抚顺市高新区供水工程水泵节能技术研究

林 楠

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

1 高新区供水工程高能耗问题

1.1 工程简介

抚顺市高新区供水工程位于抚顺市东部的丘陵地带，主要供水对象为高新区的企业和部分街道辖区，工程始建于1997年，截止目前已经运行了20多年。供水工程的水厂距离抚顺市市中心约7.5 km，工程占地5.67 hm2，主要包括取水头、泵房、沉淀池、清水池、过滤池、配水泵房以及其他辅助性工程，可以为抚顺市高新区的主要企业和大约30万人口提供生产、生活用水。随着抚顺市经济社会的迅速发展，供水工程辖区内的企业和居民生活用水量不断攀升，原工程处于高能低效的运行状态，亟待进行节能改造，以提高供水工程的运行效率，降低供水企业的运行成本。

1.2 工程运行过程中水泵高耗能问题

在供水工程中，水泵是最重要和使用最普遍的机电设备，同时也是水厂的主要能耗来源[1]。当前的供水工程中水泵使用效率低的问题比较普遍。就抚顺市高新区供水工程而言，水泵运行的高耗能问题也是造成工程能耗过高的主要因素。

在抚顺市高新区供水工程的运行过程中，水泵的高能耗问题主要存在于输配水部分。由于城市供水的特征，供水工程的送水量大，同时还频繁变化，这就造成水泵与供水管道不匹配，并经常处于“小流量、低效率”的不利状态。由于长期运行，维护不当，水泵的回路渗漏产生了一定的无效流量。此外，由于回路阻力产生的严重不平衡，也造成了主机和水泵增加了一些额外能耗[2]。综合分析，造成供水工程水泵能耗过高的主要原因是在“小流量、低效率、高能耗”的工况下运行，造成电能严重浪费。因此，节能改造应以解决上述问题为主要目标。

2 高新区供水工程节能技术措施

2.1 水泵运行节能技术的思路

在城市供水工程中，实现水泵节能的方式很多，因此水泵节能技术优化的思路也有多种。具体而言，在工程运行过程中，主要的节能技术优化途径有叶轮切削、加装电机变频调速、供水系统改造与优化等[3]。在具体的节能技术改造中，可以选择以上方式中的一种或几种，以避免水泵在工作过程中偏离高效工作区，进而实现基于水泵节能的供水工程整体节能优化。

对具体工程而言，水泵节能优化设计时需要分析供水工程系统本身的特点，选择合适的节能改造技术措施[4]。通过对以上各种节能措施的比较，变频调速节能技术优势最为明显，因此拟对抚顺市高新区供水工程实施水泵变频调速节能技术改造。

由于抚顺市高新区供水工程不仅要满足城镇居民生活用水，还要承担本地区的主要企业供水，配水泵站和管网的设计供水负荷为每天20万m3，鉴于城镇供水的波动性，该项目泵站的电机配置具有日供水30万m3的能力。由于该供水工程的供水量波动较大且变化频繁，在供水负荷下降时采用出口阀门控制水流量的方法控制负荷变化，造成大量的能源消耗，因此在节能改造设计中采取恒压变频供水技术[5]。

2.2 水泵变频调速节能改造设计方案

在本项目的节能改造设计中，拟对取水厂送水泵房、取水泵站进行节能改造设计。净水厂的送水泵房等水泵均进行变频调速节能改造。限于篇幅文中仅对配水厂送水泵房改造方案进行详细介绍。

2.2.1 节能技术改造的预期目标

结合节能改造设计的思路，本次技术改造方案的预期目标为：通过对水泵的变频改造，实现恒定水压对水泵流量的调节，最终达到节能的目标。根据供水工程配水厂送水泵房的实际情况，对供水管线合理水压进行设定，然后通过输水管线的总出水管的压力变化接受器进行压力监测和信号反馈。在系统接到信号后，通过变频调压器对供水泵组频率进行调节，以满足用户对水压方面的具体要求，从而使给水系统实现水压的自动调节，从而达到水泵节能的目的。

