全自動無負壓供水設備改造及節電效果分析

0　引　言

      由于某公司建廠初期市政供水能 力不足, 經過水行政主管部門批準并核發《取水許 可證》,該公司實行自備井供水。水源井見表1。

      原供水系統基本構成如下: 地下管網全長 10 000 m,建有一座200 m3 儲水塔。最初,供水 系統采用水泵先將地下水抽到儲水塔,再從儲水 塔向用水單位供水,三臺泵由人工控制,并利用電 接點壓力表輔助控制水泵供水壓力及水泵的起運 和停止。這些都導致原供水系統存在以下問題。

(1) 供水壓力波動大,無法滿足該公司生產 生活需求。整個供水系統由三個水泵站組成,由 三個值班工分別根據1#、2#、3#泵出口壓力,自行 決定大井開停,水壓易受值班人員的影響,無法達 到最佳開停匹配,從而無法滿足壓力需求。

(2) 電能浪費大,管網承壓大,易造成管網泄 漏損壞。整個供水系統需要24 h不間斷供水,用 水量及對供水壓力的要求隨季節、生產周期、每天 的工作時段等的不同而變化很大。用人工調節, 即使是值班人員責任心很強,也很難及時有效地 調節。造成高峰時壓力不足,低谷時壓力過高,電 機空轉。

(3) 通過水塔供水,水塔容積只有200 m3 , 供水量及供水壓力受水塔本身限制;同時,水塔建 在公司生產區正中央,影響公司整體規劃。

(4) 生產區和生活區用水采取一個供水系 統,尤其是生活區平房、多層樓房、高層住宅交叉 分布控制工程網版權所有,用水需求情況不同,供水壓力無法在經濟區 域運行。

(5) 居民生活用水由企業供應,不利于節水 意識的培養控制工程網版權所有,多年來居民用水回收率僅為50%左 右,浪費嚴重,增加了企業供水系統的成本。

1　無負壓供水設備變頻調速技術的發展及節電原理

1. 1　無負壓供水設備變頻調速供水技術的發展

      無負壓供水設備變頻調速恒壓供水技術是20世紀80年代后 期發展起來的[ 1 ] ,隨著電力技術的發展,變頻調 速技術日臻完善,以變頻調速為核心的智能供水 控制系統取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設 備,起動平穩,起動電流可限制在額定電流以內, 從而避免了起動時對電網的沖擊;由于泵的平均 轉速降低了,從而可延長泵和閥門等的使用壽命; 可以消除起動和停機時的水錘效應。其穩定安全 的運行性能、簡單方便的操作方式、齊全周到的功 能,將使供水實現節水、節電、節省人力,最終達到 高效率運行的目的[ 2 ] 。

      變頻調速恒壓供水技術能實現水泵的軟起 動,減小水泵起動時的沖擊電流,使水泵的使用壽 命延長,在調節水泵流量時,可以節約可觀的能 量。因此,其具有節能、安全、供水品質高等優點, 是先進、合理的節能型供水系統,在供水行業得到 了廣泛應用。變頻調速恒壓供水系統實現水泵電 動機無級調速,根據用水需求,自動調節系統的運 行參數控制工程網版權所有,在用水量發生變化時,保持水壓恒定,以 滿足用水要求。

      與過去的水塔或高位水箱及氣壓供水方式相 比,無論是在設備投資,運行經濟性,還是在系統 穩定性、可靠性及自動化程度等方面,變頻調速恒 壓供水都占據絕對的優勢,而且具有顯著的節能 效果,已引起企業的廣泛關注及普遍采用。 變頻調速恒壓供水技術,在短短幾年內,經歷 了一個逐步完善的發展過程,早期的單泵調速恒 壓系統逐漸為多泵系統所代替。目前,變頻調速 恒壓供水系統正向著高可靠性、全數字化微機控 制、多品種的方向發展p; 1. 2　變頻調速節電理論分析

1. 2. 1　變頻調速電機節電分析

      變頻調速器將電網中的三相交流整流成直流 電后CONTROL ENGINEERING China版權所有,通過逆變器再將直流電逆變為電壓可調、頻 率可調的三相交流電驅動異步電動機,實現調速 和節電。

三相異步電機轉速為[ 4 ] :

n2 = n1 (1 - s) = 60f1 (1 - s) / p (1)

式中: n2 ———轉子轉速, r/min;

n1 ———同步轉速;

p———極對數;

f1 ———電源頻率, Hz;

s———轉差率。

由式(1)可知:轉速可以通過改變電源頻率、 繞組的極對數或轉差率等進行改變www.cechina.cn,一般p、s不 變www.cechina.cn,即: n2∝ f1。

