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1、自来水厂的综合性能耗管理思路罗华兵【摘要】自来水厂的生产运行过程中能源消耗较高，在总的成本支出中所占比重 很大，需要采取综合性的能源管理方法，才能有效的控制能源消耗，降低成本支出。 本文从自来水厂变压器、水泵、阀门的安装选型和运行控制，以及管网布局、变频 调速技术应用、自控系统等多方面为突破口，探讨了各工艺环节的节能降耗可能性 和可采取的具体措施。【期刊名称】城镇供水 【年(卷)，期】2015(000)002 【总页数】6页(P13-17,36) 【关键词】节能降耗;能源管理;实践措施 【作者】罗华兵【作者单位】四川省梓潼县思源供水有限公司，四川梓潼622150【正文语种】中文据不完全统计，自
2、来水厂的供水直接成本约有30%以上是电费支出，而水厂电能 消耗又主要集中在各生产环节的电动机上。但是单纯在电动机上下功夫，来实现节 能降耗的潜力有限。因此，我们需要全面审视自来水厂的能源消耗，采取综合性的 能耗管理方法，才能有效的控制能源消耗，降低成本支出。这不仅是提高企业经济 效益的需要，也将促进国家节能减排政策的落实。一、改变变压器的选型设计思路1. 计算变压器经济容量按照变压器经济负荷率的计算理论，需要将变压器有功和无功损耗换算成为变压器 有功损耗换算值。求出单位容量有功损耗换算值最小时的经济负荷与变压器额定容 量比值，其结果一般是经济负荷率为50%左右。计算负荷一般是按照需要系数法来进
3、行的，需要系数的选择直接影响总计算负荷值， 然而水厂的负荷特性与一般的工厂有一定区别，这样直接导致计算负荷值会明显偏 大。再考虑到经济负荷率的因素，会使结果更加偏离实际的需要，实际的负荷率往 往会低于50%。2. 水厂的用电负荷分布(1)取水和送水泵机组，约占水厂总负荷的40%左右，长时间工作制，24小时;(2 )加药消毒设备，约占水厂总负荷的2%5%,长时间工作制，24小时；(3)排泥设备及配套泵阀，约占水厂总负荷的3%5%，日间隙工作制，日累计 工作时间约2小时；(4 )滤池阀门及配套反冲洗风机水泵设备，约占水厂总负荷的20%，日间隙工作 制，日累计工作时间约2小时；(5)污泥处理设备，约
4、占水厂总负荷的20%，间隙工作制，日累计工作时间约2 小时；(6 )自控、照明、及其它设备，约占水厂总负荷的10%15%,混合工作制，综 合日累计工作时间约12小时。各水厂的负荷分布情况并不相同，这里只是举例说明一种思路。3. 电价因素对节能方案的影响根据现行的供电营业规则，315kVA以上的变压器是按照两部制电价计取的， 即基本电费按变压器容量(或最大需量)收取如每千伏安26元，电度电费按实际 使用电量收取，即每度电比如0.547元，两部分电费合计为总电费。其中的基本 电费是一个固定值，其设置的目的就是为了用经济杠杆促进用电户合理占用供配电 网的容量，增加设备利用率。变压器的使用寿命一般在二
5、十年，如果我们不考虑这 个以容量计算的基本电费，将变压器容量选取过高，累计的多余电费成本支出会是 一个相当大的数字。4. 确定水厂变压器容量的新思路由于水厂负荷的特点是：总计算负荷值较大，但间隙工作的负荷较多，如果一味地 按照经济负荷率来确定变压器的容量，变压器会选的很大，而实际工作时变压器 80% 90%的时间会处于极低的负荷率状态。因此，应根据水厂实际的负荷分布 和工作时间情况，可采取一种新的方法来确定变压器的容量。即需同时满足两个条 件：(1) 长时间工作制的累计计算负荷接近变压器经济负荷率；(2) 全厂长时间工作制与间隙工作制及其它负荷累计总计算负荷接近变压器总负 荷率的90%。这样变
