长距离输水工程中的低碳节能措施

2010-06-15许世梁

城市道桥与防洪 2010年8期

许世梁

（上海市政工程设计研究总院，上海200092）

0 引言

2009年12，在丹麦哥本哈根举行的《联合国气候变化框架公约》缔约方第15次会议上，面对全球气候变暖的严酷现实，世界各国又一次针对气候变化的应对策略和温室气体的减排量展开了热烈的讨论。温家宝总理在大会上代表中国政府又一次庄严承诺，到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40%～45%。在如此短的时间内大规模降低二氧化碳排放，需要付出艰苦卓绝的努力，需要有更加严格的节能减排措施，在生产和消费的各个环节发掘节能减排的潜力。

我国水资源贫乏，且分布不均匀，为了解决饮水问题，促进经济发展，许多地区均在实施长距离大流量的输水调水工程。同时，近年来随着环境保护要求的提高，为保护内河淡水资源，一些长距离的污水处理尾水排放工程也相继上马。这些长距离的供排水输水工程，由于输送水量大，输送距离长，有着较高的能耗。在发展低碳经济、推动节能减排的今天，发掘工程中的节能潜力有着十分重要的意义。

1 概述

长距离输水工程的能源消耗主要是输水水泵的电耗，约占总能耗的90%以上，是节能的重点。

水泵电耗的计算公式是W=γQHt/η1η2η3（γ为水的容重；Q为泵的流量；H为泵的扬程；t为泵运行时间；η1、η2、η3分别为泵的运行效率、传动效率和电机效率）。可以看出，W 与 γ、Q、H、t成正比，与η1、η2、η3成反比。而其中，水的容重 γ 是常数，泵的流量Q和运行时间t由工程规模决定，也是定值。因此，工程的节能主要应从以下两方面考虑：降低水泵扬程H和提高水泵效率η。结合长距离输水工程的实践，这两方面又可以通过管材、管径的选择，输水路线的合理布局，以及水泵的选型和设置来实现。

2 管材与节能

目前国内用于长距离输水工程的管材有许多种，它们各有特点，其中常用的主要有钢管、球墨铸铁管、预应力钢筋混凝土管（PCP）、预应力钢筒混凝土管（PCCP）和玻璃钢夹砂管。这些管材的管内壁粗糙度有所不同，其中，钢管、球墨铸铁管和预应力钢筋混凝土管（PCP）的管内壁粗糙度为0.013，预应力钢筒混凝土管（PCCP）的内壁粗糙度为0.012，玻璃钢夹砂管的内壁粗糙度为0.010。

从节能的角度出发，管内壁的粗糙度越小，水在管道中的流动阻力损失就越小，所需的水泵扬程越低，就越节能。因此，应尽量选择管内壁粗糙度低的管材，例如：玻璃钢夹砂管。但是，在实际工程应用中，管材的选择需同时结合管道的承压大小、管径、埋深、水文地质情况、当地常规施工技术，以及工程造价等方面综合进行确定。

另外，随着近年来新技术和新材料的发展，又出现了许多新型管材，例如玻璃纤维增强树脂混凝土管。这些新型管材性能更加完善，具有更加优越的水力性能，节能效果也更好。因此，随着新型管材施工规范和验收标准的完善，可以考虑在长距离输水工程中进行试点应用。

3 管径与节能

长距离输水工程中管径的确定对于水泵的扬程和能耗有着较大的影响。在输水量一定的情况下，管径越大，管道流速越低，能耗越小，但工程投资越大，相反，管径越小，管道流速越大，能耗越高，但工程投资越小。因此，需要通过技术经济比较综合加以分析，确定工程的经济管径，控制经济流速。

