能耗自動計入歷史數(shù)據(jù)庫，用于后期生產(chǎn)管理及經(jīng)濟分析核算，得出最佳的運行模式，減少能耗設備的運行時間，從而精準實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標。

從智慧水務層面來探究， 借助云端及各感知層設備的數(shù)據(jù)采集， 實時傳輸供水管網(wǎng)的水壓變化數(shù)據(jù)，收集用戶用水習慣規(guī)律，建立相應的水力模型，針對性地根據(jù)供水管網(wǎng)最不利點水壓的變化數(shù)據(jù)對水泵機組進行變頻控制，能夠起到更好的節(jié)能效果。

3 結語

本文探究了水廠內水泵機組的節(jié)能降耗的措施，并輔以數(shù)據(jù)及理論論述。 除此之外，水泵機組節(jié)能減耗還有其他實現(xiàn)手段， 如針對水泵本身的機械性能做出改造， 使用特殊材質或涂層以減少水泵內部的機械磨損，提高水泵效率。除去水泵機組本身的節(jié)能運用， 水廠內其余能耗設備也可以作為優(yōu)化對象，如替換LED 節(jié)能燈、減少空調使用率等[2-3]，從各方面完善節(jié)能方案。

綜上所述， 送水泵房內水泵機組的能耗問題是絕大多數(shù)水廠都存在的現(xiàn)實問題， 而水廠節(jié)能降耗則是一件長期的工作任務， 降低能耗、 降低制水成本，從社會效益和經(jīng)濟效益上而言，都能很好地為企業(yè)掙得利益，適時采用不同的節(jié)能措施，才能實現(xiàn)自來水廠節(jié)能減耗的目標。