6、压器将会有约80%左右时间处于经济负荷状态，同时又完全满足水厂总的 负荷峰值不超过变压器容量的要求。当然，还可以通过自控系统，管理调节间隙工 作制的负荷在常规情况下，避开同时集中运行形成的负荷高峰，从而使水厂变压器 的负载工作时间更加均衡。如有必要，还可以通过计算经济寿命来进一步校核。例如，有一个日供水能力5万吨的水厂(一期2.5万吨)，原设计考虑到分期建设 的情况，将二期2.5万吨的所有负荷也计算在内，这样设计的变压器容量需要一台 1250kVA变压器，双电源供电，每月仅基本电费就会有3.25万元。然而一期长 时间工作制的负荷只有300kW左右，为此，结合近、远期的需要，提出了新的变 配电方
7、案。如附图一，将一台1250kVA变压器改为两台630kVA变压器，将原总 母线分为两段，两台变压器可各带一段母线，中间设置一台母联柜。一期的负荷状 态，只启用一台630kVA变压器，另一台作为冷备用。故障时（及二期时）再启 用第二台。调整方案后，基本电费只计收一台630kVA变压器，即每月1.368万 元（按供电营业规则第85条，冷备用并加封的变压器不收取基本电费）。供 配电的可靠性进一步提高了，而每年还可节省电费支出19.656万元。5. 变压器并联运行问题如图一中所示的情况，一般情况下，变压器的并联运行是要求两台变压器为同一型 号，各项参数高度一致。但是毕竟两台变压器不可能制造的完全一样
8、，因此极小的 差别就将导致两变压器间形成环流，从而消耗电能。更不用说有些大小不一的变压 器并联运行，耗能更高。因此如图一中所示，应尽量均衡分配两段母排所带负载， 正常情况母联开关是分闸状态，只在其中一台变压器故障时，才合闸给重要负荷供 电。6. 新型变压器的应用目前变压器的制造工艺水平已有很大提高，可用Dyn11变压器替代Yyn0变压器。 非晶合金变压器的空载损耗比普通变压器可降低80%左右；运转温度低、绝缘老 化慢、变压器使用寿命长；高超载能力，高机械强度，绿色环保，等多方面优点， 是节能潜力较大的新型变压器。但由于价格因素，应用范围仍受到一定局限，对于 自来水厂这种用电负荷较大，可靠性要求
9、高的行业来说，更应加大推广应用力度。 图1二、优化阀门的选择和管网布局1. 与水泵配套的阀门是能源消耗的重要因素设置在水泵前后的配套阀门，虽然数量有限，但却是直接影响能源消耗的重要因素。 原因之一是其处在高流量、高压力、距水泵最近的位置；二是阀门的流道线形、材 质耐磨和耐气蚀程度、制造工艺水平、光洁度等直接影响阀门的水头损失值，从而 直接与水泵机组的能耗相关，因此需要根据安装的位置环境情况慎重选型并加强日 常维护。（1 ）水泵进水口位置的阀门仅检修时使用，应尽量选用闸阀一类阀腔内基本无阻 力的阀门。蝶阀虽然开关迅速方便、体积小，但其阀板仍存在一定阻力，特别是越 小口径蝶阀的阀板所占用的流道通径
10、比例越大，接近50%。（2）目前，水泵出水口的阀门品种较多，如电动蝶阀、蓄能式液控缓闭止回蝶阀、 微阻缓闭止回阀、多功能水泵控制阀，电磁液动双速自闭闸阀等。但要同时满足消 除水锤、关闭严密、水头损失较低几个条件，仅蓄能式液控缓闭止回蝶阀、多功能 水泵控制阀，电磁液动双速自闭闸阀三种可选。其中，多功能水泵控制阀应用较多， 因为其不需外部电源控制，主要依靠水泵启停时，由管道前后的水压差驱动主辅阀 板动作开关阀门。但其仍有一定的局限，一是在原水泥砂含量较高的取水泵站应用 时，易造成小口径控制管路和膜片腔（或活塞腔）淤塞；二是在不同扬程参数的水 泵同时工作时，或者是变频泵与工频泵同时工作时，由于阀前后
11、的压差变化，易出 现打不开阀或抖动的情况。而蓄能式液控缓闭止回蝶阀具有独立的液压、蓄能、自 控系统，但结构过余复杂，安装环境要求高，适于管内高压和介质复杂的位置。电 磁液动双速自闭闸阀的主体结构同闸阀，是阻力最小的阀门，耗能最小，结构相对 简单，其液控系统为独立的清洁压力水，适用性强。但对其配套的电磁四通阀的质 量要求很高，如不可靠会直接影响闸阀的启闭。2. 液动和气动阀门的电磁阀配套安装隔膜式（或活塞式）角式液动排泥阀和池底阀是预沉池和沉淀池常用的排泥阀门， 它们的动作是依靠二位四通电磁阀控制压力水进入阀体液压腔上或下来开关阀门的。 二位四通阀的结构精密且复杂，与水和电相连，电磁线圈的防水防
