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。 一方面国家拨巨资进行建设,到2010年,将投入1250亿美元进行水厂扩建改建和污水冶理及环境改造,另一方面由于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,花了不少投资组建的FCS、DCS、PLC监控系统也不是名符其实的,不能进行网络化监控,造成许多资源白白浪费。更有许多处理厂站,存在先天性的不足,工艺设计不合理,工艺流程布局混乱,变电站远离负荷中心,使得电力电缆和控制电缆大多太长。特别是水泵机组的配置不够科学,使得给排水系统的电耗居高不下。吨水的单位电耗远远超过欧美、日本等国家。水工业的降耗节能到了克不容缓的地步。水工业各大系统节能降耗要做的文章大多了。要针对大量老水厂的技术改造和新水厂的节能降耗中的几个关键技术难题,进行科学的分析研究并提出对策。
2. 认真分析综合等效的水泵特性曲线来确定调速问题至关重要
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科学的计算。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。大、中型城市的供水系统,往往是多水源、多泵站、多管道、多用户组成。一个大型的水泵站,又是多台机组并联运行。装机容量是按最不利的条件下,最大时流量和所需扬程来决定的。只有采用水泵机组变频的无级调速技术,才能连续地改变各水泵机组的转速,来变更水泵的工况,使其综合的等效特性曲线适应特定管网用水量的变化,维护管网的压力恒定,最大限度地提高各水泵机组效率,达到理想的节能效果。下面举两个工程的设计实例,来分析要不要调速节能。
2.1 引英入连大型水源取水泵站(2800kw×5台并联变频调速)的实例分析:
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。而实际上每天只有很短时间能达到最大时流量,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。
当水泵台数足够多时,是可以很好地适应水量变化的,但是水泵型号是有限的,装机台数过多,不仅管理不便,而且会无谓地增大建筑面积,提高工程造价,即使这样,也无法做到完全适应水量变化,还需要用调节阀来调节水量(见图2)很多水厂切削水泵叶轮适应工作点需要,因水泵工作点不连续照样有能量损失。为此,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,提高水泵机组效率,维持管网压力恒定,达到节能的效果。节能原理如图3所示。AB为全速泵特性曲线,AnBn为调速泵特性曲线,CBnB为管路特性曲线,CO为几何扬程(含地形差和自由水头),当用水量从Qmax减少到Qmin的过程中,全速泵的扬程将沿BA曲线上升,而管网所需扬程将沿BBn曲线下降,这两条曲线纵坐标的差值就意味着全速泵扬程的浪费。应用水泵调速技术时,当用水量从Qmax变动到Qmin的过程中,水泵转数随流量从额定位n降到n1n2n3……nn,水泵的Q—H特性曲线AB也相应变化为A1B1,A2B2,A3B3……AnBn。而这组平行的特性曲线AB—AnBn与管路特性曲线CB的交点轨迹BBn正在管路特性曲线上。这样就可使水泵工作点沿管路特性曲线滑动,使他扬程处处能与系统阻力相适应,做到没有多余压力的损失,且能保持管网供水压力恒定,根据水泵轴功率的计算公式,明显收到节能效果。
东北市政设计院设计的供水工程水源泵站,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,因为IGBT元件的开通和关断过程都是连续可控的,无需附加其它电路,就能实现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,4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。
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