增壓泵站建設的節能降耗分析

徐偉忠

(吳江華衍水務有限公司，江蘇蘇州 215200)

2007年，整個吳江區域供水格局由1個廟港水廠加上數十個鄉鎮小水廠組成。各個小水廠之間各自為政，互相獨立，無論從水質方面，還是供水安全方面均得不到保障。隨著吳江區域供水發展不斷向前推進，管網逐步完善，2008年廟港水廠二期工程建設投運，再到2013年第二水廠一期工程竣工并網投運，整個吳江區域的供水格局初步形成。越來越多的鄉鎮小水廠，因設備老舊、工藝落后等逐步關停，這是水質保障的必經之路，勢在必行。但是整個吳江的供水區域較廣，供水量又在逐年提高，市政管網的壓力不能滿足桃源、蘆墟、北厙等邊遠鄉鎮用戶的水壓需求，這就要求在中途采用增壓泵站進行二次加壓。

以往增壓泵站二次加壓的形式，多采用水庫蓄水后，經過水泵機組抽取水庫清水的方式進行增壓。該方式的優點，在于在管網總管水量不足的情況下，各個增壓泵站具有一定的蓄水調壓能力，便于整個調度中心的供水調度。但是這種增壓模式的缺點也顯而易見，由于需進入清水庫，會給清水帶來二次污染的風險，且采用進入清水庫再用水泵機組抽取的形式，對能耗的損失很大。因此，在對黎里、梅堰、南麻泵站改造時，出于節能降耗方面考慮，結合整個吳江區域供水水量的預估和分析，摒棄了以往清水庫蓄水再增壓的形式，充分利用管網余壓節約能源，設計采用管網直接管道串聯疊壓供水。

另外，整個吳江的供水區域達到1 176 km2，供水管網近4 000 km，從一、二水廠到最遠端鄉鎮邊遠用戶直線距離將近35 km，管網距離預計超過50 km。為了避免末梢水出現水質安全事故，必須提高一、二水廠余氯的投加量，盡量提高出廠水的余氯值。然而加大余氯投加量，會導致很大的副作用，消毒劑氯其實是一把雙刃劍，在消毒的同時，也生成有害物質，因此，投加的量就起到十分關鍵的作用。在設計建設增壓泵站選址時，結合最佳補加余氯位置以及增壓泵站節能兩個綜合因素，確定了黎里、梅堰、南麻增壓泵站選址。

1 管道串聯疊壓供水對于節能降耗的貢獻分析

吳江區域供水的經歷：最初是1個水廠和數十個小水廠分別制水的供水模式；隨后是一個水廠制水，數十個小水廠充當小型增壓泵站的供水模式；再到現階段“兩水廠，五泵站”的供水格局。無論從安全可靠方面，還是節能降耗方面均得到了長足的進步，特別是管道串聯疊壓供水增壓泵站的建設對于節能降耗的貢獻功不可沒。

1.1 串聯疊壓供水模式分析

以黎里增壓泵站為例，通過調度中心SCADA系統分析，對水泵進行科學選型，保留原來的3臺110 kW水泵機組，新增1臺132 kW水泵機組，搭配“兩變頻兩工頻”的控制方式[1]，3用1備(圖1)。根據實際需要進行搭配使用，盡可能提供給調度中心更多的調壓方案，使水泵機組均能始終保持在電機高效區段工作。

圖1 梅堰增壓泵站管道串聯疊壓供水示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Water Supply of Meiyan Booster Pump Station Pipeline in Series

水泵機組串聯在管道上，利用管道內的壓力，通過水泵機組直接進行增壓，提高水泵機組后段的管道壓力，滿足供水需求[2]。

(1)當自來水管網的水壓滿足用戶需求，即管網壓力大于或等于設定壓力時，自控系統會自動控制增壓水泵機組停止工作，自來水可以通過旁通管直接到達用水點。

(2)當自來水管網水壓不能滿足用戶需求時，壓力傳感器向PLC控制柜發出壓力信號，PLC控制系統自動啟動水泵機組加壓供水，且為了達到要求的壓力，實時進行變頻，直至實際供水壓力等于設定壓力。

(3)用水高峰期間，泵站出口壓力下降。當降到低于設定出口壓力值時，后端壓力傳感器發出信號給PLC，自控系統控制變頻器升高頻率，水泵機組轉速增加，出水量和壓力均隨之上升，直至增壓泵站出口壓力等于設定出口壓力值。

