全自动无负压供水设备改造及节电效果分析
 
0　引　言
      由于某公司建厂初期市政供水能 力不足, 经过水行政主管部门批准并核发《取水许 可证》,该公司实行自备井供水。水源井见表1。
      原供水系统基本构成如下: 地下管网全长 10 000 m,建有一座200 m3 储水塔。  初,供水 系统采用水泵先将地下水抽到储水塔,再从储水 塔向用水单位供水,三台泵由人工控制,并利用电 接点压力表辅助控制水泵供水压力及水泵的起运 和停止。这些都导致原供水系统存在以下问题。
(1) 供水压力波动大,无法满足该公司生产 生活需求。整个供水系统由三个水泵站组成,由 三个值班工分别根据1#、2#、3#泵出口压力,自行 决定大井开停,水压易受值班人员的影响,无法达 到  佳开停匹配,从而无法满足压力需求。
(2) 电能浪费大,管网承压大,易造成管网泄 漏损坏。整个供水系统需要24 h不间断供水,用 水量及对供水压力的要求随季节、生产周期、每天 的工作时段等的不同而变化很大。用人工调节, 即使是值班人员责任心很强,也很难及时有效地 调节。造成高峰时压力不足,低谷时压力过高,电 机空转。
(3) 通过水塔供水,水塔容积只有200 m3 , 供水量及供水压力受水塔本身限制;同时,水塔建 在公司生产区正  ,影响公司整体规划。
(4) 生产区和生活区用水采取一个供水系 统,尤其是生活区平房、多层楼房、高层住宅交叉 分布控制工程网版权所有,用水需求情况不同,供水压力无法在经济区 域运行。
(5) 居民生活用水由企业供应,不利于节水 意识的培养控制工程网版权所有,多年来居民用水回收率仅为50%左 右,浪费严重,增加了企业供水系统的成本。
1　无负压供水设备变频调速技术的发展及节电原理
1. 1　无负压供水设备变频调速供水技术的发展
      无负压供水设备变频调速恒压供水技术是20世纪80年代后 期发展起来的[ 1 ] ,随着电力技术的发展,变频调 速技术日臻完善,以变频调速为核心的智能供水 控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设 备,起动平稳,起动电流可限制在额定电流以内, 从而避免了起动时对电网的冲击;由于泵的平均 转速降低了,从而可延长泵和阀门等的使用寿命; 可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定   的运行性能、简单方便的操作方式、齐全周到的功 能,将使供水实现节水、节电、节省人力,  终达到   率运行的目的[ 2 ] 。
      变频调速恒压供水技术能实现水泵的软起 动,减小水泵起动时的冲击电流,使水泵的使用寿 命延长,在调节水泵流量时,可以节约可观的能 量。因此,其具有节能、  、供水品质高等优点, 是先进、合理的节能型供水系统,在供水行业得到 了广泛应用。变频调速恒压供水系统实现水泵电 动机无级调速,根据用水需求,自动调节系统的运 行参数控制工程网版权所有,在用水量发生变化时,保持水压恒定,以 满足用水要求。
      与过去的水塔或高位水箱及气压供水方式相 比,无论是在设备投资,运行经济性,还是在系统 稳定性、可靠性及自动化程度等方面,变频调速恒 压供水都占据  的优势,而且具有显著的节能 效果,已引起企业的广泛关注及普遍采用。 变频调速恒压供水技术,在短短几年内,经历 了一个逐步完善的发展过程,早期的单泵调速恒 压系统逐渐为多泵系统所代替。目前,变频调速 恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控 制、多品种的方向发展p; 1. 2　变频调速节电理论分析
1. 2. 1　变频调速电机节电分析
      变频调速器将电网中的三相交流整流成直流 电后CONTROL ENGINEERING China版权所有,通过逆变器再将直流电逆变为电压可调、频 率可调的三相交流电驱动异步电动机,实现调速 和节电。
三相异步电机转速为[ 4 ] :
n2 = n1 (1 - s) = 60f1 (1 - s) / p (1)
式中: n2 ———转子转速, r/min;
n1 ———同步转速;
p———极对数;
f1 ———电源频率, Hz;
s———转差率。
由式(1)可知:转速可以通过改变电源频率、 绕组的极对数或转差率等进行改变www.cechina.cn,一般p、s不 变www.cechina.cn,即: n2∝ f1。
水泵的转速又称转数,根据每分钟旋转多少 转来计算,用字母n表示(单位为r /min) ,铭牌中 规定的转速是  大的转数,不能任意提高,降低转 速不宜低于50% ,水泵转速改变时,它和轴功率的 变化关系是: n1 / n2 =N1 /N2 ,即:变速后轴功率=原 轴功率×(后转速/原转速) 。一般原功率、原转 速  ,设f1 降为a% ,则: n2 下降a% ,由此得:
 
