全自動(dòng)無負(fù)壓供水設(shè)備改造及節(jié)電效果分析
全自動(dòng)無負(fù)壓供水設(shè)備改造及節(jié)電效果分析
0 引 言
由于某公司建廠初期市政供水能 力不足, 經(jīng)過水行政主管部門批準(zhǔn)并核發(fā)《取水許 可證》,該公司實(shí)行自備井供水。水源井見表1。
原供水系統(tǒng)基本構(gòu)成如下: 地下管網(wǎng)全長 10 000 m,建有一座200 m3 儲(chǔ)水塔。最初,供水 系統(tǒng)采用水泵先將地下水抽到儲(chǔ)水塔,再從儲(chǔ)水 塔向用水單位供水,三臺(tái)泵由人工控制,并利用電 接點(diǎn)壓力表輔助控制水泵供水壓力及水泵的起運(yùn) 和停止。這些都導(dǎo)致原供水系統(tǒng)存在以下問題。
(1) 供水壓力波動(dòng)大,無法滿足該公司生產(chǎn) 生活需求。整個(gè)供水系統(tǒng)由三個(gè)水泵站組成,由 三個(gè)值班工分別根據(jù)1#、2#、3#泵出口壓力,自行 決定大井開停,水壓易受值班人員的影響,無法達(dá) 到最佳開停匹配,從而無法滿足壓力需求。
(2) 電能浪費(fèi)大,管網(wǎng)承壓大,易造成管網(wǎng)泄 漏損壞。整個(gè)供水系統(tǒng)需要24 h不間斷供水,用 水量及對(duì)供水壓力的要求隨季節(jié)、生產(chǎn)周期、每天 的工作時(shí)段等的不同而變化很大。用人工調(diào)節(jié), 即使是值班人員責(zé)任心很強(qiáng),也很難及時(shí)有效地 調(diào)節(jié)。造成高峰時(shí)壓力不足,低谷時(shí)壓力過高,電 機(jī)空轉(zhuǎn)。
(3) 通過水塔供水,水塔容積只有200 m3 , 供水量及供水壓力受水塔本身限制;同時(shí),水塔建 在公司生產(chǎn)區(qū)正中央,影響公司整體規(guī)劃。
(4) 生產(chǎn)區(qū)和生活區(qū)用水采取一個(gè)供水系 統(tǒng),尤其是生活區(qū)平房、多層樓房、高層住宅交叉 分布控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,用水需求情況不同,供水壓力無法在經(jīng)濟(jì)區(qū) 域運(yùn)行。
(5) 居民生活用水由企業(yè)供應(yīng),不利于節(jié)水 意識(shí)的培養(yǎng)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,多年來居民用水回收率僅為50%左 右,浪費(fèi)嚴(yán)重,增加了企業(yè)供水系統(tǒng)的成本。
1 無負(fù)壓供水設(shè)備變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及節(jié)電原理
1. 1 無負(fù)壓供水設(shè)備變頻調(diào)速供水技術(shù)的發(fā)展
無負(fù)壓供水設(shè)備變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)是20世紀(jì)80年代后 期發(fā)展起來的[ 1 ] ,隨著電力技術(shù)的發(fā)展,變頻調(diào) 速技術(shù)日臻完善,以變頻調(diào)速為核心的智能供水 控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè) 備,起動(dòng)平穩(wěn),起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi), 從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊;由于泵的平均 轉(zhuǎn)速降低了,從而可延長泵和閥門等的使用壽命; 可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。其穩(wěn)定安全 的運(yùn)行性能、簡單方便的操作方式、齊全周到的功 能,將使供水實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力,最終達(dá)到 高效率運(yùn)行的目的[ 2 ] 。
變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)能實(shí)現(xiàn)水泵的軟起 動(dòng),減小水泵起動(dòng)時(shí)的沖擊電流,使水泵的使用壽 命延長,在調(diào)節(jié)水泵流量時(shí),可以節(jié)約可觀的能 量。因此,其具有節(jié)能、安全、供水品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn), 是先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng),在供水行業(yè)得到 了廣泛應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電 動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速,根據(jù)用水需求,自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn) 行參數(shù)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,在用水量發(fā)生變化時(shí),保持水壓恒定,以 滿足用水要求。
