原水泵站控制系統(tǒng)改造與效益分析

柳佳瑛

(上海城投原水有限公司黃浦江原水廠，上海201114)

1 項(xiàng)目概況

黃浦江原水廠臨江泵站一泵房屬于青草沙原水供水系統(tǒng)的中下游，主要供應(yīng)長(zhǎng)橋水廠和徐涇泵站，供水量約為200×104m3/d。泵房?jī)?nèi)有大型電機(jī)6臺(tái)，分別為異步機(jī)組3臺(tái)(串級(jí)調(diào)速控制)和同步機(jī)組3臺(tái)(勵(lì)磁控制)，額定電壓均為6000 V。實(shí)際運(yùn)行中，最高揚(yáng)程為9 m，平均揚(yáng)程為3.75 m，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)技術(shù)參數(shù)

該泵房自1987年建廠通水至今已運(yùn)行30余年，機(jī)泵本體、葉輪和電氣控制裝置均幾經(jīng)改造升級(jí)，但電機(jī)本體從未更新(除2015年將異步2#電機(jī)的額定功率由原來(lái)的1 600 kW更新改造為1 200 kW)。隨著使用年限的不斷增加，目前存在的主要缺陷與不足如下。

① 電機(jī)的絕緣性能已顯著下降，且該泵房電機(jī)30年前的設(shè)計(jì)絕緣等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為B級(jí)，而目前大部分大型電機(jī)的絕緣等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為F級(jí)，存在一定的安全隱患。依靠定期的大檢修和電氣檢測(cè)保障安全運(yùn)行，達(dá)不到本質(zhì)安全的要求。

② 隨著青草沙系統(tǒng)的投運(yùn)，運(yùn)行工況較過(guò)去臨江頭部或大橋泵站取水有很大的改變。經(jīng)過(guò)近幾年的運(yùn)行與摸索，調(diào)量的要求越來(lái)越高，調(diào)速范圍較大，目前的調(diào)速控制裝置已經(jīng)很難滿(mǎn)足需求，整體水量控制比較困難。

2 同步3#控制系統(tǒng)改造前的運(yùn)行情況

目前臨江一泵房有兩路35 kV進(jìn)線(xiàn)電源，每段母線(xiàn)下分別有3臺(tái)機(jī)組。由于外電網(wǎng)可能發(fā)生單路失電、電網(wǎng)波動(dòng)等故障，出于安全考慮，通常會(huì)在兩段母線(xiàn)上分別運(yùn)行1臺(tái)機(jī)泵，以防止整個(gè)泵站停水。

但兩段母線(xiàn)下的機(jī)泵調(diào)速能力不同，6 m揚(yáng)程下的平均流量見(jiàn)表2。

表2 機(jī)泵平均流量

由表2可以看出，在機(jī)泵搭配時(shí)：

① 供水量在37 000～39 000 m3/h時(shí)，開(kāi)啟1臺(tái)流量最大的異步3#機(jī)泵，水量不夠；同時(shí)開(kāi)啟2臺(tái)調(diào)速機(jī)泵且全部最低速運(yùn)行，水量會(huì)偏大。

② 供水量在33 000～37 000 m3/h時(shí)，只有開(kāi)啟1臺(tái)異步3#機(jī)泵方能滿(mǎn)足水量需求。

③ 除異步3#機(jī)泵外，其他2臺(tái)調(diào)速機(jī)泵搭配同步機(jī)組運(yùn)行時(shí)的調(diào)量范圍小，低于52 000 m3/h時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足調(diào)量的需求。

④ 除了異步3#機(jī)泵，雖然同時(shí)運(yùn)行異步1#、異步2#機(jī)泵的調(diào)量范圍較1臺(tái)調(diào)速搭配1臺(tái)同步機(jī)組時(shí)大，但是2臺(tái)機(jī)泵都處于Ⅰ段上，發(fā)生外電網(wǎng)故障可能全部跳車(chē)，無(wú)法保證安全供水。

