水泵機(jī)組能耗分析與節(jié)能運(yùn)行控制

成朝暉

（珠海水務(wù)集團(tuán)有限公司，廣東 珠海519000）

1 影響水泵機(jī)組能耗的相關(guān)因素

泵站實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，影響機(jī)組能耗的因素較多，有電網(wǎng)的供電質(zhì)量問(wèn)題，也有站內(nèi)負(fù)荷分配與運(yùn)行調(diào)度、水泵設(shè)計(jì)選型與運(yùn)行調(diào)節(jié)控制等問(wèn)題。針對(duì)不同的因素，采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，能有效降低能耗，提高運(yùn)行效率。

1.1 電源三相不平衡對(duì)水泵機(jī)組能耗產(chǎn)生的影響

在水廠的二級(jí)（清水）泵房，大多還采用380 V的低壓機(jī)組，而用電系統(tǒng)負(fù)荷卻非單一的三相電機(jī)，單相負(fù)載仍占有相當(dāng)?shù)谋壤蚨鴺O有可能引起供電電源三相不平衡。對(duì)三相供電系統(tǒng)，按對(duì)稱(chēng)分量法可分解為正序、負(fù)序、零序分量，正序分量產(chǎn)生正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，對(duì)應(yīng)為正向轉(zhuǎn)矩；負(fù)序分量產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，相應(yīng)為反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；零序分量具有相同相角，不產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩，但會(huì)發(fā)生電磁振蕩，引起發(fā)熱、溫度升高，并在星形連接的電機(jī)中性點(diǎn)與供電系統(tǒng)零線之間產(chǎn)生電位差，出現(xiàn)中性點(diǎn)移位現(xiàn)象。由于負(fù)序分量的存在，其反向力矩使得電機(jī)的輸出功率大打折扣，不能產(chǎn)生滿(mǎn)額定轉(zhuǎn)矩；同時(shí)，電機(jī)軸承在不同的轉(zhuǎn)矩分量作用下，可能發(fā)生機(jī)械損壞；電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子尤其是轉(zhuǎn)子會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱，加速絕緣老化等。相應(yīng)地，水泵能耗會(huì)變大，使機(jī)組效率降低，水泵的配套電機(jī)還得降低容量等級(jí)使用。

1.2 電源諧波對(duì)水泵機(jī)組能耗產(chǎn)生的影響

電源低壓系統(tǒng)由于存在一些采用可控硅、PC開(kāi)關(guān)電源、變頻器等電子功率變流器的負(fù)載，會(huì)使電源系統(tǒng)產(chǎn)生高次諧波，而高次諧波會(huì)對(duì)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生附加損耗，造成電磁噪音、振動(dòng)和過(guò)電壓。

1.3 泵站設(shè)計(jì)選型對(duì)水泵機(jī)組能耗產(chǎn)生的影響

水泵在設(shè)計(jì)選型時(shí)，由于對(duì)管路各種損失的計(jì)算通常采用最不利的運(yùn)行工況，且為安全保險(xiǎn)而選用偏大的摩擦阻力系數(shù)、安全系數(shù)，最終會(huì)造成選用的水泵揚(yáng)程偏高，使得水泵額定揚(yáng)程比實(shí)際運(yùn)行揚(yáng)程大得多。水泵在過(guò)低揚(yáng)程運(yùn)行時(shí)，可能引起配套電機(jī)過(guò)載，水泵運(yùn)行偏離高效區(qū)等，不利于節(jié)能。

2 改造實(shí)例

唐家水廠位于珠海市東北部唐家灣地區(qū)，原水取自鳳凰山水庫(kù)，是唐家灣地區(qū)目前唯一的水廠，一期工程制水流程設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力12萬(wàn)m3／d，由于唐家灣地區(qū)以高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)及高等教育學(xué)院等綠色產(chǎn)業(yè)為主，同時(shí)人口也不多，所以1997年投產(chǎn)后，供水量增長(zhǎng)緩慢，近3年來(lái)年均增長(zhǎng)率僅為0.92%，供水量不大，但送水泵房機(jī)組能耗多年來(lái)一直較高，機(jī)組效率持續(xù)降低。為了加強(qiáng)節(jié)能降耗，提高機(jī)組效率，特對(duì)唐家水廠送水泵房機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行分析，并提出改造方案。

