水廠二泵房能效監控平臺在優化供水調度中的應用

崔 昱，鄒 琳，張 明，李 帥，陳柯柯

(無錫市水務集團有限公司，江蘇無錫 214000)

水是生命之源，供水行業是關系到國計民生的重要行業。隨著國家大力倡導節能環保，供水行業對其運行成本的控制提出更高的要求。根據數據統計，電耗是供水企業運行成本的最大組成部分，而水泵運行電耗又占據企業電耗的80%[1]。以W市水司下屬4座水廠的運行成本為例：2018年這4座水廠總生產運行成本(不含人工、設備維修和折舊等)約為10 000萬元，其中，電力成本為8 600萬元，電力成本中僅泵房電力成本就有7 000萬元。因而，如何降低水泵的電耗就成為控制供水企業運行成本的關鍵所在。

目前，供水企業中普遍使用的水泵節能措施：(1)變頻調速，通過改變電機電流頻率的方法改變水泵轉速，使水泵在一定的水量內高效運行，同時，對電機本身起到較好的保護效果；(2)葉輪切削，通過切削水泵葉輪外徑的方法改變水泵高效工況點；(3)科學調度，通過對泵房機組運行模式的數據分析，在不同的供水流量和管網壓力情況下，選取合適的頻率組合，達到提高水泵效率節約能源的目的[2-4]。

一般評價泵房能效的主要指標有千噸水電耗和配水單位電耗。千噸水電耗計算簡單，但不能反映電耗與水泵出水壓力的關系；而配水單位電耗計算雖較復雜，但能更準確地反映電耗與水泵出水壓力的關系。因此，文中著重闡述以配水單位電耗為評價標準，搭建W市水司二泵房能效監控平臺的過程，通過運用能效監控平臺進行能效分析，試圖探索出最佳的調度方案，以最省的投入達到最佳的調度效果。

1 W市水司調度模式

2018年W市水司平均日供水量為127.71萬m3，其下屬A、B、C、D 4座水廠的水量分配遵循“以需定銷、以銷定產”的原則由公司調度，根據全市管網測壓點壓力反饋調節。目前，公司調度結合常年運行經驗，通過對主要測壓點設置合理上下限值、控制實際壓力于限值的方式，以滿足城市供水需求。這種調度方式是以合理科學的管網壓力反推出廠水壓力，而水廠的某一出廠水壓力值，可采用多種水泵組合方式。如何選擇合適水泵并達到優化組合的目的，成為水司節能降耗的關鍵。W市水司主要依靠調度人員的主觀經驗進行決策，即人工經驗調度。人工經驗調度的方式存在多種不確定性，一致性和穩定性較差，常常會出現不合理的調度方式，導致電耗升高、能量浪費。

2 二泵房能效監控平臺搭建

由于A、B、C、D 4座水廠二泵房能效監控平臺搭建方式相似，文中以4座水廠中B水廠為例，介紹B水廠二泵房能效監控平臺的搭建與應用，其余水廠能效監控平臺搭建過程不再贅述。

2.1 平臺架構

二泵房能效監控平臺以能效計算書為理論依據，通過將流量儀、壓力表、液位計等在線儀表數據存儲在調度前置機中，運用SQL Server、C#、H5等技術將公式編程后，計算得出水廠泵房實時能效數據，最終實時展示在調度系統中。

2.2 B水廠二泵房泵房

B水廠二泵房并排設置8臺水泵如圖1所示。8臺水泵出水管為DN1000鋼管，8根出水管匯合成2根DN1800出水管，在出水總管上有K1、K2這2個聯絡閥。8臺水泵出水管上單獨安裝壓力表，但無流量儀。在2根出水總管上分別安裝流量儀、壓力表。

圖1 B水廠二泵房平面布置Fig.1 Layout of Secondary Pumping Station in WTP B

8臺水泵的具體參數如表1所示，1#～7#型號相同，額定流量為5 600 m3/h，揚程為45 m，其中，1#、4#、6#、7#為變頻泵，2#、3#、5#為定速泵。8#為小泵，額定流量為3 500 m3/h，揚程為34 m。