水泵的轉速又稱轉數,根據每分鐘旋轉多少 轉來計算,用字母n表示(單位為r /min) ,銘牌中 規定的轉速是最大的轉數,不能任意提高,降低轉 速不宜低于50% ,水泵轉速改變時,它和軸功率的 變化關系是: n1 / n2 =N1 /N2 ,即:變速后軸功率=原 軸功率×(后轉速/原轉速) 。一般原功率、原轉 速一定,設f1 降為a% ,則: n2 下降a% ,由此得:

例如,若f1 降30%時,消耗功率為額定功率 的34. 3% ,節電率為65. 7%。

1. 2. 2　變頻調速供水系統節電分析

變頻調速供水系統的節電原理見圖1[ 1 ] ,水 泵額定運行時的工況點D是泵的特性曲線Nn 與 管路阻力曲線R1 的交點。

傳統供水系統利用閥門控制水泵,如需減小 用水,即流量從Qn 減小到Q1 ,需要關小閥門,使 閥門的摩擦阻力變大。即:阻力曲線從R1 轉移到 R′1 ,揚程則從H3 升到H4 ,運行工況點從D點轉 移到A點。

變頻調速供水利用變頻器控制水泵,閥門沒 有開關變化,因此阻力曲線R1 不變。為使流量改變,需要改變水泵的轉速。如果把速度從nn 降到 n1 ,特性曲線也從Nn 轉移到N1。此時,運行工況 點從D點轉移到C點,揚程從H3 下降到H2 ,流量 從Qn 減小到Q1。則: A 點水泵的功耗為PA = kH4Q1 /η, C點水泵的功耗為PC = kH2Q1 /η,兩者 的差值為ΔP = PA - PC = k (H4 - H2 ) Q1 /η。即: 用閥門控制水泵流量時,有ΔP的功率被浪費掉 了,并且這個損耗隨著閥門的關小而增加。

2　無負壓供水設備改造方案及可行性分析

2. 1　整體供水改造方案

(1) 生產區保留自備井供水控制工程網版權所有,取消水塔,取消 人員值班,全部采用變頻調速技術對三臺大井進 行恒壓供水智能控制系統改造;

(2) 生活區居民生活用水改造結合平頂山市 實施的自來水“一戶一表、水表出戶”改造工程進 行控制工程網版權所有,改造后居民供水管理、抄表收費即管道維修工 作由平頂山市自來水公司負責,對由于市政供水 壓力較低,無法直接供水的局部高層住宅,加裝變 頻恒壓供水設施。

2. 2　可行性分析

(1) 采取自備井供水符合當地政府有關水資 源管理政策。由于當地政府供水能力不足,允許 企業在獲得取水許可手續后,繼續采用自備水源 井自行供水。

(2) 自備水源井供水有利于降低企業生產成 本。自備水源井供水成本主要包括:向市政府繳 納的污水處理費和水資源費CONTROL ENGINEERING China版權所有,用電成本、設備折 舊、設備維修、運行管理及漏失損耗等費用。平頂 山市規定的污水處理費收費標準,按取水量的 40%計算,每噸收費標準為0. 8元;平頂山市規定 的地下水資源收費標準為每噸0165元;平均每噸 水用電0152 kWh,電價按017元/kWh計算控制工程網版權所有,平均 每噸水電費為0. 364元;值班人員13人,工資支 出26萬元,平均每噸水運行費用為01132 65元; 設備折舊及維修費用每年平均為5萬元,平均每 噸水費用為01025 5元;管網漏失率為10%。綜 合以上因素計算的企業自備水源井供水綜合成本 為1164元/噸。

市政工業用水價格為每噸2. 6元,主要包括: 基本水價、公用事業附加費、污水處理費、水資源 費等費用。市政居民生活用水價格為每噸1. 85 元,主要包括:基本水價、公用事業附加費、污水處 理費、水資源費等費用。

(3) 居民區采用市政直接供水,符合國家有 關居民用水社會化管理及自來水“一戶一表、水 表出戶”改造的政策,有利于加強管理,減小企業 負擔,支持企業發展。

該公司自備水源井供水綜合成本為1164 元/噸,如考慮回收低及管理、抄表、維修等費用www.cechina.cn, 企業居民自供水成本約3. 5元/噸。而由市自來 水公司直接管理控制工程網版權所有,居民生活用水價格每噸僅為 1185 元,不需要企業再承擔其他費用。同時,改 造后基本不增加居民負擔。

3　變頻調速供水改造實施

3. 1　生產區供水系統變頻調速技術改造實施

該公司恒壓供水智能控制系統以STD總線工控機為中心,利用變頻器對主要水泵的壓頭進 行連續調節,輔以對其他水泵的開關控制來實現恒壓供水。同時,具備對各種數據進行處理、報警 保護、故障處理等功能。