1 引言
水泵用電量占取送水泵站大部分的能源消耗。對(duì)于這樣大的用電領(lǐng)域，準(zhǔn)確確定出節(jié)電潛力，并對(duì)節(jié)能潛力好的泵站加以改造，避免粗放性節(jié)能估算造成節(jié)能改造效果不能保障的問(wèn)題，就顯得非常重要。本文以能準(zhǔn)確測(cè)算泵站節(jié)能效果并能實(shí)施量化節(jié)能控制的泵站目標(biāo)電耗節(jié)能技術(shù)在泵站中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

2 泵站目標(biāo)電耗節(jié)能技術(shù)應(yīng)用
2.1 泵站控制技術(shù)概述
對(duì)泵站的參數(shù)（例如：流量、壓力或液位）進(jìn)行控制，一是為了滿足生產(chǎn)的工藝要求，二是可以盡量減少能量的浪費(fèi)。目前人們經(jīng)常使用的方法有：一是使用調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，來(lái)滿足工藝要求；二是通過(guò)大小泵的搭配，來(lái)滿足不同工況下的要求；三是閥門控制；四是調(diào)節(jié)水泵葉片角度的調(diào)節(jié)方法。
從多年的實(shí)踐中體會(huì)到，雖然各種方式都可以滿足工藝條件下的調(diào)節(jié)和控制，但是不同的控制方式或是同一種控制方式下不同的控制策略可能會(huì)帶來(lái)不同的耗電效果，有的耗電多有的耗電就少這里有一個(gè)耗電最低（優(yōu)化）的運(yùn)行方法和方式。為了得到這個(gè)最佳的結(jié)果，就必須對(duì)泵站的電耗因素進(jìn)行定量研究，這里之所以提到定量而不是定性，是因?yàn)橹挥卸坎趴赡軐?duì)改造的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)現(xiàn)性作出判別，這就是泵站量化節(jié)能技術(shù)的本質(zhì)所在。
2.2 泵站電耗因素分析
泵站的噸水電耗表達(dá)式：

（1）
式(1)中第一部分代表了泵站所能實(shí)現(xiàn)的最小噸電耗，這是我們所追求的目標(biāo)電耗，記為wmint。

（2）

式(1)中的第二部分代表了當(dāng)前情況下，泵站存在的節(jié)電潛力，從負(fù)面講也是泵站浪費(fèi)的噸水電耗，記為δw。

（3）
式（3）中的第一部分是由于泵站運(yùn)行效率η(q，h)偏離最高的效率η(q，h)形成效率偏差δη(q，h)，而造成的節(jié)電潛力（或電能浪費(fèi)），第二部分是由于泵站存在富裕揚(yáng)程δh(q，t)而造成的電能浪費(fèi)。泵站目標(biāo)電耗節(jié)能技術(shù)原理如圖2-1所示。

圖1 泵站目標(biāo)電耗節(jié)能技術(shù)原理

“泵站目標(biāo)電耗設(shè)計(jì)測(cè)算軟件”《pumpsave3.0》就是實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)的應(yīng)用性工具。該軟件借助于強(qiáng)大的后臺(tái)運(yùn)算能力及優(yōu)化模型，使得軟件的使用極為簡(jiǎn)單，使用者只需將泵站所用設(shè)備和工藝要求輸入該軟件，該軟件就會(huì)自動(dòng)給出泵站的目標(biāo)電耗變化曲線，其中的噸水電耗變化曲線如圖2所示。

圖2 噸水電耗變化曲線圖

在圖2中，只要知道流量q就可以查出對(duì)應(yīng)該點(diǎn)的目標(biāo)電耗值w_min及控制運(yùn)行策略，知道了泵站的目標(biāo)電耗（最低噸水電耗）w_min，也就知道了泵站系統(tǒng)存在的節(jié)電潛力δw。
泵站目標(biāo)電耗節(jié)能技術(shù)通過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出泵站在滿足工藝要求下的最低的單位電耗，也就是要追求的目標(biāo)電耗，通過(guò)軟硬件結(jié)合的泵站目標(biāo)電耗節(jié)能控制系統(tǒng)去控制一直運(yùn)行在最低度的單位電耗下，來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電耗。

