制水廠重點節能潛力的探討和實踐分析

王哲明

上海浦東威立雅自來水有限公司

0 前言

我國正快速建設發展集約型社會,供水企業作為城市保障的基礎性行業，在城市的正常運行和發展方面起著十分重要的作用。“十二五”以來，國家低碳環保策略成為發展主旋律，節能減排考核指標日趨嚴格，自來水企業作為地方重點用能單位成員，積極響應節能減排號召，從管理和技術兩方面入手，不斷提升企業能源管理水平。其中，制水廠作為自來水企業的用能大戶，是節能工作開展的重點，如何發掘其節能潛力，是企業實現節能降耗的關鍵。

1 企業能耗現狀

上海市浦東威立雅自來水有限公司是中國第一家集制水、輸配、服務為一體的中外合資供水企業。下屬制水廠5家，管網泵站10個，總制水能力202萬m3/d。供水面積達600多km2，服務人口約380萬。公司年耗能超過1萬tgce，其中能源種類主要為汽油和電力，詳細數據見圖1和圖2。

圖1 能耗構成圖

圖2 各單位年耗電比例

圖1 顯示，電力消耗占比超過99%，占公司總能耗的絕大多數。圖2顯示公司電耗中，管網輸配用電為8．5%，超過91%的電力消耗在制水生產過程中，可見制水廠節電的效果對公司有十分重要的現實意義，其節能工作的重點為研究節電方面。

2 制水廠能耗分布特點及數據分析

制水廠主要生產過程為通過各種處理工藝對原水進行凈化處理，使其能滿足生活飲用和工業生產標準后，再通過輸水管網向用戶供水。制水廠工藝流程見圖3。

圖3 制水廠工藝流程圖

因建造年代差異，公司各制水廠規模及采用的具體處理工藝不盡相同，總體上可以概括為常規處理和深度處理，以及污泥脫水系統。制水廠電力主要消耗在處理工藝的各個階段及水力輸配階段，各制水廠能耗數據匯總見表1。

表1 各制水廠年用電量占比匯總

由表1可知，各制水廠規模各異，處理工藝也有較大差異，但耗能結構有明顯相似處：各制水廠能耗占比最高的均為二級泵房，而二級泵房機組和提升泵機組（原水提升或中間提升泵）合計能耗占比均在全廠電量的80%～90%區間內，因此，主要水泵機組運行狀態和運行效率是制水廠節能工作開展的關鍵所在。此外，建有污泥脫水工藝的制水廠污泥脫水耗能約占全廠能耗的5%，處理工藝用電和生活用電為其它電耗。

3 重點節能潛力發掘及實踐效果

制水廠主要運行水泵機組均為離心泵機組，根據其運行特性，節能降耗常見措施有：選擇機組合理的揚程、改造葉輪尺寸形狀、采用節能水泵電機，匹配合適電機防止“大馬拉小車”、水泵調速等，各有優點，需結合現場情況，按成本投入、改造難度和節能效果之間做出平衡和選擇。

3.1 二級泵房應優先保證全變頻調速機組運行

二級泵房是制水廠能源消耗最高之處，也是節能潛力最大的地方。常見運行模式為多機組并聯運行。二級泵房機組在設計階段，按城市日最高、時最高的需水量選型，普遍存在和運行工況偏差較大問題，機組運行在非高效區時間較多，同時在現有供水調度模式下，夜晚需提高管網壓力保證屋頂水箱進水，因此二泵級房機組壓力變化較大：

由圖4可知，正常情況下，一天內機組壓力變化范圍可達100kPa，從220kPa到320kPa，如此寬的壓力工況范圍，定頻機組即使是節能機組也很難維持在高效區間。

從分布數據可知，盡可能保證約75%時間的運行效率，而變頻機組可以確保在較大壓力區間內高效運行，保持良好的能耗表現。

表2為兩個制水廠二級泵房能耗單耗對比情況。全變頻機組運行與變頻機組和定頻機組對比，全變頻機組有明顯能耗優勢，平均單耗要低12．83kWh/千t，超過10%的節電率。按40萬t的制水廠為例，僅此一項，每天節電可超過5 000kWh，實現年節電量187萬kWh，經濟效益超過百萬元。如對比大小車搭配運行的定頻機組，節電效果更為明顯，數據顯示節電率可大于15%。

因此，二級泵房內使用全變頻機組具有十分明顯的經濟意義，同時，變頻調速也有利于供水調度和調整。

組合運行，可以清楚的發現，在達到相似或者更高的出廠壓力（即更好的供水效果）中間提升泵的選擇合理揚程實踐如下：

表2 二級泵房單耗對比

提升泵用于原水提升或中間提升，往往采用變頻電機來實現調整流量目的，按工藝要求只需達到一定壓力即可，富余壓力就是能源浪費，其中也有可觀的節能潛力。某制水廠中間提升泵實際揚程為11．5m，提升后離實際水位有超過2m的水位差，如適當降低揚程即可降低提升泵單耗，降低1m揚程，理論節能潛力可達8%。割除中間提升泵井筒1m后，實際節能效果如表3。

表3 中間提升泵改造前后單耗對比

年運行數據顯示，改造前后中間提升泵單耗由每千噸46．70kWh下降到每千噸43．72kWh，每千t下降約3kWh時，降幅6．4%。以該制水廠每天60萬t水量計算，可實現年節電量超過60萬kWh。實際工程費用僅為20 000元。同時，中間提升最大時運行水量也有顯著提升。

3.2 更新適合工況機組改善攔閥門運行模式

當制水廠供水能力過大，無法匹配生產能力時，在沒有調速裝置的情況下只能選擇攔閥門運行，采用這種模式，很大部分能量消耗在閥門上，存在著極大的能源浪費，應進行改造，更新為符合實際工況機組。由于現場無條件安裝高壓變頻設備，只能按實際工況選擇合適機組。改造前后機組能耗對比見表4。

月統計數據對比表明，更新后機組不再需要攔閥門運行，能耗單耗下降可觀，以該水廠每天5萬噸水量計算，可實現年節電量超過50萬kWh，每個月節能率均在20%以上。

表4 更新節能機組前后單耗對比

3.3 提升水庫運行水位

提升水庫運行水位的原理在于降低水泵凈揚程，在同一管網壓力下，水庫運行水位越高，進水側壓力越高，則水泵實際提升的揚程越低，從而達到節能降耗的目標。按千噸水提升1m耗電3．6kWh估算，水庫運行水位上升0．25m，以40萬t制水廠為例，全年節電量：0．25×3．6×400×365=13萬kWh，節能潛力十分可觀。

以上歸納介紹了幾種制水廠重點水泵機組的節能潛力計算和改造實踐分析，除此之外，減少水泵本身機械性能方面造成的損失，使用特殊噴涂材料降低水泵內表面的摩擦損失，更新低損耗變壓器、匹配合適功率電機等均為節能的有效手段。除重點耗能部分，也應多關注其余設備耗電狀況，如更新節能燈，合理使用空調等等，積少成多，節能量也將十分可觀。

綜上所述，制水廠節能降耗工作是一項長期的艱巨任務。制水廠能耗成本占制水總成本比例較高，制水廠開展節能與降耗，具有十分重要的意義，不僅可以降低自身能耗，完成各類能耗考核指標，同時也可提高企業的經濟效益。此外，我們也應認識到，對企業而言，節能工作并不能局限于制水廠，管網的運行模式，調度的調整優化，都會對制水廠能耗水平產生重大影響，需要企業從高處著手，統籌考慮。