变频恒压供水调度运行模式优化

仇 坚，薛 明，陈 捷

(上海市自来水市北有限公司，上海 200086)

1 项目背景与研究目标

1．1 宝山地区主要管网结构

宝山地区供水主要由吴淞水厂(供水能力18万t/d，最大供水量7 000 m3/h)、月浦水厂(供水能力40万t/d，最大供水量18 000 m3/h)、泰和水厂(供水能力80万t/d，最大供水量36 000 m3/h)供应(如图1所示)。宝山北部地区的用水主要是由月浦水厂供应，月浦水厂出水管主要由蕰川路DN1400、蕰川路 DN1200、蕰川路 DN700、潘泾路DN800、抚远路DN800等组成，中途不设加压/水库泵站。

1．2 宝山地区压力情况

如图2所示，根据水力模型计算可得月浦水厂供水范围自西向东大致为富锦路—潘泾路—宝安公路—蕰川路—泰和西路，宝山北部区域及吴淞部分区域由月浦水厂直供，因此月浦水厂出水压力波动对这些地区测压点压力存在直接影响。

图1 宝山主要供水管网Fig．1 Baoshan Main Water Supply Network

图2 市北各水厂供水范围Fig．2 Water Supply Area of Shanghai North Water Supply Company

图3 马泾桥测压点7月29日压力Fig．3 Majinqiao Water Pressure in July 29th

图4 陈行测压点7月29日压力Fig．4 Chenhang Water Pressure in July 29th

由图3、4可知，宝山地区测压点马泾桥、陈行在月浦水厂出水的直接影响下，全天压力变化幅度较大，除去夜间上水箱加压时段，全天变化波动范围约80 kPa，夜间(0:00～5:00)和午后早晚高峰之间压力较高，富余水头现象较突出，同时月浦水厂更换机泵等操作会使压力出现大幅波动，不利于安全供水。

1．3 项目研究主要内容

宝山地区用水需求变化较大，总体服务压力较高，夜间、早晚高峰、午间各时段水量变化显著。换车时不但操作烦琐，而且压力骤变增加了风险，影响管网的平稳运行，为解决这一矛盾对月浦水厂调度模式进行优化研究。综合考虑，基于变频恒压控制的调度模式是解决上述矛盾的有效办法。要实现月浦水厂调度模式改变，需将月浦水厂中一台或者二台水泵改造成变频泵，进行压力控制。从而使水厂能够根据外部需水量变化，实时平稳地调节水量，降低富余水头和压力波动，提高服务质量和水平，以此实现经济效益和社会效益的最优化。主要研究内容有:

(1)通过总结日常调度确定各时段流量总体变化范围，研究各时段流量条件下对应压力范围，以此为变频水泵流量改造依据。

(2)对月浦6台水泵日常开关、调度运行组合情况进行考量，研究确定变频泵运行组合方案。

(3)研究水泵电路、吸水井限制因素，选择需改造的变频水泵。

(4)设计变频泵运行压力/流量传感控制方案，以及相应PLC控制系统。

(5)综合研究变频及控制相关设备选型的影响因素。

(6)完成设备安装，进行设备调试。

(7)根据测压点压力与水厂出厂压力和流量的变化关系，结合管网模型进行模拟运算，研究其中变化规律，从中找出不同季节中安全、节能的运行工况。

(8)制定不同季节不同时段常规调度中恒压供水的压力控制范围。

2 项目改造前期调研

2．1 月浦水厂现状

月浦水厂现规模40万t/d，水厂二级泵房现设置6台水泵，具体水泵及电动机主要参数如表1所示。

表1 月浦水厂机泵配备Tab．1 Pump of Yuepu Water Supply Company

其中 21、23、25 号机泵连接 I段电源，22、24、26号机泵连接II段电源，21、22、23号机泵自1号吸水井取水，24、25、26号机泵自2号吸水井取水。

月浦水厂常年运行压力约230 kPa～300 kPa，常用机泵组合如表2所示。

表2 月浦水厂常用机泵组合Tab．2 Common Pump Combination of Yuepu Water Supply Company

由于受机泵、电源及吸水井限制，月浦水厂出厂水量大致为11000、13500、16 000、17 000 m3/h 几档，供水量调节局限较多，调度员缺乏调节手段，因此宝山地区经常会出现富余水头，并且在早晚高峰前后，调度员调节水量需要更换机泵，对管网压力产生波动。

由图5可知月浦水厂全年大部分日期早高峰水量在11 000～14 000 m3/h，泰和水厂检修时期和高峰供水时期早高峰水量在14 000～16 000 m3/h。

图5 月浦水厂2011年全年早高峰供水量Fig．5 Early Peak of Yuepu Water Supply Company in 2011

由图6可知，由于缺乏调节手段，夜间月浦水厂出厂压力偏高，除检修时段外，大部分出厂压力在260 kPa以上，部分时期在290 kPa以上，不利于宝山地区的安全供应，同时也增加了运行成本。