2.1 水廠近3年機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

唐家水廠近3年來(lái)日均供水量62 480 m3／d，最大為85 453 m3／d，最小為41 489 m3／d。唐家灣地區(qū)近幾年供水形勢(shì)平穩(wěn)，水廠仍有較大生產(chǎn)裕量，集團(tuán)公司在保證供水的前提下，加強(qiáng)了調(diào)度經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理，使得供水管網(wǎng)不斷優(yōu)化，管網(wǎng)總需求壓力逐漸降低，管網(wǎng)總能耗下降。目前，水廠存在機(jī)組單位能耗偏高、效率偏低的現(xiàn)象，為配合管網(wǎng)調(diào)度經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與節(jié)能降耗，有必要對(duì)水廠機(jī)組的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析。

2.2 唐家水廠二泵房機(jī)組現(xiàn)狀

唐家水廠送水泵房現(xiàn)有5個(gè)機(jī)位，已安裝5臺(tái)機(jī)組（其中1＃機(jī)組原采用變頻器控制，1999年變頻器故障后，一直停機(jī)未運(yùn)行），日常生產(chǎn)根據(jù)壓力的變化，采用2＃、3＃、4＃、5＃4臺(tái)機(jī)組相互搭配的方式運(yùn)行。機(jī)組參數(shù)如表1所示。

表1 唐家水廠二泵房機(jī)組參數(shù)

通過(guò)對(duì)比現(xiàn)有水泵參數(shù)與實(shí)際壓力需求可知，唐家灣地區(qū)供水壓力不高于0.43 MPa，但1＃、2＃、4＃、5＃機(jī)組額定揚(yáng)程均為48 m，從實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看供水總管壓力基本在0.4 MPa左右，唐家水廠送水泵房現(xiàn)有5臺(tái)機(jī)組水泵運(yùn)行工況均已遠(yuǎn)離高效區(qū)（3＃機(jī)組額定揚(yáng)程43 m，但由于額定流量偏小，實(shí)際運(yùn)行中壓力偏低，運(yùn)行工況也已遠(yuǎn)離高效區(qū)），水泵特性與管網(wǎng)管道特性已不匹配，這就是機(jī)組單位電耗偏高、效率偏低的主要原因。為了節(jié)能降耗，保證供水需求，需對(duì)送水泵房現(xiàn)機(jī)組按實(shí)際需求進(jìn)行更換改造。

2.3 新機(jī)組選型

2.3.1 參數(shù)確定

根據(jù)近3年出廠總管年平均壓力及流量分布情況統(tǒng)計(jì)，唐家水廠目前出廠總管平均壓力在0.37～0.43 MPa范圍內(nèi)，考慮到未來(lái)唐家灣地區(qū)發(fā)展及輸水主干管擴(kuò)建等因素，出廠總管壓力將不會(huì)升高，而是穩(wěn)中略降，所以新泵揚(yáng)程不宜高也不宜低，選在40 m較合適。

唐家水廠全天出廠水流量基本在以下3個(gè)區(qū)間：

（1）1 200～1 500 m3／h，主要在凌晨供水低谷時(shí)段（約6 h，壓力0.41 MPa左右）。

（2）2 300～2 700 m3／h，主要在下午及高峰低谷轉(zhuǎn)換時(shí)段（約8 h，壓力0.40 MPa左右）。

（3）3 400～3 800 m3／h，主要在上午、晚上供水高峰時(shí)段（約10 h，壓力0.39 MPa左右）。

從流量及時(shí)段來(lái)分析，新泵流量宜選1 400 m3／h、3 600 m3／h兩個(gè)級(jí)別，通過(guò)不同水泵組合搭配及水泵自身的調(diào)節(jié)性，可以滿(mǎn)足各時(shí)段流量的需求。