表1 B水廠水泵參數Tab.1 Pump Parameters of WTP B

二泵房高程布置如圖2所示，吸水井池底標高為-1.000 m，池頂標高為5.200 m。水泵進水管為DN1200，出水管為DN1000，共8根，管中心標高為1.500 m。2根出廠總管的管頂安裝有壓力表，壓力表安裝高度為L(絕對高度)，L1=3.150 m，L2=3.236 m。

圖2 B水廠二泵房高程布置Fig.2 Elevation Layout of Secondary Pumping Station in WTP B

2.3 參數設定

為便于計算，B水二泵房各項參數設定：出廠1號總管壓力為P1，流量為Q1；2號總管壓力為P2，流量為Q2；二泵房1#～8#泵流量為q1～q8；1#～8#泵電量為w1～w8，總電量計算如式(1)；吸水井液面標高為M；單泵計算水損為h1～h8；1、2號出廠總管計算水損為hA、hB。

(1)

其中：W總——總電量，kW·h；

wi——第i#泵的電量，kW·h。

2.4 計算公式

配水單位電耗是指供水企業在供水壓力為1 MPa的條件下，水泵取水或供水量為1 000 m3的耗能指標，計算如式(2)。

(2)

其中：e——配水單位電耗，kW·h/(km3·MPa)；

W——某時段內水泵消耗的電能，kW·h；

Q——同一時段水泵的提升水量，m3；

H——同一時段水泵的揚程，m。

2.4.1 二泵房配水電耗

B水廠二泵房有2根出廠總管并分別對應安裝有出廠壓力表及流量計，式(2)可轉化為式(3)。

(3)

其中：Q1——同一時段通過1號總管的流量，m3；

H1——與Q1對應的揚程，m；

Q2——同一時段通過2號總管的流量，m3；

H2——與Q2對應的揚程，m。

式(3)中W、Q1、Q2均可通過在線儀表讀數得到，故二泵房配水電耗的計算就轉化為H1、H2的求解過程。H1、H2計算方法相同，以下僅介紹H1計算方法,如式(4)。

H1=P1×102+L1-M+hA

(4)

其中：P1——出水壓力表1的讀數，MPa；

L1——出廠總管壓力表安裝高度，m；

M——吸水井液面高度，吸水井井底標高(-1 m)+水深，m；

hA——從水泵喇叭口至出廠總管壓力表的水頭損失，m,計算如式(5)。

(5)

其中：A——管道比阻，s2/m6；

QA——通過管道的瞬時流量，m3/h；

L——管道長度，m；

ε——局部水頭損失系數；

v——管道中流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2。

由《給水排水設計手冊》[5]可知A和ε，代入式(6)可得單泵水損hn(從泵前喇叭口至泵后三通)。

(6)

其中：hn——單泵計算水損，m；

V1、V2、V3、V4——各管徑下的流速，m/s；

qn——單泵流量，m3/h；

A1——泵前DN1200鑄鐵管比阻，s2/m6；

A2——泵后DN1000鑄鐵管比阻，s2/m6；

L1——泵前DN1200鑄鐵管長度，m；

L2——泵后DN1000鑄鐵管長度，m。

總水頭損失計算如式(7)。

(7)

其中：hA——1號出廠總管從水泵喇叭口至出廠總管壓力表的水頭損失，m;

A3——泵后DN1800鑄鐵管比阻，s2/m6；

Q1——通過1號總管的流量，m3/h；

Q2——通過2號總管的流量，m3/h；

L3——泵后DN1800鑄鐵管長度，m。

若安裝單泵流量計的水泵，qn可用實際讀數，但B水廠因不具備安裝流量計的條件，qn無法得到，因而可采用估算方法計算qn。B水廠二泵房1#～7#泵型號相同，僅有變頻和工頻區別，為簡化計算，可假設當有變頻泵開啟時，1#、4#、6#、7#變頻泵流量相同，2#、3#、5#定速泵按額定流量為5 600 m3/h計算，8#定速泵按額定流量為3 500 m3/h計算。當無變頻泵開啟時，假設2#、3#、5#定速泵流量一樣，8#定速泵按額定流量為3 500 m3/h計算。qn的計算如式(8)～式(9)，X、Y、Z均可由系統自動獲取。

(8)

(X=0)(9)