图6 月浦水厂2011年全年过夜出厂压力Fig．6 Night Pressure of Yuepu Water Supply Company in 2011

综上所述，目前月浦水厂的供水量要进行1 000～2 000 m3/h的调整比较困难。一般午后非高峰时段用水量较小，为降低富余水头、平稳压力需要同时换2台机泵，管网压力会有较大的波动，到晚高峰再换回，对管网的平稳运行有较大风险。

夜间运行3+6#或4+5#机泵，在水库平稳进水之后，月浦水厂出水压力通常在250～280 kPa。由于缺乏有效的消能措施，月浦周边以及宝山北部马泾桥、陈行等测压点压力偏高，造成能耗浪费，同时也降低管网运行的安全性。

为实现月浦水厂变频恒压调度，将月浦水厂中一台或者二台水泵改造成变频泵，进行压力控制。根据外部需水量变化，实时平稳地调节水量，提高服务质量和水平。变频系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节水泵的转速，使管网主干管出口端保持恒定的设定压力值，并满足用户的水量需求，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。

2．2 项目改造方案

水泵调速的途径有两种。一种是电机转速不变，通过电机与水泵间的耦合器来达到调速的目的，常见有液力耦合器。这种方式效率低，节能效果较差。另一种是调节电机的转速，调速方式有多种，如调压调速、变级调速、串级调速和变频调速等。其中变频调速由于其调速范围宽、电机效率高、适用面广、可改善电机功率因数、性价比高、节能效果好等诸多优点而越来越多地用于需要调速的场合。

三相异步电动机转速公式为:

从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速n的目的。变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。

水泵调速是根据水泵比例相似原理，通过调节水泵转速，改变水泵特性曲线，使水泵可以适应新的运行工况的一种方式。

水泵的每一个转速都对应于一条不同的特性曲线，而变频调速是一种无级调速，可以使水泵具有任意的转速，即有无数条特性曲线。在一定范围内，变频水泵可以满足不同的流量/扬程组合而不产生富余扬程。因此，变频调速具有适应工况变化，没有富余扬程，无需改变水泵本身，较为节能的优点。

综合月浦出厂水量、机泵搭配等现行工况来看，23+24、21+24、24+25、23+26 这 4 种搭配是最常用的开法，因此选择24号机泵进行变频改造，按33～50 Hz的变频范围，21+24、23+24、24+25、23+24+25的机泵配法能覆盖8 000～17 000 m3/h的水量，满足调度需求。由表3可知月浦水厂24号机泵运补电量相对偏高、拟通过改造其适应当前运行工况。

表3 月浦水厂2011年度机泵运行汇总Tab．3 Pump Operation Summany of Yuepu Water Supply Company in 2011

3 项目改造实施

3．1 项目改造过程

月浦水厂最终采用了上海科达机电控制有限公司的MAXF高压变频器，具体型号为MAXF1250-10000/1830，额定电压为10 kV，额定输出功率为1 250 kW，频率范围5～50 Hz。该设备具有冗余运行、单元在线更换、高效铜散热等新技术，并具有多种控制方式和数据通信接口。同时该种设备在我公司泰和水厂已有近4年的运行时间，目前使用情况良好，一般年使用时间超过350 d，具有故障率低和维护成本低等优点。

本次改造采用高配设备更新改造同时进行，减少了二次改造带来的人工和材料的浪费，减低了改造成本。改造工程于2012年9月份开始，10月份完工。先期实现了变频器就地手动控制、远程手动控制、压力闭环控制。后期，随着月浦水厂二级泵房自动化改造，将变频器信号接入PLC系统中，实现了变频器远程自动控制。通过操作人员在电脑上输入需要的压力或流量，实现恒压或恒流控制。

3．2 改造结果

24号机泵改造后的机泵性能测试数据和特性曲线如表4、图7所示。其中23号、26号机泵同时运行。

表4 24号机泵改造完成后机泵特性测试数据Tab．4 Test Data of Pump After Transformation of Pump No．24

注:40 Hz

注:45 Hz

注:50 Hz

图7 24#机泵特性曲线Fig．7 24#Pump Characteristic Curve

变频改造后，根据目前的运行状况，当出口压力控制在230～270 kPa时，泵口压力有一定的降低，一般在260～300 kPa，出水流量一般在4 000～8 000 m3/h，总的输入功率在400～980 kW，机泵效率在低流量时有所提高，大流量时无明显改变。改造前泵口压力一般在300～370 kPa，电基基本在115 kW/km3，变频改造后泵口压力明显下降，电基在96～116 kW/km3。

4 改造后调度运行情况

4．1 月浦水厂运行工况

月浦水厂于2012年11月13日启用变频恒压控制。在通常情况下，早晚高峰月浦出厂压力设定为250 kPa，午后及夜间因季节不同设置为210～230 kPa，因此月浦水厂出厂平均压力较往年有显著下降，夜间水厂出厂压力过高得到有效控制。宝山地区富余水头现象有了明显改善。

