供水企业主要节能方法及节能效果分析

吕云

　　提要　供水企业节能的主要方法包括变压器节能、高压电机节能、无功功率补偿节能、水泵改型或调速节能和供水经济运行节能等，就此对各种方法的节能效果进行分析，通过对机电设备进行更新，科学选型设计或调整运行工况达到节能效果，并指出了各种节能方法的适用场合。
　　关键词　供水企业　节能　方法　效果分析


　　供水企业是通过水泵输送自来水，完成电能→机械能→势能的能量转换过程，是城市的用电大户，笔者对某水司进行调查了解，发现近三年电费占整个制水成本分别为24.5%、17.7%和21.4%，平均每年电费支出高达4060万元，同时供水企业又有着巨大的节能潜力，以该公司为例，能耗每下降一个百分点，就可节约成本40余万元。笔者根据多年的电气技术管理和节能工作经验，对供水企业主要的节能技术和方法归纳总纳，并进行节能效果分析，以对供水企业节能工作和经济运行管理进行探讨。

　　1　变压器节能

　　变压器节能是指随着变压器设计技术和制造工艺的提高，不断生产出更低损耗的变压器，通过设备更新达到节能的效果，具体反映在变压器空耗损耗、负载损耗的降低，即效率的提高。
　　变压器效率η为输出的有功功率与输入有功功率之比的百分数，即：
　　　　　　η=βS_2Ncosψ₂／βS_2Ncosψ₂+P₀+β²P_f×100%　　　　　　(1)
　　式中　S_2N——二次侧额定容量；
　　　　　cosψ₂——二次侧功率因数，一般取0.8；
　　　　　β——负载系数，β=I₂/I_2N；
　　　　　P₀——空载损耗；
　　　　　P_f——负载损耗。
　　由公式(1)可知，变压器负载运行时，空载损耗与β无关，为一恒定值，负载损耗与β²成正比，，当β=√P₀/P_f时，η值最大，也即为最经济运行点。以某水厂常用的800kVA容量的三种变压器为例，进行节能效果比较，画出3种变压器的η～β曲线，见图1。变压器降耗为新变更新旧变时同亲负载时降低损耗的百分数，即：
　　　　　△η=[(βS_2Ncosψ₂/η2-βS_2Ncosψ₂/η1)／(βS_2Ncosψ₂/η2)]×100%
　　　　　　　=(1-η2/η1)×100%　　　　　　　　　　　　　　(2)
　　式中　η1——新变效率；
　　　　　η2——旧变效率。
　　　　　　　　　　　　　

　　若以新变S₉型更新旧变S₇、SL₇型，取年平均负荷率β=0.5，则根据公式(1)、(2)计算，各变压器效率和降耗率见表1。

表1　变压器效率和降耗率 型号 η/% △η/% S₉-800/10
S₇-800/10
SL₇-800/10 99.098
99.092
99.892
0.006
0.208

　　根据图1、表1可以看出，S₇、S₉型变压器和SL₇型变压器相比有较好的节能效果，且负荷率越大，降耗率越大；而S₉与S₇型变压器之间，损耗相差不大，甚至β>0.6时S₉型比S₇型损耗略大，经以上分析可知，变压器节能是通过采用更低损耗的变压器来实现的。

　　2　高压电机节能

　　目前国内城市配电网多为10kV级和6kV级，在城市大中型水厂的设计选型或技术改造中，由于在技术经济分析中展现了很大的优越性，大中型高压电机得到广泛、迅速的应用，其优点如下：
　　①减少配备10kV、6kV变0.4kV级变压器及其低配系统投资（因配用低压电机）。
　　②减少因低压电机容量小而需配更多数量的机泵。
　　③减少因①、②条中变压器、低配、更多的机泵必须配套的土地占用和建筑物占用及相应投资。
　　④减少供电环节，提高电气安全可靠性，减少维修工作量。
　　在节能方面还有如下效果：
　　①避免了变压器损耗（例：β=0.5时，S₇-800/10损耗达1%）。
　　②减少因配用低压电机引起的线路损耗增多。
　　③大中型高压电机效率高，低容量的与同样容量的低压电机效率相当，大中容量效率更高，特别是效率越大，效率越高，突破了低压电机容量和效率的双重极限。例如，选用高压电机Y6303-61400kW电机，效率为96.5%，而要达到相同容量需配备5台JS₂-400M₃-6280kW低压电机，单台效率只有93.4%，效率相差高达3.1%。
　　④减少因多台低压电机并联运行时引起的效率下降。