其中：X——1#～7#泵中變頻泵開啟臺數；

Y——定速泵開啟臺數；

Z——8#泵開啟關閉系數(開啟時值為1，關閉時值為0)。

代入各項數據，hA可簡化為式(10)～式(11)。當X>0時，即變頻泵開啟；當X=0時，即無變頻泵開啟。

(X>0)(10)

(X=0)(11)

2.4.2 單泵配水電耗

B水廠二泵房由于建造年代久遠未安裝單泵流量計，單泵能效的計算可通過關閉聯絡閥K1或K2，以總管流量儀來計量單泵流量，具體計算如下。

當聯絡閥K1開啟K2關閉時，1#～5#泵出水流量為Q2，6#～8#泵出水流量為Q1；當1#～5#泵僅開啟1臺時，qn=Q2；當6#～8#泵僅開啟1臺時，qn=Q1。由于單泵配水電耗計算方法相同，以1#泵單泵配水電耗計算為例介紹單泵配水電耗的計算過程,如式(12)。

(12)

其中：e1——1#泵配水單位電耗，kW·h/(km3·MPa)；

w1——某時段內1#泵消耗的電能，kW·h；

(13)

其中：P2——出水壓力表2的讀數，MPa；

hB——2號出廠總管從水泵喇叭口至出廠總管壓力表的水頭損失，m,計算如式(14)。

(14)

其中：h1——單泵計算水損，m。

代入各項數據簡化為式(15)。

(15)

當聯絡閥K1關閉K2開啟時，單泵配水電耗的計算方法與聯絡閥K1開啟K2關閉時相同，因此不再贅述。

2.4.3 效率

單泵或泵房在得到配水電耗時，效率計算如式(16)。

(16)

其中：η——效率。

3 實際應用

3.1 水泵特性曲線

2#、3#、5#、8#號定速泵的特性曲線如圖3～圖4所示，1#、4#、6#、7#變頻泵是由2#、3#、5#定速泵同型號的水泵加裝變頻器改造的，暫無不同頻率下的特性曲線數據。實際運行中，2#、3#、5#定速泵的出水壓力在0.36 MPa左右。由圖3可知，定速泵處在效率較低、能耗較高的工況點，而經過變頻改造后的水泵，當其運行頻率低于額定頻率時，其Q-H曲線下移，同樣出水壓力的情況下，可能對應效率較高的工況點。實際運行中，8#泵多與2臺變頻泵組合開啟，此時，8#泵的出水壓力在0.35 MPa左右，8#泵處在效率較高的工況點(圖4)。

圖3 2#、3#、5#定速泵特性曲線Fig.3 Characteristic Curve of 2#,3#,5# Constant Speed Pump

圖4 8#定速泵特性曲線Fig.4 Characteristic Curve of 8# Constant Speed Pump

3.2 單泵能效分析

以B水廠為例，通過關閉聯絡閥、開啟聯絡閥兩邊各1臺水泵可得單泵能效，具體情況如下。1#、4#、6#變頻泵進行能效測試(測試期間因7#水泵更新，故不測試)，調節頻率為40、42、44、46 Hz。由表2可知，B水廠變頻泵效率在63.35%～70.50%，配水單位電耗在382～429 kW·h/(km3·MPa)，1#、4#泵效率基本相同，6#泵效率略高于1#、4#，頻率設定在40～42 Hz較為節能。

表2 變頻泵能效Tab.2 Energy Efficiency of Variable Frequency Pump

由表3可知，2#、3#、5#定速泵由于使用時間較長且未進行變頻改造，效率較低，都在55%左右，配水單位電耗在460 kW·h/(km3·MPa)以上，遠高于1#、4#、6#變頻泵配水單位電耗。8#定速泵于2014年更新，效率較高，達到84.5%，相應的配水單位電耗較低。

表3 定速泵能效Tab.3 Energy Efficiency of Constant Speed Pumps

3.3 多泵組合能效分析

由表2～表3可知，除8#定速泵外，1#、4#、6#變頻泵效率均遠高于其他定速泵。正常工況下，B水廠平均日產水量在22萬～25萬m3，由圖5～圖6可知，B水廠日常產量為8 000～15 000 m3/h。

