1 引言

水泵用電量占取、送水泵站大部分的能源消耗。對于這樣大的用電領(lǐng)域，準(zhǔn)確確定出其節(jié)電潛力，并對節(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題，就顯得非常重要。本文以能準(zhǔn)確測算泵站節(jié)能效果并能實施量化節(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)用進行探討。

2 泵站目標(biāo)電耗節(jié)能技術(shù)

2.1 泵站控制技術(shù)概述
對泵站的參數(shù)(例如流量、壓力或液位)進行控制，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。目前人們經(jīng)常使用的方法有:一是使用調(diào)速裝置調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，來滿足工藝要求; 二是通過大小泵搭配，來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)方式; 五是通過回流或瀉放的調(diào)節(jié)方式。
從多年的實踐中體會到，雖然各種方式都可以實現(xiàn)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都可能會帶來不同的耗電效果，有的耗電多有的耗電就少，這里有一個耗電最低(優(yōu)化)的運行方法和方式。為了得到這個最佳的結(jié)果，就必須對泵站的電耗因素進行定量研究，這里之所以提到定量而不是定性，是因為只有定量才可能對節(jié)能改造的經(jīng)濟性和實現(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。
關(guān)于泵站量化節(jié)能的研究，我國在這方面已率先取得了實質(zhì)性進展，其主要標(biāo)志是作為國家科技部重點科技成果推廣計劃項目、國家發(fā)改委重大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項目—泵站目標(biāo)電耗節(jié)能技術(shù)及產(chǎn)品的研發(fā)成功。
2.2 泵站電耗因素分析
根據(jù)文獻[1]泵站的噸水電耗表達式:

式(1)中的第一部分代表了泵站所能實現(xiàn)的最小噸水電耗，這是我們所追求的目標(biāo)電耗，記為wmin:

式(1)中的第二部分代表了當(dāng)前工況下，泵站存在的節(jié)電潛力，從負面講也是泵站浪費的噸水電耗，記為δw:

式(3)中的第一部分是由于泵站運行效率η(q，h)偏離最高效率ηmax(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);第二部分是由于泵站運行存在富裕揚程δh(q，t)而造成的電能浪費。泵站目標(biāo)電耗節(jié)能技術(shù)原理如圖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)計測算軟件”《pumpsave 3.0》就是實現(xiàn)以上目標(biāo)的應(yīng)用性工具。該軟件借助于強大的后臺運算能力及優(yōu)化模型，使得軟件的使用極為簡單，使用者只需將泵站所用設(shè)備和工藝要求輸入該軟件，該軟件就會自動給出泵站的目標(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 泵站的目標(biāo)電耗變化曲線

在圖2中，只要知道流量q就可以查出對應(yīng)該點的目標(biāo)電耗值wmin及控制運行策略，知道了泵站的目標(biāo)電耗(最低噸水電耗)wmin，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)通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型計算出泵站在滿足工藝要求下的的最低的單位電耗，也就是要追求的目標(biāo)電耗，通過軟硬件結(jié)合的泵站目標(biāo)電耗節(jié)能控制系統(tǒng)去控制泵站設(shè)備按最優(yōu)化的機泵組合以及調(diào)速策略運行，保證系統(tǒng)一直運行在最低的單位電耗下，來實現(xiàn)目標(biāo)電耗。

3 實際應(yīng)用

哈爾濱制水有限責(zé)任公司供水三廠日供水能力65萬噸，是東北地區(qū)最大的水廠，擔(dān)負著全市80%以上的供水任務(wù)，是以松花江為水源的地表水廠。首先由二水廠抽取松花江水增壓后送至供水三廠，經(jīng)過混合、沉淀、過濾等工序處理后送至4個清水池，由三個送水泵站送往市區(qū)不同的管網(wǎng)，其中送水二泵站為引進外資設(shè)備建設(shè)的，在三個送水泵站中送水量最大，使用設(shè)備最先進，自動化程度最高，93年投入使用，配備了日本橫河集散控制系統(tǒng)(dcs)，泵站高、低壓配電、水泵、電機、控制柜等全套設(shè)備為奧地利elin提供，7臺20ln型水泵，水泵電機功率650kw，其中4臺為定速水泵，3臺為變頻調(diào)速水泵。
2003年9月，使用泵站目標(biāo)電耗節(jié)能控制系統(tǒng)對原有水泵設(shè)備控制系統(tǒng)進行改造。泵站目標(biāo)電耗節(jié)能控制系統(tǒng)由上位機、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。三廠泵站目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 三廠泵站目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)示意圖