在南通大型达标水排海基础设施工程中，设计输水流量为15万m3/d，对DN1400和DN1600两种管径条件下的能耗大小和工程投资加以比较，其结果见表1所列。

表1 不同管径条件的综合比较表

可以看出，在合理的流量范围内，适当增加管径，工程造价增加较少，但可以大幅降低能耗，节约运行成本，是长距离输水工程的一个不错选择。

4 路线布局与节能

长距离输水工程的特点是输水线路长，沿线地形、地物复杂，需要穿越公路、河道及其他管道等。在输水工程的起点和终点之间，一般均有着几种路线走向可供选择，各路线布局方案的管道长度和沿线复杂程度可能会有所不同。输水路线越短，管道的沿程水头损失就越小；管道沿线的地形、地物越简单，管道沿线的管配件数量越少，由管道局部变化而引起的水流紊乱就越少，局部水头损失也就越小。因此，管道的路线走向和布局，影响着管道的水头损失，从而影响着水泵的扬程和能耗。

在长距离输水工程的路线布局选择上，应在符合规划要求的前提下，尽量使管道路线顺畅、简捷，以减小管道长度和管道附件数量。同时，尽量避免管道路线穿越河道、道路等障碍物，降低局部水头损失。

5 水泵的节能

提高水泵效率、保证水泵高效运行是降低水泵电耗、促进节能减排的重要环节。水泵的效率与水泵选型、水泵运行方式，以及水泵的进出水设施等有关。

5.1 水泵的选型

水泵选型合理、可靠是确保水泵高效运行的最直接因素，应根据水泵的性能曲线和输水管道系统的特性曲线进行选型。

长距离输水工程中，一般均设有清水池或调节池等储水设施，水泵运行时不会出现流量频繁波动的情况，但是，因储水设施的规模有限，受城市用水量或排水量不均的影响，输水工程中的水泵通常会有几个不同的流量工况点。在水泵选型时，应校核水泵在各工况时的工作点参数，要求在最大流量时，水泵在高效区运行，即确保水泵能够满足最大流量、最高扬程的工况条件下，将水输送至目的地。同时，水泵的选型还应确保通过变频等调节手段使水泵的其余运行工况尽量位于水泵的高效区。

另外，长距离输水工程中的水泵流量一般都相对较大，而我国生产的大流量水泵效率比国外同类产品低约5%～10%。因此，在投资允许的情况下，可以考虑优先选用进口或合资品牌的水泵，以提高节电性能。

5.2 水泵的运行方式

按照最大流量工况条件下水泵在高效区运行进行水泵选型，只能保证一个工作点在水泵性能曲线的高效范围内，并说明所选择的水泵机组能够满足输水要求。但是，长距离输水工程的输水管道较长，输水流量的小幅变化即会引起所需扬程较大的变化，在水泵的其它工况条件下，由于输送水量减少，所需的输水压力会大幅降低。而根据水泵的特性曲线，水泵的流量降低反而会造成水泵的扬程上升。因此，一方面水泵其它工况条件下的工作点可能会偏离高效区，甚至偏出水泵的性能曲线，造成效率降低；另一方面，输水所需压力降低而水泵扬程反而升高会产生较高的富裕水头，浪费能源。因此，采用变频调速的运行调节方式尤为重要。

采用变频调节的运行方式，可以通过调整水泵的转速改变水泵的性能曲线，使水泵的各工况工作点位于水泵的高效区。同时，当水泵转速改变时，流量、扬程和轴功率分别和转速比成一次方、二次方和三次方的正比关系，也就是说变频调节转速时，轴功率的改变最大。因此，通过降低水泵转速满足输水工程中的流量和扬程变化，可以有效降低水泵的轴功率，达到节能的目的。

在南通大型达标水排海基础设施工程中，有9.5万 m3/d、12万 m3/d和 15万 m3/d三个输水流量工况。在工程设计时，按照15万m3/d的工况条件进行水泵选型和配置，并通过变频调速的方式使水泵在9.5万m3/d和12万m3/d两个工况条件下运行。表2是1号泵站各工况下变频运行方式与不变频运行方式的能耗对比。

通过表2的比较可见，对水泵采用变频调节，与仅改变水泵运行台数相比较，能够避免浪费水泵扬程，降低水泵运行功率，节能效果非常显著。