2.3.2 搭配方案

根據(jù)新泵流量及實(shí)際供水需求狀況，新泵的搭配方案如表2所示。

表2 新水泵機(jī)組搭配方案

對(duì)照分析以上4個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，從實(shí)用性考慮，方案Ⅱ和方案Ⅳ較有優(yōu)勢(shì)；再進(jìn)一步考慮前期投入及以后的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和為未來(lái)發(fā)展留有空間等方面，方案Ⅳ更有優(yōu)勢(shì)。

2.4 機(jī)組改造后的節(jié)能效果

新機(jī)組改造按方案Ⅳ進(jìn)行節(jié)能計(jì)算，選定水泵參數(shù)（選某合資公司相同參數(shù)某型號(hào)水泵進(jìn)行節(jié)能測(cè)算）如下：流量1 400 m3／h，揚(yáng) 程 40 m，軸 功 率 180 k W，額 定 效 率 85%（ASP350-450 A）；流量3 600 m3／h，揚(yáng)程40 m，軸功率445 k W，額定效率88.2%（SFWP50-600S1）。

對(duì)唐家水廠實(shí)際工況進(jìn)行測(cè)算對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 唐家水廠實(shí)際工況測(cè)算對(duì)比

如果采用新機(jī)組，各時(shí)段流量及軸功率均按各區(qū)間平均數(shù)來(lái)計(jì)算。那么在供水量相同的條件下，配套電機(jī)效率按93%計(jì)，全年將比舊機(jī)組節(jié)電50萬(wàn)k W·h，全年用電量將下降13.8%?？晒?jié)約電費(fèi)（按0.74元／k W·h計(jì)）：500 000×0.74＝370 000元。

若按方案Ⅳ，只換水泵（按某合資公司報(bào)價(jià)）不換電機(jī)，仍用原電機(jī)，費(fèi)用如下：3臺(tái)水泵總價(jià)64萬(wàn)，安裝調(diào)試及相關(guān)附件費(fèi)15萬(wàn)，3臺(tái)機(jī)組改造費(fèi)用共79萬(wàn)。改造完成投入運(yùn)行后，2年即可收回投資成本。

通過(guò)以上分析得出結(jié)論：唐家水廠送水泵房機(jī)組節(jié)能改造采用方案Ⅳ是合適的，也是有必要的。最終，唐家水廠送水泵房機(jī)組節(jié)能改造工程在2013年圓滿(mǎn)完成。為了確保唐家灣地區(qū)的供水水壓，按照實(shí)際用水情況將水泵最佳效率點(diǎn)的揚(yáng)程上調(diào)了2 m，定為42 m，也對(duì)所選水泵進(jìn)行了適當(dāng)修改。根據(jù)近一年的跟蹤統(tǒng)計(jì)，節(jié)能效果非常明顯，按生產(chǎn)運(yùn)行報(bào)表數(shù)據(jù)計(jì)算，全年實(shí)際比舊機(jī)組節(jié)電467 028 k W·h，全年用電量下降13%。

3 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)行中的泵組能耗指標(biāo)受2方面因素影響，既有來(lái)自設(shè)備本身的因素，又有來(lái)自電網(wǎng)和輸水管網(wǎng)的外部因素，用戶(hù)可以通過(guò)對(duì)運(yùn)行參數(shù)的測(cè)試與分析，展開(kāi)有針對(duì)性的技術(shù)改造。對(duì)大多數(shù)泵站而言，可利用現(xiàn)有的測(cè)量?jī)x表、數(shù)據(jù)采集裝置，實(shí)時(shí)地計(jì)算并顯示泵組的單位能耗、系統(tǒng)效率，并通過(guò)歷史數(shù)據(jù)的追索，確定最佳運(yùn)行工況點(diǎn)，利用現(xiàn)代控制技術(shù)達(dá)到節(jié)能的目的。

［1］張嘉恩.關(guān)于水泵機(jī)組節(jié)能運(yùn)行的制約因素分析及改進(jìn)建議［J］.給水排水，2013（4）

［2］王全東，鐘佃洲，肖芙蓉.水泵機(jī)組運(yùn)行效率及節(jié)能分析［J］.南方金屬，2001（3）

［3］王新坤，袁壽其，劉建瑞，等.輕小型噴灌機(jī)組能耗計(jì)算與評(píng)價(jià)方法［J］.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010（3）