例如,若f1 降30%时,消耗功率为额定功率 的34. 3% ,节电率为65. 7%。
1. 2. 2　变频调速供水系统节电分析
变频调速供水系统的节电原理见图1[ 1 ] ,水 泵额定运行时的工况点D是泵的特性曲线Nn 与 管路阻力曲线R1 的交点。
 
传统供水系统利用阀门控制水泵,如需减小 用水,即流量从Qn 减小到Q1 ,需要关小阀门,使 阀门的摩擦阻力变大。即:阻力曲线从R1 转移到 R′1 ,扬程则从H3 升到H4 ,运行工况点从D点转 移到A点。
变频调速供水利用变频器控制水泵,阀门没 有开关变化,因此阻力曲线R1 不变。为使流量改变,需要改变水泵的转速。如果把速度从nn 降到 n1 ,特性曲线也从Nn 转移到N1。此时,运行工况 点从D点转移到C点,扬程从H3 下降到H2 ,流量 从Qn 减小到Q1。则: A 点水泵的功耗为PA = kH4Q1 /η, C点水泵的功耗为PC = kH2Q1 /η,两者 的差值为ΔP = PA - PC = k (H4 - H2 ) Q1 /η。即: 用阀门控制水泵流量时,有ΔP的功率被浪费掉 了,并且这个损耗随着阀门的关小而增加。
2　无负压供水设备改造方案及可行性分析
2. 1　整体供水改造方案
(1) 生产区保留自备井供水控制工程网版权所有,取消水塔,取消 人员值班,全部采用变频调速技术对三台大井进 行恒压供水智能控制系统改造;
 
(2) 生活区居民生活用水改造结合平顶山市 实施的自来水“一户一表、水表出户”改造工程进 行控制工程网版权所有,改造后居民供水管理、抄表收费即管道维修工 作由平顶山市自来水公司负责,对由于市政供水 压力较低,无法直接供水的局部高层住宅,加装变 频恒压供水设施。
2. 2　可行性分析
(1) 采取自备井供水符合当地政府有关水资 源管理政策。由于当地政府供水能力不足,允许 企业在获得取水许可手续后,继续采用自备水源 井自行供水。
(2) 自备水源井供水有利于降低企业生产成 本。自备水源井供水成本主要包括:向市政府缴 纳的污水处理费和水资源费CONTROL ENGINEERING China版权所有,用电成本、设备折 旧、设备维修、运行管理及漏失损耗等费用。平顶 山市规定的污水处理费收费标准,按取水量的 40%计算,每吨收费标准为0. 8元;平顶山市规定 的地下水资源收费标准为每吨0165元;平均每吨 水用电0152 kWh,电价按017元/kWh计算控制工程网版权所有,平均 每吨水电费为0. 364元;值班人员13人,工资支 出26万元,平均每吨水运行费用为01132 65元; 设备折旧及维修费用每年平均为5万元,平均每 吨水费用为01025 5元;管网漏失率为10%。综 合以上因素计算的企业自备水源井供水综合成本 为1164元/吨。
市政工业用水价格为每吨2. 6元,主要包括: 基本水价、公用事业附加费、污水处理费、水资源 费等费用。市政居民生活用水价格为每吨1. 85 元,主要包括:基本水价、公用事业附加费、污水处 理费、水资源费等费用。
(3) 居民区采用市政直接供水,符合  有 关居民用水社会化管理及自来水“一户一表、水 表出户”改造的政策,有利于加强管理,减小企业 负担,支持企业发展。
该公司自备水源井供水综合成本为1164 元/吨,如考虑回收低及管理、抄表、维修等费用www.cechina.cn, 企业居民自供水成本约3. 5元/吨。而由市自来 水公司直接管理控制工程网版权所有,居民生活用水价格每吨仅为 1185 元,不需要企业再承担其他费用。同时,改 造后基本不增加居民负担。
3　变频调速供水改造实施
3. 1　生产区供水系统变频调速技术改造实施
    该公司恒压供水智能控制系统以STD总线工控机为中心,利用变频器对主要水泵的压头进 行连续调节,辅以对其他水泵的开关控制来实现恒压供水。同时,具备对各种数据进行处理、报警 保护、故障处理等功能。