水工业的节能降耗必须与自动化集成紧密交融

摘 要：从四十多年工程的设计、运行、管理实际出发，总结了水工业采用变频调速节能降耗的高新技术中，必须要解决的关键技术问题是：如何寻找综合的理想的水泵特性曲线？如何选用最佳的调速方案？什么是最理想的网络监控环境？针对这些应用中的技术问题，提出了作者的见解，供同仁磋商。
关键词：多台水泵并联运转的理想特性曲线；绿色环保型变频器；信息控制一体化网络监控; PAC; 实时工业以太网
Abstract: From author’s 40-years working experience in project design, operation and management of the all sizes of water supply and drainage, the key technology problems should to solve in applying VVVF technology to save energy and reduce power consumption in water business are: how to find the equivalent, ideal and comprehensive curve of the pump characteristic? How to choose the best speed adjust solution ? How to establish the ideal network monitoring environment? The author expresses opinions about these issues in this paper just as the reference for colleagues.
Keywords: the ideal characteristic curve of multiple parallel operating pumps；green and environment-friendly inverters,；Information Control Integration Network Monitoring；
PAC；RTE

1.引言
         随着十一五规划的实施，城乡缺水将更加严重。我国人均水资源占有量只有世界人均水平的四分之一。 据统计，年供水总量将达600亿立方米，到2010、2030、2050年我国城市相应需水量将分别增加到910亿立方米、1225亿立方米和1550亿立方米左右。“十一五”期间，全国新增供水能力400亿立方米，其中新增城市为160亿立方米，新增乡镇为80亿立方米，全国重点城市新增4500万立方米/日。预计到2030年，全国用水总量将达到7000亿到8000亿立方米，接近水资源可利用量的极限。
         当前情况是：一方面国家拨巨资进行建设，另一方面，老一套的经济运转模式，存在严重的污染和浪费,综观当前国内水工业市场，绝大多数是老企业，设备陈旧，工艺及供电设备老化，自动化水平低下，水耗药耗材耗严重，先进控制技术极少采用。就是近几年来新建扩建改建的水处理工程，也不能进行网络化监控，造成许多资源白白浪费。国务院每年都增加巨资，加大节能减排的力度。水工业各企业如何节能降耗？作者认为，要从每个工程项目出发，进行科学的分析研究，要花大力气从几个方面去解决问题。

2. 认真分析和创建综合等效的水泵特性曲线至关重要
        对每个水厂都要从实际情况出发，对水源供水做深入细致的调查分析，对水管的平差压力必须做大量的精确的科学计算。一个大型的给水工程往往有1个或2个以上的取水泵站，几个中间加压泵站和综合的净配水厂组成。一个大型的水泵站，又是多台机组并联运行。
下面举两个典型的工程设计实例，来分析要不要调速节能,什么方式是最理想的。
2.1 某大型水源取水泵站的实例分析：
水泵相似定律：
Q／Q′／Q″＝n／n′／n″ ………………………………… （1）
H／H′／H″＝n2／n′2／n″2 ………………………………… （2）
N／N′／N″＝n3／n′3／n″3 ………………………………… （3）
N＝（1－s）f／P …………………………………………… （4）
H＝Hh＋Hf＝Hh＋CQ2 …………………………………………… （5）
（n为转子实际转速；S为电机转差率；f为定子频率；P为电机极对数；Q为综合流量；H为水泵扬程；N为电机轴功率。）
        水工艺专家们，对取水泵站选泵设计时，都是考虑供水保证率达到95～99%的最低原水水位时泵站最大出水量的供水规模。水泵站的装机是按最不利条件下、最大时流量和所需相应扬程决定的。而实际上一年中只有几天能达到最大时流量，大多数时间里，水泵站都处在小流量下工作。为了适应流量的变化，许多泵站在运行中采取关小出口闸门的办法来控制流量，从而造成出口闸门前后的压力差值（少则多米多则几十米）就白白地浪费于闸门阻力上（见图1）。
图1 用水泵出口闸门调节水泵运行工况 图2 调节水泵合数和出口闸门适应流量变化