　　3　无功功率补偿节能

　　电流通过线路或变压路时要产生线路电阻损耗或变压器负载损耗，其有功功率损失：
　　　　　　　　　△P=3·P²R/U²cos²ψ　　　　　　　(3)
　　式中　P——有功功率，kW；
　　　　　U——额定电压，kV；
　　　　　R——线路或变压器总电阻，Ω；
　　　　　cosψ——功率因数。
　　从公式(3)中可知，在负载有功功率一定时△P与cos²ψ成反比，如果功率因数从cosψ₁上升到cosψ₂，则有功功率损失下降百分率：
　　　　　　　　(△P%)=[(3·P²R/U²cos²ψ₁-3·P²R/U²cos²ψ₂)／3·P²R/U²cos²ψ₁]×100%
　　　　　　　　　　　=(1-cos²ψ₁/cos²ψ₂)×100%　　　　　　　　(4)
　　如果功率因数从0.8补偿到0.9，根据公式(4)计算得(△P%)=21%，即线路或变压器损耗下降21%，从以上分析可知，无功功率补偿是通过提高功率因数，降低运行电流从而降低线路或变压器中损耗，达到节能效果。

　　4　水泵节能

　　供水企业负载主要是机泵，运行效率更低的是水泵，水泵节能是水厂主要节能途径，具体表现在两个方面。
　　4.1　水泵改型更新节能
　　近年来，城市发展和管网改造很快，管路阻力特性曲线不断下移，供水量不断增加，而水厂水泵不能同步改造，使很多水厂水泵工作扬程下降，并远离高效区，大大降低水泵效率，造成大量电能浪费。通过对水泵进行改型更新，使水泵运行在高效区，可以大幅提高水泵效率，进而达到节能目的。
　　水泵有效功率N=HQ/102(kW)　　　　　　　(5)
　　水泵轴功率P_轴＝HQ/102η_泵(kW)　　　　　(6)
　　式中　H——水泵扬程，m；
　　　　　Q——水泵流量，L/s；
　　　　　η_泵——水泵效率，%。　
　　　　　　　　　　　　

　　下面以某水厂某泵为例，计算分析节能效果，图2为原有Ⅰ型泵和新改型Ⅱ型泵的Q₁～H₁、Q₁～η₁曲线和Q₂～H₂、Q₂～η₂曲线，原有Ⅰ型泵额定扬程55m，高效区扬程59m～47.5m，实际运行扬程平均为42m，已远离高效区。此时从图2可得，流量Q₁=360L/s，效率η₁=72%　代入公式(5)、(6)计算可得有效功率N₁=148.2kW，轴功率P₁=205.9kW；如改用新泵Ⅱ型泵，同样流量即Q₂=Q₁=360L/s时，从图2可得，扬程H₂=41m，效率η₂=82%，代入公式(5)、(6)计算得，有效功率N₂=144.7kW，轴功率P₂=176.5kW，若以线性关系近似折算水泵有效功率相同时，Ⅱ型泵比Ⅰ型泵节能（轴功率）：　
　　　　　　△P_轴＝P₁-N₁/N₂·P₂=25.1(kW)　
　　节能效果：
　　　　　　(△P_轴%)＝△P_轴/P₁×100%＝12.2%　　
　　也就是说，如果Ⅰ型泵改型更新为Ⅱ型泵，可以使水泵实际工况在高效区运行，同时可降低能耗12.2%。
　　从以上分析可以知道，水泵改型更新节能实质上是通过提高水泵工况点效率来实现的。实际运行工况离高效区越远，水泵改型后节能效果越大。
　　4.2　水泵调速节能
　　水厂机泵的选型，一般是按城市日最高、时最高的需水量来确定的，因此在大部分的时间内机泵处于低负荷运行，需要降低转速改变运行工况，当水泵转速n改变，水泵的性能参数都发生改变，其公式如下：
　　　　　　　　Q‘/Q=n‘/n　　　　　　　　(7)
　　　　　　　　H‘/H=(n‘/n)²　　　　　　　(8)
　　　　　　　　P‘/P=(n‘/n)³　　　　　　　(9)
　　式中Q(Q‘)、H(H‘)、P(P‘)分别表示水泵转速n(n‘) 时的流量、扬程和功率。
　　以Q～H(n)曲线（见图3），来画一组各转速下的Q～H曲线和一组等效线，任取A点(Q,H)，当转速n下降到n‘时，按公式(7)、(8)计算，可求得A‘(Q‘,H‘)点。同样在Q～H(n)曲线上依次取B、C、D各点，当n下降到n‘时，可求出相应的B‘、C‘、D‘各点，把A‘、B‘、C‘、D‘这些点连接起来就得到Q‘～H‘(n‘)曲线。因此，随转速下降可得一组下移的Q～H曲线，把这组曲线上对应的A、A‘、B、B‘、…分别连起来，就可得到一组等效线AA‘、BB‘、CC‘、DD‘、…。