另一方面，在水泵进行变频改造之后，供水区域内的用水大户可以通过对水泵的频率调节实现对流量的精准调整，实现在大幅降低能耗的基础上增加供水的可靠性[6]。此外，通过变频改造还可以实现企业供水1线、2线和居民生活供水管线的分区供水，提高供水效率，有效减少水泵开停机次数，大幅降低水泵开停机对供水管道的冲击。

2.2.2 改造方案设计

针对供水工程配水厂送水泵房的工程运行实际以及相关工程的变频改造设计经验[7-8]，提出如下三种技术改造方案备选。

方案一：在泵房的门厅入口位置新建变频器运行控制室，安装总功率为260 kW和190 kW的变频器各一台，以10 kV配电室作为供电电源。变频器拖动两条企业供水线路的各一台水泵。

方案二：在泵房的10 kV配电室后新建变频器运行控制室，安装总功率为260 kW和190 kW的变频器各一台，同时预留一台同型号260 kW变频器的安装空间，以10 kV配电室作为供电电源。变频器拖动两条企业供水线路的各一台水泵。

方案三：在泵房的10 kV配电室右侧空地新建变频器运行控制室，安装总功率为260 kW和190 kW的变频器各一台，拖动两条企业供水线路的各一台水泵；再安装一台260 kW的变频器，带动街道居民生活供水管线的供水水泵2台。变频器以10 kV配电室作为供电电源。

2.2.3 节能技术改造方案选择

对三种不同的设计方案的投资费用进行计算，结果如表1所示。从表1中的数据可以看出，方案一和方案二的投资数额相当，方案三的投资相对较多，但是综合考虑，仍旧选择方案三。主要理由如下：第一，方案三中新建的变频器室位于配电室的右侧，该部位是一片空地，空间十分充裕，有利于合理进行室内布置，改造设计的工程量较小，对原供水系统的影响较小。第二，方案三设置了大小三台变频器，完全可以实现两条企业供水线路和一条生活供水线路共三条线路的独立运行，可以确保供水系统的稳定、可靠运行，实现节能技术改造的最终目标。第三，虽然方案三的投资数额较大，但是增加幅度并不多，没有超出可承受的范围。

表1 方案投资费用计算 万元

3 水泵节能技术改造的效益分析

根据抚顺市高新区供水工程运行过程中的相关数据，水泵在工作过程中的最高时变化系数为1.2，最高日变化系数为1.5，由此可以计算获得水泵的年平均负荷率约为52%。利用该数据，即可计算获取经过变频节能技术改造之后，各供水线路上水泵的节能量，计算过程和结果如下。

企业供水1线：该线路水泵在额定工况下的电功率为190 kW，按照年均52%的负荷率以及水泵性能曲线，可以获得该水泵的实际功率为96.2 kW，该水泵全年的节电量为：(190-96.2)×365×24=82.17万kW·h。

企业供水2线：该线路水泵在额定工况下的电功率为260 kW，按照年均52%的负荷率以及水泵性能曲线，可以获得该水泵的实际功率为151.8 kW，该水泵全年的节电量为：(260-151.8)×365×24=94.78万kW·h。

居民生活供水线：该线路水泵在额定工况下的电功率为260 kW，按照年均52%的负荷率以及水泵性能曲线，可以获得该水泵的实际功率为151.8 kW，该水泵全年的节电量为：(260-151.8)×365×24=94.78万kW·h。

综合上述计算结果，在水泵变频节能技术改造完成之后，变频调节的节电总量为每年82.17+94.78+94.78=271.73万kW·h。按照0.64元/kW·h电费单价计算，节能改造完成之后年可节约电力成本约174万元。由此可见，相对于110.1万元的投资成本，在技术改造完成的一年之后即可收回成本。

4 结 语

在城市供水工程中，水泵是使用最广泛，也是最重要的机电设备，当前的诸多供水工程中使用的水泵具有效率低、能耗高、运行成本高的问题，进而严重影响供水工程的整体效益发挥。文章以辽宁省抚顺市高新区供水工程为例，对水泵高能耗问题深入分析，结合工程实际提出了通过变频调速达到水泵节能的目标，并提出了具体改造方案。通过对改造方案的比选和综合分析，结果显示，通过对水泵进行变频调速技术改造，不仅可以取得显著的节能效果，同时投资少、见效快、资金回收周期短，可以在类似工程中推广使用。