由图8可知月浦水厂自项目启动起对出厂压力进行精细化控制，通过换开机泵调节压力，但由于可调节的范围有限，因此出厂平均压力下降程度有限，且频繁换泵对管网造成一定冲击。而启用变频恒压控制后，2013年月浦水厂出水压力显著下降，管网波动也较以往减少，以换车最频繁的供水高峰季为例，2013年7、8月高峰月浦水厂调度指令数216次，而2011年与2012年同期分别为372次和422次。

对比图9与图6，月浦水厂采用变频恒压控制后，出厂压力约210～230 kPa，较2011年下降30～40 kPa，对管网运行起到安全保障作用的同时，也降低了运行成本。

4．2 宝山地区压力情况

图8 月浦水厂2011年～2013年出厂平均压力Fig．8 Average Water Pressure of Yuepu Water Supply Company From 2011 to 2013

图9 月浦水厂2013年夜间出厂压力Fig．9 Night Water Pressure of Yuepu Water Supply Company of 2013

自月浦水厂变频恒压控制，宝山地区压力较原先平稳，富余水头得到改善。对比图10与图3、4，宝山地区测压点马泾桥、陈行压力较原先平稳，除夜间上水箱时段外，全天压力变化在20 kPa左右。由图11可知，变频恒压控制后，陈行测压点夜间过夜压力较原先降低约20 kPa，有效降低了宝山区域的富余水头，降低运行能耗。

图10 2013年7月29日陈行、马泾桥测压点压力Fig．10 Chenhang and Majinqiao Water Pressure in July 29th，2013

由图12可知宝山地区的整体压力自2012年精细化调度开始，压力已有所下降。开始变频恒压控制后，2013年宝山供水管理所整体平均压力进一步下降，改善公司整体管网压力不均的局面，使压力更趋合理。

图11 变频前后1月～9月陈行测压点夜间压力对比Fig．11 Comparison of Night Water Pressure from Jan．to Sep．in Chenhang Testing Point before and after Frequency Transformation

图12 宝山供水管理所平均压力对比Fig．12 Comparison of Average Water Pressure in Baoshan Water Supply Company

4．3 变频前后能耗分析

表5为变频前后能耗统计。

表5 变频前后能耗统计Tab．5 Energy Consumption before and after Frequency Transformation

续 表

图13为变频前后电基对比。

图13 变频前后电基对比Fig．13 Comparison of Unit Energy Consumption before and after Frequency Transformation

图14为月浦水厂变频前后配电单耗对比。

图14 月浦水厂变频前后配电单耗对比Fig．14 Comparison of Distributed Energy Consumption before and after of Frequency Transformation

水泵机组电耗、电基、单耗与水量、压力的关系如下:

配水单位电耗(与效率成反比):

由表5和图13可知变频前后12月到6月月浦水厂出水泵房电基明显下降，7、8、9月电基没有延续上述变化趋势，其中8、9月变频后电基基本保持不变，而7月份变频后电基明显增加。从上述电基计算公式可以得出，电基与水泵的扬程(与出厂压力有关，成正比)和机泵效率有关，即电基与出厂压力成正比，而与机泵效率成反比。因出厂压力直接影响管网服务水平(压力合格率、平均压力)，由此可以得出，电基是管网服务能耗(表现为富余水头能耗的控制程度)和泵站机泵能耗(表现为机泵效率的控制程度)的综合体现。

由图14可知变频前后12月～6月月浦水厂出水泵房机泵配水单位电耗(后简称单耗)基本持平，无明显变化;而7月、8月、9月单耗明显增加。从上述单耗计算公式可以得出，其与机泵效率成反比，即该指标反映机泵效率的变化。由此得出:变频后7月、8月、9月机泵效率明显下降，即机泵自身能耗增加，机泵的能量利用率降低。因此不同季节不同的调度方式，对变频后的能耗有相当大的影响。

5 结论

通过月浦变频恒压改造项目实施，使市北宝山地区压力变化大，非高峰时段富余水头较高等突出现象得到改善，并且由于水量、压力的降低，为公司节约了大量的电费开支。工欲善其事，必先利其器，通过变频恒压控制对月浦水厂进行无级调速，不仅增强了调度控制手段，而且使调度员能够根据需水量的实时变化采取多样化的调度手段，促进了供水调度室调度绩效管理工作的有效开展。

目前市北公司的5家水厂中，月浦、泰和已采取变频恒压调度，在剩余的3家水厂中，闸北、吴淞由于水量较小，在日常调度中很少通过这两家水厂来调节整个管网中的供需平衡。而杨厂目前配备的机泵中，大都为额定流量为8 000 m3/h的大车，仅有14#、19#机泵为 3 000～4 000 m3/h的机泵，2 000 m3/h的水量调整必须一停一开，小水量调节受到局限，因此若在杨厂中挑选1-2部机泵作为今后变频改造对象，对杨厂的调度调节能力将会有很大的提高。

明年，罗泾水厂即将投产运行，因此宝山供水格局又将发生变化，在月浦变频恒压控制的基础上进一步研究宝山今后的调度模式，使公司整体的运行更加安全、合理、经济。