與過去的水塔或高位水箱及氣壓供水方式相 比,無論是在設(shè)備投資,運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性,還是在系統(tǒng) 穩(wěn)定性、可靠性及自動(dòng)化程度等方面,變頻調(diào)速恒 壓供水都占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢,而且具有顯著的節(jié)能 效果,已引起企業(yè)的廣泛關(guān)注及普遍采用。 變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù),在短短幾年內(nèi),經(jīng)歷 了一個(gè)逐步完善的發(fā)展過程,早期的單泵調(diào)速恒 壓系統(tǒng)逐漸為多泵系統(tǒng)所代替。目前,變頻調(diào)速 恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控 制、多品種的方向發(fā)展p; 1. 2 變頻調(diào)速節(jié)電理論分析
1. 2. 1 變頻調(diào)速電機(jī)節(jié)電分析
變頻調(diào)速器將電網(wǎng)中的三相交流整流成直流 電后CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有,通過逆變器再將直流電逆變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)、頻 率可調(diào)的三相交流電驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī),實(shí)現(xiàn)調(diào)速 和節(jié)電。
三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)速為[ 4 ] :
n2 = n1 (1 - s) = 60f1 (1 - s) / p (1)
式中: n2 ———轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速, r/min;
n1 ———同步轉(zhuǎn)速;
p———極對(duì)數(shù);
f1 ———電源頻率, Hz;
s———轉(zhuǎn)差率。
由式(1)可知:轉(zhuǎn)速可以通過改變電源頻率、 繞組的極對(duì)數(shù)或轉(zhuǎn)差率等進(jìn)行改變www.cechina.cn,一般p、s不 變www.cechina.cn,即: n2∝ f1。
水泵的轉(zhuǎn)速又稱轉(zhuǎn)數(shù),根據(jù)每分鐘旋轉(zhuǎn)多少 轉(zhuǎn)來計(jì)算,用字母n表示(單位為r /min) ,銘牌中 規(guī)定的轉(zhuǎn)速是最大的轉(zhuǎn)數(shù),不能任意提高,降低轉(zhuǎn) 速不宜低于50% ,水泵轉(zhuǎn)速改變時(shí),它和軸功率的 變化關(guān)系是: n1 / n2 =N1 /N2 ,即:變速后軸功率=原 軸功率×(后轉(zhuǎn)速/原轉(zhuǎn)速) 。一般原功率、原轉(zhuǎn) 速一定,設(shè)f1 降為a% ,則: n2 下降a% ,由此得:
例如,若f1 降30%時(shí),消耗功率為額定功率 的34. 3% ,節(jié)電率為65. 7%。
1. 2. 2 變頻調(diào)速供水系統(tǒng)節(jié)電分析
變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的節(jié)電原理見圖1[ 1 ] ,水 泵額定運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)D是泵的特性曲線Nn 與 管路阻力曲線R1 的交點(diǎn)。
傳統(tǒng)供水系統(tǒng)利用閥門控制水泵,如需減小 用水,即流量從Qn 減小到Q1 ,需要關(guān)小閥門,使 閥門的摩擦阻力變大。即:阻力曲線從R1 轉(zhuǎn)移到 R′1 ,揚(yáng)程則從H3 升到H4 ,運(yùn)行工況點(diǎn)從D點(diǎn)轉(zhuǎn) 移到A點(diǎn)。
變頻調(diào)速供水利用變頻器控制水泵,閥門沒 有開關(guān)變化,因此阻力曲線R1 不變。為使流量改變,需要改變水泵的轉(zhuǎn)速。如果把速度從nn 降到 n1 ,特性曲線也從Nn 轉(zhuǎn)移到N1。此時(shí),運(yùn)行工況 點(diǎn)從D點(diǎn)轉(zhuǎn)移到C點(diǎn),揚(yáng)程從H3 下降到H2 ,流量 從Qn 減小到Q1。則: A 點(diǎn)水泵的功耗為PA = kH4Q1 /η, C點(diǎn)水泵的功耗為PC = kH2Q1 /η,兩者 的差值為ΔP = PA - PC = k (H4 - H2 ) Q1 /η。即: 用閥門控制水泵流量時(shí),有ΔP的功率被浪費(fèi)掉 了,并且這個(gè)損耗隨著閥門的關(guān)小而增加。