綜上所述，只有搭配異步3#機(jī)泵，才能最大程度滿(mǎn)足目前的水量供應(yīng)需求。因此，6臺(tái)機(jī)泵中異步3#機(jī)泵的運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)，見(jiàn)表3。

表3 各臺(tái)水泵的全年運(yùn)行時(shí)間 h

從表3可以看出，近3年同步機(jī)組的利用率極低，異步3#的運(yùn)行時(shí)間分別占全年運(yùn)行時(shí)間的97%、91%和89%。該機(jī)組的長(zhǎng)期運(yùn)行，一方面造成機(jī)泵和控制設(shè)備的元器件老化加快，一旦發(fā)生故障，調(diào)節(jié)水量極為困難；另一方面，其他機(jī)組的使用率低，尤其是同步機(jī)組，存在資源浪費(fèi)的情況。

綜合分析認(rèn)為，優(yōu)先將臨江一泵房同步3#電機(jī)及其控制系統(tǒng)改造為變頻調(diào)速系統(tǒng)。

考慮到目前變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用上。風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載采用變頻調(diào)速后，節(jié)電率為20%～60%，這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載的實(shí)際消耗功率基本與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)用戶(hù)需要的平均流量較小時(shí)，風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)采用變頻調(diào)速使轉(zhuǎn)速降低，節(jié)能效果非常明顯。而傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)采用擋板和閥門(mén)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變，耗電功率變化不大[1]。

3 同步3#控制系統(tǒng)改造后的運(yùn)行情況

將同步3#機(jī)組的控制系統(tǒng)由勵(lì)磁控制改造為變頻控制、對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)改為異步電機(jī)后，2020年3月正式投運(yùn)，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 改造后的運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)運(yùn)行情況，改造后的同步3#機(jī)組的水量調(diào)節(jié)為12 000～32 500 m3/h。

3.1 調(diào)量范圍

變頻調(diào)速機(jī)組投運(yùn)后，擴(kuò)大了調(diào)量范圍，同時(shí)開(kāi)啟I段上的調(diào)速機(jī)組(異步1#或異步2#)以及II段上的同步3#機(jī)組，能滿(mǎn)足31 000～65 500 m3/h的水量需求。

該機(jī)組的投運(yùn)，解決了原機(jī)組搭配時(shí)水量調(diào)節(jié)范圍的矛盾，減少了異步3#機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間，起到了優(yōu)化調(diào)度的作用。兩段母線(xiàn)各運(yùn)行1臺(tái)機(jī)組，也保障了抗外界環(huán)境變化的安全性。

3.2 節(jié)能降耗

2019年同步3#機(jī)組進(jìn)行改造，開(kāi)泵時(shí)間少且該年部分?jǐn)?shù)據(jù)為改造后的調(diào)試數(shù)據(jù)。因此，選取2017年和2018年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，與改造后的同步3#機(jī)組變頻運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，見(jiàn)表5。

此外，選取臨江泵站一泵房在同步3#機(jī)組改造前后，其投運(yùn)時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)作對(duì)比，見(jiàn)表6。

由表5和表6可以看出，改造后同步3#機(jī)組的電基數(shù)明顯下降，實(shí)現(xiàn)了一定的節(jié)能效果。

表5 同步3#機(jī)組改造前后運(yùn)行對(duì)比

表6 同步3#機(jī)組改造前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)

4 效益分析

根據(jù)今年的水量需求(18 709×103m3)，由表5可計(jì)算得出每月同步3#機(jī)組可節(jié)約電量57 249.54 kW·h左右，以平均電價(jià)0.736元/kW·h計(jì)，每年可節(jié)約電費(fèi)約50.56萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

改造完成后變頻機(jī)組的投運(yùn)，極大地平衡了兩段供電與供水能力，提高了機(jī)泵利用率，優(yōu)化了調(diào)度。更換新電機(jī)后，老舊設(shè)備的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)降低。此外，變頻機(jī)組的電基數(shù)較同步機(jī)組明顯下降，起到了一定的節(jié)能作用。