　　水厂水泵调速一般以恒压进行调速，下面以某水泵为例（见图3），来分析调速节能效果，图3中，A点为设计工况点，此时转速为额定转速，流量Q_A=550L/s，扬程H_A=35m，效率η_a=88%，代入公式(6)计算得，轴功率P_A=214kW。如果水量减少到80%，此时水泵工况点移到E点，即Q_E=440L/s，从图3得，扬程H_E=39m，效率η_e=82%，代入公式(6)计算得，轴功率P_E=205kW。
　　若采用恒压调速，流量为440L/s时，保持扬程不变，此时工况点移到F点（F-A水平线为恒压线）。流量Q_F=Q_E=440L/s，扬程H_F=H_A=35m，经过F点的等效线与Q～H交于G点，对应的效率ηg=84%，代入公式(6)计算得，轴功率P_F=179kW，节能△P_轴=P_E-P_F=26kW，节能效果：
　　　　　　(△P_轴%)＝△P_轴/P_E×100%＝12.6%　　
　　同样道理，可以计算得各流量值时的节能效果，见表2。
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　

表2　节　能　效　果 流量 80%Ｑ_A 70%Ｑ_A 60%Ｑ_A 50%Ｑ_A 40%Ｑ_A 30%Ｑ_A 节能效果／% 12.6 18.9 23.2 28.4 31 35.2

　　由以上计算分析可以知道，恒压调速是由两个因素实现节能的，第一是提高水泵效率（以80% 流量调整为例，η_g>η_e），第二是减少了用阀门节流引起的压力损失(H_E-H_F)。由此可见，恒压调速具有双重节能效果。从表2还可得出结论：对某台水泵而言，流量越小，则恒压调速节能效果越大。

　　5　供水经济运行节能

　　要根据城市供水管网平差，确定管网若干基本测压点及压力标准值，确保这些测测压点的压力值不小于标准值就能满足城市供水需求，在此基础上制定并优化城市各制水厂出厂水压力控制值范围与城市需水量成对应关系，使各水厂以基本测压点标准值为控制目标进行调度运行，既保证城市供水，又减少多余的压力浪费，使全水司1000m³水耗降至最低，从而实现供水经济运行。这种节能方式效果可以从单台泵的单位电耗～扬程曲线来分析，以图3中泵的Q～H曲线为例，根据水泵的流量Q，可由图3查出对应的扬程H和效率η，代入公式(6)求得轴功率P_轴，再求出单位电耗F=P_轴/[Q]（这里单位电耗只包括出水泵房水泵电耗有关。单位电耗计算中的“[Q]”的单位是1 000m³/h），如表3中每降低单位扬程单位电耗下降百分数：
　　　　　　△F_i+1=[F_i-F_i+1/H_i-H_i+1／F_i]×100%
　　式中　F_i——对应扬程H_i的单位电耗。

表3　水泵性能数据 Q/L/s 0 100 200 300 400 500 550 600 650 H/m 49.5 48.5 46.5 44.0 41.0 37.0 35.0 33.0 31.0 η 0 0.26 0.47 0.62 0.77 0.87 0.88 0.86
0.82 P_轴/kW ∞ 182.9 194.0 208.7 208.8 208.8 214.5 225.7 240.9 F(kW/1000m³) 508.0 269.3 193.3 145.0 115.8 108.3 104.5 103.0 △F(%) ∞ 23.4 11.3 8.3 5.0 3.3 1.8 0.7

　　将表中数据画成F～H、△F～H曲线，从图4可以发现，单位电耗随着扬程下降而下降，也就是说，如果降低水泵运行扬程，1000m³水单位电耗也随之下降，从表3中可知，在额定扬程(H=35m)处，扬程下降1m，可降低单位电耗3.3%，扬程越高时节能效果越大。这也可从调速节能中得到验证，图3中如果流量Q=440L/s时，恒压调速H_F=35m改为H_H=30m，可以减少压力损失H_F-H_H=5m和水泵效率η_g=0.84提高到η_i=0.86，达到进一步节能的效果。

　　同样，如果降低水厂或全公司出厂水运行扬程（或压力），就能降低整个水厂或全公司的1000m³水单位电耗，达到全面节能的效果。

　　6　结束语

　　供水企业节能（主要是节电）是一个综合性课题，也需要综合的手段来开展节能工作，变压器节能，高压电机节能和无功补偿节能可以结合供水发展规划或企业设备技改计划在进行水厂设计或设备技改时予以考虑，对节能效果明显的也可单独考虑，同时，还可以通过设备经济运行节能，特别是变压器节能中经济运行往往比更新节能效果更好；水泵改型更新节能潜力巨大，节能效果好，投资回收快，可针对运行工况偏离高效区的水泵进行测算实施更新；水泵调速节能效果非常好，但一次投资较大，要针对水量变化大或供水量明显偏小的水泵，进行技术经济分析后确定实施；供水经济运行节能则是通过管理节能，效果是全局性的，但前提是进行管网平差和课题研究。

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作者通讯处：310016杭州自来水总公司
电话：(0571)6045101-6121
收稿日期：1998-8-28
（摘自《给水排水》1999.3城市给排水）