圖5 B水廠瞬時流量分布Fig.5 Instantaneous Flow Distribution of WTP B

圖6 B水廠24 h流量Fig.6 Flow of WTP B in 24 h

1#、4#、6#變頻泵與8#定速泵相對節能，因此，與之對應的水泵組合模式為2臺變頻泵組合、2臺變頻泵與8#泵組合、3臺變頻泵組合，頻率調節為40～46 Hz。以下利用B水廠二泵房能效監控平臺對不同組合方式下二泵房能效進行分析，結果如下。

3.3.1 2臺變頻泵組合

由表4可知，當2臺變頻泵同時工作時，B水廠二泵房流量在7 556～11 160 m3/h，配水單位電耗在387～412 kW·h/(km3·MPa)。其中，4#、6#泵與1#、6#泵的組合時，配水單位電耗較低，1#、4#泵組合時配水單位電耗略高，兩泵頻率控制在40～44 Hz較為節能。

表4 2臺變頻泵組合能效Tab.4 Energy Efficiency of Combination of Two Variable Frequency Pumps

3.3.2 2臺變頻泵與8#泵組合

由表5可知，當開2臺變頻泵和1臺8#泵時，B水廠二泵房流量在9 708～1 3 468 m3/h，由于8#泵單泵配水電耗較低，2臺變頻泵和1臺8#泵組合時，配水單位電耗較2臺變頻泵時有所下降，在381～403 kW·h/(km3·MPa)，泵房效率在70%左右。其中，1#、6#、8#泵組合時配水單位電耗最低，4#、6#、8#泵組合、1#、4#、8#泵組合時，配水單位電耗略高，三泵頻率為40～44 Hz，較為節能。

表5 2臺變頻泵和8#泵組合能效Tab.5 Energy Efficiency of Combination of Two Variable Frequency Pumps and 8# Pump

3.3.3 3臺變頻泵組合

由表6可知，當3臺變頻泵同時工作時，B水廠二泵房流量在10 248～15 345 m3/h，泵房配水單位電耗在380 kW·h/(km3·MPa)左右，效率在70%左右，配水單位電耗與2臺變頻泵、1臺8#泵一同工作時基本相同，頻率控制在40～44 Hz較為節能。

表6 3臺變頻泵組合能效Tab.6 Energy Efficiency of Combination of Three Variable Frequency Pumps

3.4 水泵優化組合方案

根據以上多泵組合能效分析，得出較為節能的水泵開啟模式如表7所示。W市水司其余3座水廠均按照B水廠的方法搭建了能效平臺，并通過單泵與多泵組合能效分析，探索日常運行中最優調度方案，將最優調度方案應用至生產實際。

表7 水泵優化組合Tab.7 Optimized Mode of Pumps Operation

3.5 成本分析

經過前期反復測試，該能效監控平臺于2019年1月正式投入使用，應用該平臺指導調度取得了不錯的效果。W市水司2017年—2019年中1月—7月的二泵房電耗如表8所示(其中，B水廠7#泵于2019年7月底更新，能耗較低會影響公司整體電耗，故未選取7月以后的數據)。

表8 2017年—2019年W市水司水量、千噸水電耗Tab.8 Water Capacity and Kiloton Water Electricity Consumption of Water Industry in W City during 2017 to 2019

2017年—2019年W市水司產水量逐年攀升，2017年—2018年二泵房電耗也逐步上升，但2019年1月—7月采取了優化調度方案后，在1月—7月產水量較去年上升4.16%，二泵房電耗不升反降，下降約0.24%。這說明以能效平臺為依托，優化調度方案取得了較好的效果。

4 結語

(1)通過搭建二泵房能效監控平臺，對水泵能效進行定量的計算，進而進行能效分析，可以起到優化水泵運行組合模式，降低二泵房能效，實現經濟高效調度的效果。

(2)通過二泵房能效監控平臺對二泵房水泵基礎數據進行長期跟蹤收集與分析，可以為水廠來年的設備更新大修提供數據支撐。

(3)二泵房能效監控平臺的搭建基于配水單位電耗與水泵效率的計算，計算方法較為成熟，易于快速推廣，結合信息化手段進行數據挖掘與分析，可以為智能調度、智慧水務的發展奠定可靠基礎。