3 實(shí)際應(yīng)用
3.1 水廠簡(jiǎn)介
哈爾濱制水公司制水三廠日供水能力為65萬(wàn)立方米，是哈爾濱目前最大的地方水凈水廠，其供水量占哈爾濱市總供水量的70%，供水范圍涉及七個(gè)行政區(qū)。
哈爾濱制水三廠是以松花江為水源的地表水水廠，首先由一、二制水廠抽取松花江水，增壓后送至制水三廠，經(jīng)過(guò)投藥混合、沉淀、過(guò)濾、殺菌等工序處理后送至清水池，由三個(gè)送水泵站送往不同的管網(wǎng)，其中送水二泵站是利用奧地利政府貸款，引進(jìn)國(guó)外送水泵機(jī)組、高低壓變配電設(shè)備、以及管道閥門，于1992年投入使用。
二泵站配置10臺(tái)送水機(jī)組，日送水量45萬(wàn)立方米（在全廠三個(gè)送水泵站中送水量最大），使用設(shè)備先進(jìn)、自動(dòng)化程度高，配置了日本橫河公司生產(chǎn)的集散控制系統(tǒng)（dcs），泵站高低壓配電設(shè)備、變頻變壓器、水泵、電機(jī)、控制柜等,全套設(shè)備為奧地利elin提供，其中1-7號(hào)送水機(jī)組由dn1800mm管網(wǎng)送往市區(qū)，清水泵型號(hào)為20ln-26，流量為3600m³/小時(shí)，配用功率：1、2、6、7號(hào)為10kv、650kw（定速）；3、4、5號(hào)為10kv、650kw（變頻調(diào)速）。
自1992年投入運(yùn)行以來(lái)，由于市區(qū)供水管網(wǎng)曲線難以確立，所以沒(méi)有建立起一個(gè)合理的控制目標(biāo)，導(dǎo)致三臺(tái)調(diào)速機(jī)組一直按定速運(yùn)行，使得調(diào)速機(jī)組在滿負(fù)荷情況下工作，變頻器過(guò)熱，功率因數(shù)低，諧波大，對(duì)電網(wǎng)影響很大,運(yùn)行可靠性差，變壓器損耗大等，運(yùn)行成本提高。
3.2 泵站目標(biāo)電耗目標(biāo)的制定
經(jīng)2002年、2003年兩年的運(yùn)行參數(shù)收集，電耗指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)與北京金易奧科技發(fā)展有限公司合作，總結(jié)哈爾濱制水三廠二泵站dn1800mm管網(wǎng)1-7號(hào)機(jī)組在管網(wǎng)壓力和流量合理的控制目標(biāo)，使用泵站目標(biāo)單耗節(jié)能控制系統(tǒng)對(duì)原有水泵設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，泵站目標(biāo)電耗節(jié)能控制系統(tǒng)由上位機(jī)、目標(biāo)電耗控制柜、在線節(jié)能控制軟件、組態(tài)軟件等組成。制水三廠泵站目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)如圖3-1所示。