(4)用水低谷期間，出泵站流量計流量降低，增壓泵站出口壓力上升。當高于設定壓力值時，出站壓力變送器發送信號給PLC，自控系統控制變頻器降低頻率，使出站實際壓力值等于設定壓力值；變頻低于一定值時，水泵機組自動停止工作，自來水直接通過旁通管道到達用戶。

(5)如遇突發停電情況時，水泵停止工作后，自來水直接通過旁通管道過站到達用戶，保證部分用戶用水；來電時，水泵機組根據實際需要，自動開機，恢復所有用戶供水。

1.2 管道串聯疊壓供水模式節能降耗分析

如增壓泵站不利用管網余壓，采用水庫進水模式時，如式(1)[1,3]。

E≈QH-(QHe+tΔQΔH)=(Q-tΔQ)ΔH

(1)

其中：E——節省的能耗，kW·h；

Q——總水量，m3；

H——市政管網起點的壓力，Pa；

He——設增壓泵站后，管網起點的壓力，Pa；

ΔQ——增壓泵站增壓水量，Pa；

ΔH——提升水壓，ΔH=H-He，Pa；

t——年運行率。

由式(1)可知，設立增壓泵站后，節省的能耗與增壓泵站所需提升的水壓和出站水流量的乘積成正比。增壓泵站考慮利用管網余壓，采用管道串聯疊壓供水，進站壓力為Ht時，節省的能量為(Q-tΔQ)ΔH+ΔQHt。以黎里增壓泵站為例，供水量約55 000 m3/d，泵站進水壓力為0.017～0.073 MPa，新增黎里增壓泵站每年可以節省水廠電費約11萬元，而采用管道串聯疊壓供水模式，又比傳統水庫蓄水模式節省電費約4萬元。

2 增壓泵站選址對電耗及藥耗的貢獻分析

2.1 增壓泵站選址對節約電耗方面的貢獻分析

采用管道串聯疊壓供水方式，主要目的是充分利用城市管網余壓，降低水泵揚程，從而節省電耗。但每個地區可供利用的管網余壓有限，若地處市政管網的末梢，余壓較小，可供利用的壓力很小，也就失去管道串聯疊壓供水的意義。且管道串聯疊壓供水方式對管網水量要求較高，如果水量不能滿足需求，會造成增壓泵站進站局部用水用戶的壓力降低，甚至無水可用。綜合考慮這兩個方面，在黎里、梅堰、南麻3個增壓泵站的選址上做充分的調研。

黎里增壓泵站日進、出站水壓力如圖2所示。黎里泵站5 km內無集中的大規模用水用戶群，滿足管道串聯疊壓供水方式的選址要求。另外，黎里增壓泵站正好位于第一水廠與遠端蘆墟、北厙、金家壩3個鄉鎮的中間位置，實際運行時，黎里增壓泵站的建設投運，對東區供水管網壓力的保障起到關鍵作用。

圖2 2016年1月29日黎里增壓泵站進、出水壓力Fig.2 Inflow and Outflow Water Pressure of Lili Booster Pump Station on January 29, 2016

梅堰增壓泵站日進、出站水壓力如圖3所示。設立的梅堰增壓泵站，聯合新建的盛澤增壓泵站，直接可確保平望、梅堰等鄉鎮的壓力穩定，且由于盛澤增壓泵站與梅堰增壓泵站的合作，老的平望水廠、端市增壓站、梅堰水廠、盛澤水廠，進入關停階段。梅堰增壓泵站的建設，無論是供水安全的可靠性，還是人員編制的精簡性均功不可沒。

圖3 2016年1月29日梅堰增壓泵站日進、出站水壓力Fig.3 Inflow and Outflow Water Pressure of Meiyan Booster Pump Station on January 29, 2016

針對西南區銅鑼、青云、桃源3個鄉鎮壓力不足的問題，南麻增壓泵站選址時，正好位于第一水廠與西南區3個鄉鎮之間。南麻增壓泵站進站水壓力在建設初期暫時較低，如果采用管道串聯疊壓供水模式，易造成進站前段管網產生負壓，對前段用戶用水造成影響，不適宜采用管道串聯加壓供水模式。但是通過分析管網改造及建設規劃，以及南麻增壓泵站前段用戶分布，從長遠發展考慮，針對初期可能出現的進站水壓力過低的問題，可采取適當控制出口壓力的方式，盡量滿足遠端銅鑼、青云、桃源3個鄉鎮壓力需求的同時，照顧南麻增壓泵站管網前端用戶的壓力需求。同時，S258省道1 400 mm管道在2015年年底正式竣工并網，徹底解決南麻增壓泵站進站管網壓力過低的困擾。

