制水廠重點節(jié)能潛力的探討和實踐分析

王哲明

上海浦東威立雅自來水有限公司

0 前言

我國正快速建設(shè)發(fā)展集約型社會,供水企業(yè)作為城市保障的基礎(chǔ)性行業(yè)，在城市的正常運行和發(fā)展方面起著十分重要的作用。“十二五”以來，國家低碳環(huán)保策略成為發(fā)展主旋律，節(jié)能減排考核指標(biāo)日趨嚴(yán)格，自來水企業(yè)作為地方重點用能單位成員，積極響應(yīng)節(jié)能減排號召，從管理和技術(shù)兩方面入手，不斷提升企業(yè)能源管理水平。其中，制水廠作為自來水企業(yè)的用能大戶，是節(jié)能工作開展的重點，如何發(fā)掘其節(jié)能潛力，是企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。

1 企業(yè)能耗現(xiàn)狀

上海市浦東威立雅自來水有限公司是中國第一家集制水、輸配、服務(wù)為一體的中外合資供水企業(yè)。下屬制水廠5家，管網(wǎng)泵站10個，總制水能力202萬m3/d。供水面積達600多km2，服務(wù)人口約380萬。公司年耗能超過1萬tgce，其中能源種類主要為汽油和電力，詳細數(shù)據(jù)見圖1和圖2。

圖1 能耗構(gòu)成圖

圖2 各單位年耗電比例

圖1 顯示，電力消耗占比超過99%，占公司總能耗的絕大多數(shù)。圖2顯示公司電耗中，管網(wǎng)輸配用電為8．5%，超過91%的電力消耗在制水生產(chǎn)過程中，可見制水廠節(jié)電的效果對公司有十分重要的現(xiàn)實意義，其節(jié)能工作的重點為研究節(jié)電方面。

2 制水廠能耗分布特點及數(shù)據(jù)分析

制水廠主要生產(chǎn)過程為通過各種處理工藝對原水進行凈化處理，使其能滿足生活飲用和工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)后，再通過輸水管網(wǎng)向用戶供水。制水廠工藝流程見圖3。

圖3 制水廠工藝流程圖

因建造年代差異，公司各制水廠規(guī)模及采用的具體處理工藝不盡相同，總體上可以概括為常規(guī)處理和深度處理，以及污泥脫水系統(tǒng)。制水廠電力主要消耗在處理工藝的各個階段及水力輸配階段，各制水廠能耗數(shù)據(jù)匯總見表1。

表1 各制水廠年用電量占比匯總

由表1可知，各制水廠規(guī)模各異，處理工藝也有較大差異，但耗能結(jié)構(gòu)有明顯相似處：各制水廠能耗占比最高的均為二級泵房，而二級泵房機組和提升泵機組（原水提升或中間提升泵）合計能耗占比均在全廠電量的80%～90%區(qū)間內(nèi)，因此，主要水泵機組運行狀態(tài)和運行效率是制水廠節(jié)能工作開展的關(guān)鍵所在。此外，建有污泥脫水工藝的制水廠污泥脫水耗能約占全廠能耗的5%，處理工藝用電和生活用電為其它電耗。

3 重點節(jié)能潛力發(fā)掘及實踐效果

制水廠主要運行水泵機組均為離心泵機組，根據(jù)其運行特性，節(jié)能降耗常見措施有：選擇機組合理的揚程、改造葉輪尺寸形狀、采用節(jié)能水泵電機，匹配合適電機防止“大馬拉小車”、水泵調(diào)速等，各有優(yōu)點，需結(jié)合現(xiàn)場情況，按成本投入、改造難度和節(jié)能效果之間做出平衡和選擇。

3.1 二級泵房應(yīng)優(yōu)先保證全變頻調(diào)速機組運行

二級泵房是制水廠能源消耗最高之處，也是節(jié)能潛力最大的地方。常見運行模式為多機組并聯(lián)運行。二級泵房機組在設(shè)計階段，按城市日最高、時最高的需水量選型，普遍存在和運行工況偏差較大問題，機組運行在非高效區(qū)時間較多，同時在現(xiàn)有供水調(diào)度模式下，夜晚需提高管網(wǎng)壓力保證屋頂水箱進水，因此二泵級房機組壓力變化較大：

由圖4可知，正常情況下，一天內(nèi)機組壓力變化范圍可達100kPa，從220kPa到320kPa，如此寬的壓力工況范圍，定頻機組即使是節(jié)能機組也很難維持在高效區(qū)間。

從分布數(shù)據(jù)可知，盡可能保證約75%時間的運行效率，而變頻機組可以確保在較大壓力區(qū)間內(nèi)高效運行，保持良好的能耗表現(xiàn)。