圖3 三廠泵站目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)示意圖

上位機(jī)和目標(biāo)電耗控制柜通過(guò)mpi總線連接，目標(biāo)電耗控制柜由plc、繼電器、端子等組成，和原有的dcs柜通過(guò)電纜進(jìn)行端子側(cè)連線。模擬輸入量如：流量、壓力、液位、電流等1-5v電壓信號(hào)，模擬量輸出如變頻器轉(zhuǎn)速控制信號(hào)為4-20ma電流信號(hào)，開(kāi)關(guān)量輸出如開(kāi)泵、關(guān)泵、開(kāi)閥、關(guān)閥等，開(kāi)關(guān)量輸入如泵運(yùn)行狀態(tài)、，通過(guò)電纜并聯(lián)或直接取代等方式與目標(biāo)電耗控制端子連接。
目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)有計(jì)算機(jī)手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制方式，操作者可根據(jù)情況選擇使用。
目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的泵站，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量、壓力、溫度等工藝參數(shù)。自動(dòng)尋找并給出在滿足工藝要求條件下最優(yōu)化的機(jī)組組合及調(diào)速策略、實(shí)時(shí)保證泵站系統(tǒng)始終處于最省電的運(yùn)行狀態(tài)。
目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)通過(guò)在線節(jié)能軟件調(diào)控，對(duì)泵站系統(tǒng)起到調(diào)節(jié)、穩(wěn)定作用，能夠?qū)Ρ谜鞠到y(tǒng)（水泵、電機(jī)和調(diào)速設(shè)備等）的運(yùn)行起到穩(wěn)定和延長(zhǎng)設(shè)備壽命的多重效果。
應(yīng)用目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)在線軟件節(jié)能優(yōu)化系統(tǒng)后，由計(jì)算機(jī)對(duì)三臺(tái)調(diào)速機(jī)組科學(xué)組合控制，發(fā)揮變頻電機(jī)的調(diào)速作用，從而解決了以下問(wèn)題：
（1）如何設(shè)計(jì)一個(gè)最省電的供水系統(tǒng)？
（2）如何讓一個(gè)供水系統(tǒng)在滿足工藝條件下的最低噸水電耗值去運(yùn)行?
（3）如何讓供水系統(tǒng)按設(shè)計(jì)出的最低噸水電耗值去運(yùn)行？
（4）如何判別一個(gè)供水系統(tǒng)？
（5）如何讓自控不穩(wěn)定的供水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行？
目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)能夠?qū)Ρ谜镜囊恍┲匾獏?shù)進(jìn)行在線保存，對(duì)泵站實(shí)時(shí)和歷史運(yùn)行狀況一目了然，便于管理、分析和檢查。
對(duì)原有水泵設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行改造前，首先使用“泵站目標(biāo)電耗測(cè)算軟件”對(duì)送水二泵站系統(tǒng)進(jìn)行分析和測(cè)算，發(fā)現(xiàn)原有情況下，年均還有7%左右的節(jié)電潛力。2003年8月使用泵站目標(biāo)送水管網(wǎng)1-7號(hào)送水機(jī)組進(jìn)行節(jié)能改造，未使用泵站目標(biāo)電耗節(jié)能控制系統(tǒng)前的2003年6月份平均送水電單耗為136.56kwh/km³，總管壓力為0.3-0.38mpa。使用泵站目標(biāo)電耗系統(tǒng)后的10月份正常送水平均送水電單耗為129.44 kwh/km³，總管壓力根據(jù)調(diào)度允許的0.3-0.38mpa范圍內(nèi)，節(jié)電比例為5.21%，與2002年同期比節(jié)電效果為8.36%;使用泵站目標(biāo)電耗系統(tǒng)后的2004年2月份正常送水平均電單耗為121.95kwh/km³，總管網(wǎng)壓力0.3-0.38mpa,節(jié)電率為10.70%與2002年同期相比，節(jié)電效果16.15%，實(shí)際效果與改造前的測(cè)算結(jié)果相符，節(jié)電效果顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)
實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，使用泵站目標(biāo)電耗測(cè)算軟件對(duì)泵站系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以比較準(zhǔn)確地知道泵站的節(jié)能潛力，使用泵站目標(biāo)電耗系統(tǒng)，可得到接近于預(yù)測(cè)的節(jié)能效果。
哈爾濱制水三廠二泵站dn1800mm管網(wǎng)送水泵站目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)自2003年9月正式運(yùn)行以來(lái)，節(jié)電效果十分可觀，自2003年9月25日至2005年12月31日間，共節(jié)電2649293kwh,既節(jié)省費(fèi)用1192181.92元人民幣。如表1～表8所示。

這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用不僅節(jié)省大量電能和資金，還解決過(guò)去人為控制管網(wǎng)壓力過(guò)高，造成冬春兩季市區(qū)供水管網(wǎng)經(jīng)常出現(xiàn)爆管事故，使市區(qū)道路積水結(jié)冰，影響市民正常生活的目的，同時(shí)還減輕泵站值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

作者簡(jiǎn)介
宋鐵男 工程師 現(xiàn)供職于哈爾濱供排水集團(tuán)制水三廠。

參考文獻(xiàn)（略）