綜合以上，黎里、梅堰、南麻增壓泵站的選址，充分考慮了管網余壓及末梢供水壓力需求等多方面因素，在保障安全穩定供水前提下，盡可能節省電耗。

由圖4可知，2014年黎里、梅堰、南麻增壓泵站建成投運之后，生產運行部整個電單耗從281 kW·h/(kt水)降至268 kW·h/(kt水)。因此，黎里、梅堰、南麻增壓泵站的建設對節省電耗方面的幫助是確實有據的。

圖4 電單耗變化曲線Fig.4 Change Curve of Power Consumption

2.2 增壓泵站選址對節約藥耗方面的貢獻分析

為了避免末梢水出現水質安全事故，必須提高一、二水廠余氯的投加量，盡量提高出廠水的余氯值，然而客戶的投訴量也隨之增多。余氯值提高對距離水廠較近的用戶有很大的影響，較高的余氯值，會影響自來水的口感，客戶的投訴不可避免，更為重要的是，氯氣起消毒作用的同時，還存在很大的副作用。因此，消毒劑氯的投加的量起到十分關鍵的作用。同時，藥耗每年均是制水成本中的重要組成部分，因此，在設計建造黎里、梅堰、南麻增壓泵站時，需采集黎里、梅堰、南麻3個泵站在第一水廠正常氯投加量的前提下的余氯數據。

通過數據分析可知，梅堰泵站余氯值由于距離第一水廠較近，完全滿足且高于《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)的消毒指標要求，因此，梅堰增壓泵站無需補加氯；而黎里、南麻在夏天溫度高時，必須進行補加氯，以使東區蘆墟、北厙、金家壩和西南區銅鑼、青云、桃源這些邊遠鄉鎮的余氯值滿足GB 5749—2006的消毒指標要求。

圖5 2016年2月20日—2月29日桃源余氯數據關系圖Fig.5 Data Relationship of Residual Chlorine in Taoyuan during February 20 to 29, 2016

由圖5可知，2月25日開始，停止南麻增壓泵站補加次氯酸鈉設備的運行后，可明顯看出2月25日—29日，桃源作為管網末梢的鄉鎮，余氯值有很大的降低，且余氯的下降值隨著溫度的升高而增大；反之，通過對南麻增壓泵站補投加次氯酸鈉，可以有效提高桃源的余氯值，達到規定要求。因此，第一水廠余氯值保持在科學范圍的同時，依靠黎里和南麻增壓泵站的補加氯，可以有效解決東區及西南區邊遠鄉鎮對消毒指標要求的問題。2014年，黎里、梅堰、南麻增壓泵站投運之后，對第一水廠余氯投加量降低起到關鍵作用，同時徹底解決了余氯值過高，投訴增高、成本浪費和余氯值過低，又滿足不了邊遠鄉鎮用水客戶對水質要求的矛盾[4]。

3 結論

在整個整改過程中，充分考慮各種因素，包括選址上考慮電耗因素、原有廢棄停用泵房改造從而降低土建費用、自控系統與安防監控系統取長補短的有效結合、補加氯的改造考慮對藥耗的節省。

黎里、梅堰、南麻增壓泵站改造建設案例中，采用的管道串聯疊壓供水模式，也是一種新型供水模式的嘗試。從這個案例可以看出，一切新的模式或者新的技術產生，其本身并無對錯，用的好與壞，完全取決于是否考慮周全，充分調查和分析各種背景數據。實際電耗數據和整個邊遠鄉鎮壓力數據已經證明，這是一次成功的嘗試，對降低制水電單耗和提高供水服務質量，有很大的幫助。

同時，需注意未來用水量的變化趨勢，審時度勢布局管網或水廠，管道串聯疊壓供水模式并不是萬能的模式，它在現有的吳江區域供水環境以及未來數年里可能均有效。但是如果實際供水情況發生變化，管道串聯疊壓供水的模式已經不再適宜將來的供水環境時，應該果斷改變。