2 無負(fù)壓供水設(shè)備改造方案及可行性分析
2. 1 整體供水改造方案
(1) 生產(chǎn)區(qū)保留自備井供水控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,取消水塔,取消 人員值班,全部采用變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)三臺(tái)大井進(jìn) 行恒壓供水智能控制系統(tǒng)改造;
(2) 生活區(qū)居民生活用水改造結(jié)合平頂山市 實(shí)施的自來水“一戶一表、水表出戶”改造工程進(jìn) 行控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,改造后居民供水管理、抄表收費(fèi)即管道維修工 作由平頂山市自來水公司負(fù)責(zé),對(duì)由于市政供水 壓力較低,無法直接供水的局部高層住宅,加裝變 頻恒壓供水設(shè)施。
2. 2 可行性分析
(1) 采取自備井供水符合當(dāng)?shù)卣嘘P(guān)水資 源管理政策。由于當(dāng)?shù)卣┧芰Σ蛔?允許 企業(yè)在獲得取水許可手續(xù)后,繼續(xù)采用自備水源 井自行供水。
(2) 自備水源井供水有利于降低企業(yè)生產(chǎn)成 本。自備水源井供水成本主要包括:向市政府繳 納的污水處理費(fèi)和水資源費(fèi)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有,用電成本、設(shè)備折 舊、設(shè)備維修、運(yùn)行管理及漏失損耗等費(fèi)用。平頂 山市規(guī)定的污水處理費(fèi)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),按取水量的 40%計(jì)算,每噸收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為0. 8元;平頂山市規(guī)定 的地下水資源收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為每噸0165元;平均每噸 水用電0152 kWh,電價(jià)按017元/kWh計(jì)算控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,平均 每噸水電費(fèi)為0. 364元;值班人員13人,工資支 出26萬元,平均每噸水運(yùn)行費(fèi)用為01132 65元; 設(shè)備折舊及維修費(fèi)用每年平均為5萬元,平均每 噸水費(fèi)用為01025 5元;管網(wǎng)漏失率為10%。綜 合以上因素計(jì)算的企業(yè)自備水源井供水綜合成本 為1164元/噸。
市政工業(yè)用水價(jià)格為每噸2. 6元,主要包括: 基本水價(jià)、公用事業(yè)附加費(fèi)、污水處理費(fèi)、水資源 費(fèi)等費(fèi)用。市政居民生活用水價(jià)格為每噸1. 85 元,主要包括:基本水價(jià)、公用事業(yè)附加費(fèi)、污水處 理費(fèi)、水資源費(fèi)等費(fèi)用。
(3) 居民區(qū)采用市政直接供水,符合國家有 關(guān)居民用水社會(huì)化管理及自來水“一戶一表、水 表出戶”改造的政策,有利于加強(qiáng)管理,減小企業(yè) 負(fù)擔(dān),支持企業(yè)發(fā)展。
該公司自備水源井供水綜合成本為1164 元/噸,如考慮回收低及管理、抄表、維修等費(fèi)用www.cechina.cn, 企業(yè)居民自供水成本約3. 5元/噸。而由市自來 水公司直接管理控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,居民生活用水價(jià)格每噸僅為 1185 元,不需要企業(yè)再承擔(dān)其他費(fèi)用。同時(shí),改 造后基本不增加居民負(fù)擔(dān)。
3 變頻調(diào)速供水改造實(shí)施
3. 1 生產(chǎn)區(qū)供水系統(tǒng)變頻調(diào)速技術(shù)改造實(shí)施
該公司恒壓供水智能控制系統(tǒng)以STD總線工控機(jī)為中心,利用變頻器對(duì)主要水泵的壓頭進(jìn) 行連續(xù)調(diào)節(jié),輔以對(duì)其他水泵的開關(guān)控制來實(shí)現(xiàn)恒壓供水。同時(shí),具備對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、報(bào)警 保護(hù)、故障處理等功能。
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