表2為兩個制水廠二級泵房能耗單耗對比情況。全變頻機組運行與變頻機組和定頻機組對比，全變頻機組有明顯能耗優(yōu)勢，平均單耗要低12．83kWh/千t，超過10%的節(jié)電率。按40萬t的制水廠為例，僅此一項，每天節(jié)電可超過5 000kWh，實現(xiàn)年節(jié)電量187萬kWh，經(jīng)濟效益超過百萬元。如對比大小車搭配運行的定頻機組，節(jié)電效果更為明顯，數(shù)據(jù)顯示節(jié)電率可大于15%。

因此，二級泵房內(nèi)使用全變頻機組具有十分明顯的經(jīng)濟意義，同時，變頻調(diào)速也有利于供水調(diào)度和調(diào)整。

組合運行，可以清楚的發(fā)現(xiàn)，在達到相似或者更高的出廠壓力（即更好的供水效果）中間提升泵的選擇合理揚程實踐如下：

表2 二級泵房單耗對比

提升泵用于原水提升或中間提升，往往采用變頻電機來實現(xiàn)調(diào)整流量目的，按工藝要求只需達到一定壓力即可，富余壓力就是能源浪費，其中也有可觀的節(jié)能潛力。某制水廠中間提升泵實際揚程為11．5m，提升后離實際水位有超過2m的水位差，如適當(dāng)降低揚程即可降低提升泵單耗，降低1m揚程，理論節(jié)能潛力可達8%。割除中間提升泵井筒1m后，實際節(jié)能效果如表3。

表3 中間提升泵改造前后單耗對比

年運行數(shù)據(jù)顯示，改造前后中間提升泵單耗由每千噸46．70kWh下降到每千噸43．72kWh，每千t下降約3kWh時，降幅6．4%。以該制水廠每天60萬t水量計算，可實現(xiàn)年節(jié)電量超過60萬kWh。實際工程費用僅為20 000元。同時，中間提升最大時運行水量也有顯著提升。

3.2 更新適合工況機組改善攔閥門運行模式

當(dāng)制水廠供水能力過大，無法匹配生產(chǎn)能力時，在沒有調(diào)速裝置的情況下只能選擇攔閥門運行，采用這種模式，很大部分能量消耗在閥門上，存在著極大的能源浪費，應(yīng)進行改造，更新為符合實際工況機組。由于現(xiàn)場無條件安裝高壓變頻設(shè)備，只能按實際工況選擇合適機組。改造前后機組能耗對比見表4。

月統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比表明，更新后機組不再需要攔閥門運行，能耗單耗下降可觀，以該水廠每天5萬噸水量計算，可實現(xiàn)年節(jié)電量超過50萬kWh，每個月節(jié)能率均在20%以上。

表4 更新節(jié)能機組前后單耗對比

3.3 提升水庫運行水位

提升水庫運行水位的原理在于降低水泵凈揚程，在同一管網(wǎng)壓力下，水庫運行水位越高，進水側(cè)壓力越高，則水泵實際提升的揚程越低，從而達到節(jié)能降耗的目標(biāo)。按千噸水提升1m耗電3．6kWh估算，水庫運行水位上升0．25m，以40萬t制水廠為例，全年節(jié)電量：0．25×3．6×400×365=13萬kWh，節(jié)能潛力十分可觀。

以上歸納介紹了幾種制水廠重點水泵機組的節(jié)能潛力計算和改造實踐分析，除此之外，減少水泵本身機械性能方面造成的損失，使用特殊噴涂材料降低水泵內(nèi)表面的摩擦損失，更新低損耗變壓器、匹配合適功率電機等均為節(jié)能的有效手段。除重點耗能部分，也應(yīng)多關(guān)注其余設(shè)備耗電狀況，如更新節(jié)能燈，合理使用空調(diào)等等，積少成多，節(jié)能量也將十分可觀。

綜上所述，制水廠節(jié)能降耗工作是一項長期的艱巨任務(wù)。制水廠能耗成本占制水總成本比例較高，制水廠開展節(jié)能與降耗，具有十分重要的意義，不僅可以降低自身能耗，完成各類能耗考核指標(biāo)，同時也可提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。此外，我們也應(yīng)認識到，對企業(yè)而言，節(jié)能工作并不能局限于制水廠，管網(wǎng)的運行模式，調(diào)度的調(diào)整優(yōu)化，都會對制水廠能耗水平產(chǎn)生重大影響，需要企業(yè)從高處著手，統(tǒng)籌考慮。