12、潮性能，阀门的 制造材质、工艺水平，直接影响排泥阀的开关动作、工作可靠与否，间接影响水厂 能耗。因此应特别注意电磁阀的选择和安装位置便于控制和维护。气动二位五通电磁阀是与V型滤池和反冲洗设备间内大量使用的气动阀门配套的开关控制部件。由于其控制的介质是压缩空气，对气密性要求高。由于线圈在潮湿 环境都易受潮而降低绝缘性能，所以最好在干燥便于维护的位置集中安装二位五通 电磁阀。建议采用双线圈的电磁阀，两个线圈分别负责开阀和关阀动作，在主阀门 打开或关阀后，其线圈就可以不再通电。这样既可以降低电耗，也可以增加电磁阀 的使用寿命。3. 管道的合理布置对能耗的影响供水管网的布置由于历史和发展的原因，多数水
13、厂的情况是边建边改，无法长远规 划，特别是对于厂址变迁，供水水源点变化的情况，管网的布局又无法全部重新调 整建设，易造成瓶颈问题，即能耗高而管网水压却不稳。由于管网特性的不确定性， 难以与送水泵的高效特性区相吻合，从而造成能耗增加。在水厂内部和出口的管道，由于其压力和流量都很大，应特别注意优化管线方案， 科学计算，最大限度地降低局部水头损失值。如减少90度弯头，增大管径，处理 好接口细节，管内喷涂耐磨防腐涂层等措施。例如某水厂的取水主管道在穿过一条 公路时，原DN400钢管损坏，由于管道在路中有一个小角度，为了及时恢复供水 不得不从旧管道中穿过一个DN300的钢管。表面看似变化不大，但实际过流
14、面积 缩小了 44%，水头损失增大导致月统计的电耗增加了 15%，因而需要高度重视这 些细节。在管网布置方面，以往有几种观念，一种是管径越大越好，主管道从水厂出口至管 网末端口径一直不变；二是为了计量准确，在用户水表处又是口径越小越好；三是 管网布置凭经验，凭感觉，没有条理；四是有些由设计院所做的管网平差，基本上 是纸上谈兵，只考虑地形图和规划图上的街道走向，长度、高程。对实际的每一网 格的用水面积、用水量和配水管接口分布这些重要情况基本忽略了。这些观念会造 成管网上的局部滞流、沉积物积聚、水质变差；而局部又流速过大，不仅增加了水 头损失，更严重的情况是在地形高差较大时，高流速形成管道负压状态
15、，一旦管道 有破损，就会将泥砂或污水吸入管道内，造成水质污染事故。可能一般人认为管道 内水压高只会往外漏水，但这确实是我们曾见到的真实情况，水射器的工作原理就 是如此。因此，管网上的排汽阀和排泥阀的设置位置和日常管理直接影响水质安全， 应高度重视。对于管网布局的设计是一个需要长期资料收集、整理、分析的过程， 必须要从实际出发，科学计算，合理规划，在保障水质和水压的前提下，最大限度 降低能耗。4. 分区供水根据供水区域的地形情况，特别是高程相差较大情况，应考虑分区分压供水，如有 可以利用的地形修建高位水池来调蓄，更能有效平衡供水能力和供水管网压力。通 过分区分压，还可能有效降低原来高压区的爆管风
16、险，从而降低管网漏损。在日本 和香港等地多山的城市，这种方案采用较多。根据不同的地形、管网分布情况以及 供水区规模，分区供水比单区供水的能耗将会相应降低。三、提高水泵运行效率水泵是自来水厂的最主要的设备，而水厂约80%能耗用在各类水泵机组上，特别 是取水和送水泵房的水泵机组功率大、能耗高，因此，水泵的选型和日常维护是控 制能耗的一个关键。1. 选择水泵厂家目前国内的水泵生产厂家众多，但产品质量参差不齐，一些厂家的水泵基本上是仿 制别人的产品，而在水泵的生产工艺、材质上又达不到标准，没有相应的检测仪器 设备，出厂检验只是外观检查，因此这些水泵的质量根本无法保证。对于自来水厂 对可靠性和质量要求很高的一类用户，必须特别重视选择水泵的生产厂家。考察水 泵企业的信誉、实力、技术水平、质量管理体系等各方面，尽量考虑选用节能型水 泵。一个优秀的水泵水力模型，可靠的水泵材质和生产工艺，