        当水泵台数足够多时，宏观上可以适应水量变化，但是水泵型号有限，装机台数过多，不仅管理不便，增大建筑面积，加大工程造价，流量脉冲变化极大，无法做到安全平稳调节水量变化，还需要调节阀来调节水量（见图2）。
很多水厂切削水泵叶轮来适应工作点需要，因水泵工作点不连续照样有大量能量损失。
        采用水泵机组无级调速技术，可连续地改变水泵转数，来变更水泵工况，使其流量与扬程适应于管网用水量的变化，才能提高机组效率，维持管网压力恒定，达到节能的效果。
        东北市政设计院设计的引英入连供水工程水源泵站，2001年正式投产，其供水能力为66万m3/d，共5台2800kW的卧式离心水泵，变速电机电压为3kV，其中4台水泵机组选用Simovert MV电压源型变频器，采用三电平的磁场定向式矢量控制技术，逆变侧采用了大功率全控器件高压IGBT元件, 实现dv/dt控制，减小了电机和变压器上的dv/dt。由于采用了KTY84器件，可在线地得到高精度的转矩控制，Simovert MV是一种可靠性较高的变频器，6年来一直运转良好，其节电效果非常明显：每年节电452万kW.h，按0.6元/kW.h计算，则每年均能省电费536万元。而取水泵站的全部调速装置投资为800万元，不到2年，就收回了基建投资。
2.2 某大型静水配水处理厂站的实例分析：
         给水处理工艺流程，一般为进水、配水井、絮凝沉淀、过滤、清水池、配水泵房，送入配水管网；还有加药、加氯、加氨等辅助系统，中间还有回流泵房等。
取水泵站的流量变化系数：
K取=Kd1/Kd2=1.4/0.6=2.33 …………………………………………… （6）
（Kd1—高日系数，取1.4，Kd2—低日系数，取0.6，Hh为水泵的几何高差，一般为常数；Hf =CQ2为管道摩阻水头，随流量平方而变化；Hf = Hfmax/Hfmin=Kd12/Kd22=5.4）
净配水厂的流量变化系数：
K配=（Kd1•Kh1）/（Kd2•Kh2）=（1.4×1.4）/0.6×0.5=6.53 …………（7）
（高时变化系数Kh1取1.4，低时系数Kh2取0.5。）
         由此可见，净配水厂比取水厂站的流量变化更大，给水处理厂更要考虑科学的调流降耗的措施。流量的千变万化，影响着整个处理系统的不断变化，如絮凝沉淀、各种过滤的处理程序，加氯、加氨、加药的随机变化，以及回流泵房等，都要采取各种先进监控技术来伺服变化。 上世纪八十年代中期，我院承担的北京市第九水厂设计中已充分认识了这个问题。从整个工艺流程到变配电设备选型，不是按最高日最高时的流量和其对应的压力为工作点来选水泵和水泵组合；而是在满足最大设计水量的基础上，尽量使调速高效特性曲线接近系统的特性曲线，也就是说，尽量将各种调速泵组合的高效区能套入出现机率最高的工作段或点上。调速水泵台数，应在全年内运行工况中开泵出现次数最多的台数为需要的台数，而备用选泵用定速泵。北京第九水厂配水泵工作特性曲线图如图3。
         由电算可知，首期2台2500kW运转的机率最大，其次为3台同时运转，要考虑的是各种台数组合的系统曲线的高效区均能包入高日高时流量的基础上向右下方移动。由图可知，加大了额定流量，但降低了额定扬程，使多合配水泵综合的高效中心线介于两、三台水泵运转时的系统特性曲线之间，二期后同时运转需要4台2500kW的水泵机组，再考虑日变系数和时变系数的变化率，设计中规定，4台运转泵均采用变频调速装置，这样运转，最为经济合理。当1台调速泵有故障时，可以3调1定运转，其综合效率降低一点，而工作扬程还是很高。如果按老套路设计，就会选更多的水泵机组，为了调节水量，就要选各种不同容量不同型号的水泵机组，或者只上1台调速装置去试一试；这样一来，水泵机组很多，泵房面积很大，土建投资更大；同时，管理维修难度加大，水锤现象无法避免，更谈不上什么供水系统优化调度了。现在北京水源九厂的送水泵房有了4套西门子的变频调速装置，第三期又上了2套罗宾康的