水厂的能耗分析与节能措施

李都望，余天奇

（江西省水务集团有限公司，江西南昌 330096）

自来水行业是城市及乡镇发展中不可或缺的保障性行业，也是城镇建设体系中的能耗大户。 由于自来水行业发展的局限性及时限性，导致传统水厂的诸多设备在设计时并未将节能放在首位，整体趋于保守的设计使得水厂有很大的节能潜力。 如何行之有效地通过运营管理和技术改造来降低能耗是本文探讨的主要关注点。

1 水厂能耗设备的数据分析

目前我国城市供水处理技术仍以由混凝、沉淀、过滤和消毒4 个单元处理过程组成的常规供水处理工艺为主。 典型的制水工艺流程图，如图1 所示。

在传统制水工艺中， 主要的能耗设备集中在取水泵房、送水泵房、加药加氯间等。 通过对A、B、C、D4 个水厂的电量能耗数据进行分析，得出各用电设备的能耗占比（表1）。

图1 制水工艺流程

表1 用电设备能耗占比 %

各水厂的规模、处理工艺不尽相同，但能耗占比总体呈规律性变化： 各水厂的送水泵房均占据能耗比统计的首位。送水泵房是全厂净化水供给系统，其主体工艺设备为多台大功率水泵机组及相应的出口阀门，总管出水直接面对用户，而送水泵房内主要的用电能耗设备为水泵机组， 约占整个水厂能耗的一半以上，乃至更高比例[1]。因此，研究水泵机组的节能降耗措施则是水厂能耗分析的重点。

2 水泵机组的节能降耗措施

2.1 应用变频调速机组

在变频器尚未普及的年代，水厂设计通常会采取大小泵或者大中小泵搭配的设计方案， 用水高峰期通过大泵供水，夜间则开启1 台小泵，维持清水池正常水位，以满足夜间小流量的供水需求。而在实际运行过程中，送水泵房内的水泵机组1 天内的压力变化范围较宽， 定频机组很难运行在最佳工况点上，因此很容易偏离高效区，从而增加用电损耗，这也是造成水泵机组能耗浪费最大原因。

通过收集A 水厂和B 水厂送水泵房的电量能耗数据，归纳得到平均千吨水能耗，见表2。 根据实测数据显示，变频机组比定频机组的能耗明显减少，平均千吨水能节约14.25 kWh， 约12%的能耗。 按100 kt 水厂计算，每年可节约电量52×104kWh，节约电费31 万元。 因此，送水泵房为了更好地满足工艺要求及节能需求，应优先考虑变频调速机组运行。

表2 A 水厂与B 水厂送水泵房的平均千吨水能耗对比（出厂水压力0.25 MPa） kWh

2.2 优化水泵参数选型

送水泵房常见的运行模式为多台机组并联运行，而水厂建设在设计之初，为了满足最不利点的供水压力，会根据最高日、最高时的供水需求进行水泵选型，普遍存在工况点偏移，与实际运行情况相差过大的情况。实际上，当水泵机组通过变频器控制实现了流量变化的目的， 按照工艺要求只需要达到设定的压力即可，富余扬程的压力就是浪费能耗。为了使水泵机组运行在高效区内， 以最节能的工况满足供水需求，需合理确定水泵扬程，必要时可改造叶轮尺寸形状， 对实际工况不在高效区的机组进行叶轮切割，减小叶轮外径，减轻带负载能力，降低电流值，使水泵特性曲线发生偏移，得到理想的高效区，进而实现节能的需求。

2.3 选用节能型设备

水泵机组作为水厂内最主要的能耗设备， 其自身性能直接影响着整个水厂的能耗管理， 选择效率高且高效区宽的水泵机组，能有效地降低用电损耗。通常意义而言，更优质的叶轮材质及做工水平，意味着机组效率的提高、能耗的降低。从电气的角度来探究，参与电能交换的变压器亦可采用节能型变压器，其空载、 负载损耗均比常规变压器平均下降约10%左右，通过降低变压器的空载损耗和负载损耗，可以提高变压器自身效率，提高功率因素，从而实现节能降耗的目标。

2.4 优化设备运行方式

针对水泵机组的运行方式，如果单泵实现节能，可采取的方法是在用水低峰期时，调节出口阀门，减少出水流量，降低输出负载来实现节能；如果多台机组运行，可根据机组各自的性能进行组合调配，将效率低的机组作为辅助水量和压力的调节， 将效率高且高效区宽的机组作为主供水机组， 将效率高但高效区窄的机组作为日间高峰期供水机组。 不同机组的性能组合调度，能有效地提高效率，从而在理想环境下尽可能地降低机组的能耗。

2.5 应用自动化控制节能

通过PLC 控制可以实现供水管网压力的自动调节以达到节能减耗的效果，具体做法是在每台水泵机组管路上各设压力变送器，以实现泵和相应阀门的连锁，在出厂水总管上设总管压力变送器作为恒压供水的反馈量，同时根据压力测量、压力给定与变频控制泵形成PID 闭环控制，实现恒压供水节能控制。每台水泵机组的电气动力柜均设置智能表，PLC 通过与智能配电保护设备的通讯，实现对相应的供配电回路的电流、功率、电压及供配电回路状态等参数的集中监控，能耗自动计入历史数据库，用于后期生产管理及经济分析核算，得出最佳的运行模式，减少能耗设备的运行时间，从而精准实现节能降耗的目标。

从智慧水务层面来探究， 借助云端及各感知层设备的数据采集， 实时传输供水管网的水压变化数据，收集用户用水习惯规律，建立相应的水力模型，针对性地根据供水管网最不利点水压的变化数据对水泵机组进行变频控制，能够起到更好的节能效果。

3 结语

本文探究了水厂内水泵机组的节能降耗的措施，并辅以数据及理论论述。 除此之外，水泵机组节能减耗还有其他实现手段， 如针对水泵本身的机械性能做出改造， 使用特殊材质或涂层以减少水泵内部的机械磨损，提高水泵效率。除去水泵机组本身的节能运用， 水厂内其余能耗设备也可以作为优化对象，如替换LED 节能灯、减少空调使用率等[2-3]，从各方面完善节能方案。

综上所述， 送水泵房内水泵机组的能耗问题是绝大多数水厂都存在的现实问题， 而水厂节能降耗则是一件长期的工作任务， 降低能耗、 降低制水成本，从社会效益和经济效益上而言，都能很好地为企业挣得利益，适时采用不同的节能措施，才能实现自来水厂节能减耗的目标。