上位機和目標(biāo)電耗控制柜通過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柜通過電纜進行端子側(cè)連接。模擬量輸入如流量、壓力、液位、電流等為1~5v電壓信號，模擬量輸出如變頻器轉(zhuǎn)速控制信號為4~20ma電流信號，開關(guān)量輸出如開泵、關(guān)泵、開閥、關(guān)閥等，開關(guān)量輸入如泵運行狀態(tài)、閥全開狀態(tài)、閥全關(guān)狀態(tài)等，通過電纜并聯(lián)或直接取代等方式與目標(biāo)電耗控制柜端子連接。
目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)有計算機手動和計算機自動兩種控制方式，用戶可根據(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，通過實時監(jiān)測流量、壓力、溫度等工藝參數(shù)，自動尋找并給出在滿足工藝要求條件下最優(yōu)化的機組組合及調(diào)速策略，實時保證泵站系統(tǒng)始終處于最省電的運行狀態(tài)。
目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)通過在線節(jié)能軟件調(diào)控，對泵站系統(tǒng)起到調(diào)節(jié)、穩(wěn)定作用，能夠?qū)Ρ谜鞠到y(tǒng)(水泵、電機和調(diào)速設(shè)備等)的運行起到穩(wěn)定和延長設(shè)備使用壽命的多重效果。
目標(biāo)電耗控制系統(tǒng)能夠?qū)Ρ谜镜囊恍┲匾獏?shù)進行在線保存，對泵站實時和歷史運行狀況一目了然，便于管理、分析和檢查。
對原有水泵設(shè)備控制系統(tǒng)進行改造前,首先使用“泵站目標(biāo)電耗測算軟件”對送水二泵站系統(tǒng)進行分析和測算，發(fā)現(xiàn)在原有工況下年均還有7%左右的節(jié)電潛力，9月份使用泵站目標(biāo)電耗節(jié)能控制系統(tǒng)對此水廠泵站進行節(jié)能改造，未使用泵站目標(biāo)電耗節(jié)能控制系統(tǒng)前的6月份平均送水電單耗為136.56kwh/km3，總管壓力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129.44kwh/km3, 總管壓力0.3~0.38mpa,節(jié)電比例為5.21%,與去年同期比節(jié)電效果8.36%;使用泵站目標(biāo)電耗系統(tǒng)后的11月份正常送水平均送水電單耗為127.9kwh/km3, 總管壓力0.3~0.38mpa,節(jié)電比例為6.34%,與去年同期比節(jié)電效果10.75%，實際效果與改造前的測算結(jié)果相符，節(jié)電效果顯著。

4 結(jié)束語

實踐經(jīng)驗表明，使用泵站目標(biāo)電耗測算軟件對泵站系統(tǒng)進行分析，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)測的節(jié)能效果。說明該技術(shù)先進，節(jié)能效果顯著，值得大力推廣應(yīng)用。

參考文獻

[1] 姚福來等. 泵站節(jié)電潛力的量化計算.變頻器世界,2002(6).
[2] 姚福來等. 水泵變頻調(diào)速的節(jié)電量計算及系統(tǒng)設(shè)計.北京:科學(xué)出版社,1998.
[3] 姚福來等. 泵站節(jié)能改造的回收期計算.節(jié)能,2003(4).
[4] 姚福來. 確定大型調(diào)水工程的目標(biāo)電耗的重要性.水利水電科技進展,2003(5).

作者簡介

姚泊生(1973-) 男 工程師 現(xiàn)工作于北京金易奧科技發(fā)展有限公司，主要從事風(fēng)機水泵節(jié)能控制系統(tǒng)及產(chǎn)品的研發(fā)。