中国水务行业观察者!

二次设备降耗研究浅析
更新时间:2020-12-03 来源:绍兴柯桥供水有限公司 作者:陆铮江

二次设备降耗研究浅析

陆铮江

(绍兴柯桥供水有限公司,312030)

 

要:随着社会经济的日益发展,我国快速增长的能源消耗和过高的石油对外依存度促使能源安全问题愈发体现出其在社会经济发展中的重要地位。为积极响应政府节能减排政策,同时提高能源利用率,降低公司运营成本,构建完善的二次设备能耗数据库,建立完善的二次供水设备技术知识储备数据库,本文重点分析“青岛三利”、“北京威派格”、“中韩杜科”、“潍坊华立”四个品牌的二次供水设备能耗与技术改进等问题。

 

关键词:能源消耗,电机,水泵,叠压供水,节能对策

 

1. 前言

为响应国家发展和改革委员会会同有关部门制定的《节能减排综合性工作方案》和《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》,同时提高能源利用率和设备技术等级,降低公司运营成本,在此对二次供水设备进行一次技术和能耗分析。

本文重点统计分析并讨论我公司在使用中的“青岛三利”、“北京威派格”、“中韩杜科”、“潍坊华立”四个品牌的二次供水设备的技术和能耗情况。通过分析比较,熟悉目前在用的四个品牌二级供水设备的技术和能耗问题,为今后我司开展二次供水工作提供相关理论依据。

2. 电机

2.1 电机定义

电机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递,或将一种形式电能转换成另一种形式电能的一种电磁装置。电动机可将电能转换为机械能(俗称马达)。在电路中用字母M(旧标准用D)表示。其主要作用是产生驱动转矩,作为用电器或各种机械的动力源。同时,电机所能提供的功率范围很大,可从毫瓦级到万千瓦级。电机的使用和控制非常方便,具有自启动、加速、制动、反转、掣住等能力,能满足各种运行要求。电机的工作效率较高,且不产生烟尘、气味,不污染环境,噪声也较小,运行可靠、价格低廉、结构牢固。由于该设备具有如上一系列优点,在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面得到广泛应用。

001.png

1 电动机

2.2 电机耗能因素

2.2.1 电机负载率低

由于电机选择不当,富裕量过大或生产工艺变化,导致电机实际工作负荷远小于额定负荷,大约占装机容量30%~40%的电机在30%~50%的额定负荷下运行,运行效率过低。

2.2.2 电源电压不对称或电压过低

由于三相四线制低压供电系统单相负荷不平衡,电机三相电压出现不对称,导致负序转矩产生,增大运行中的损耗。另外,电网电压长期偏低,使得正常工作的电机电流偏大,因而损耗增大;三相电压不对称度越大,电压越低,则损耗越大。

2.2.3 老、旧(淘汰)型电机的仍在使用

此类电机采用E级绝缘,体积较大,启动性能差,效率低。虽在历年改造工作中逐步淘汰,但仍有许多地方在使用。

2.2.4 维修管理不善

有些单位没有按照要求对电机及设备进行维修保养,任其长期运行,使得损耗不断增大。

2.3 电机节能技术及措施

2.3.1提升电机品质

与普通电机相比,高效电机优化了总体设计,选用高质量铜绕组和硅钢片,降低各种损耗约20%~30%,效率提高2%~7%;投资回收期一般为1~2年,有的短至几个月。相比来说,高效电机比J02系列电机效率提高了0.413%。因此高效电机取代旧式电机势在必行。

2.3.2 适当选择电机容量达到节能

国家对三相异步电机3个运行区域作了如下规定:负载率在70%~100%之间为经济运行区;负载率在40%~70%之间为一般运行区;负载率在40%以下为非经济运行区。电机容量选择不当,无疑会造成对电能的浪费。因此,采用合适电机,提高功率因数、负载率,可以减少功率损耗,节省电能。

 

002.png 

2 电动机构成

3. 水泵

3.1 水泵定义

水泵是输送液体或使液体增压的机械,可将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体,使液体能量增加,主要用于液体(包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等)输送,也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。水泵性能的技术参数有流量、吸程、扬程、轴功率、水功率、效率等,根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。容积泵利用其工作室容积变化传递能量;叶片泵利用回转叶片与水的相互作用传递能量,具体有离心泵、轴流泵和混流泵等。

3.2  水泵的分类

003.png

3 水泵分类

注:由于我司二次供水设备多基本上都是采用立式多级离心泵加立式电机的组合,故本文重点讨论立式多级离心泵组的能耗控制技术。

3.3 多级离心泵

多级离心泵由具有同样功能的两个以上的离心泵集合而成。在流体通道结构上,表现为第一级介质泄压口与第二级进口相通,第二级介质泄压口与第三级进口相通,由如此串联机制形成多级离心泵。多级离心泵的意义在于提高设定压力。

004.png

水泵各部件

3.4 多级离心泵(格兰富CR系列)优缺点

(1)体积小、噪音小、重量轻;

(2)多级离心泵一般采用立式结构,大大减小占地面积,且泵重心在泵脚,运行时很平稳,振动小,质量很好,能够长时间使用;

(3)可安装在管道任意部位而不需要改变管道结构,十分方便;

(4)多级离心泵使用时效率很高,且不需要其他能源支持,是一种高效又节能的机械设备;

(5)多级离心泵采用高效节能水力模型,具有高效节能、性能范围广、运行安全平稳、低噪音、长寿命、安装维修方便等优点,但在工作时还有一定局限性,即压力均不超过0.6MPa、供输送温度为-20℃~105℃。

4. 变频器

4.1 变频器介绍

变频器是利用计算机控制电力电子器件、将工频交流电变为频率和电压任意可调的三相交流电的电器设备,用以驱动交流异步(同步)电动机变频调速。变频器的出现,使交流电动机的调速变得和直流电动机一样方便,并且在许多方面比直流调速更有优势,可由计算机直接联网控制。此外,变频器具有多种保护功能,如过流、过压、过载保护等等。

4.2 变频器应用

目前,国内外已有众多生产厂家定型生产的多个系列变频器,基本使用方法和基本功能大同小异。我水司二次供水设备基本上使用ABB ACS510系列变频器。

005.png

变频器应用于系统图

4.3变频器应用优缺点

采用变频调速后,节电率可达20%~60%,并且很容易实现电动机正反转。用户可进行高速运行,也可一台变频器控制多台电机,电机启动时的电源容量不必太大。

缺点在于变频器对使用环境较严格,要求粉尘、温度、湿度符合运行条件。其次,变频器造价较高,技术要求高,保密性强,发生故障后一般需要厂家技术支持维修。总体来说,使用变频器利大于弊。

5. 单片机与PLC

5.1 PLC:可编程逻辑控制器

PLC是专为工业生产设计的一种数字运算操作的电子装置,采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程,是工业控制的核心部分。

 006.png

西门子PLC S7-200

5.2单片机:单片微控制器

单片机是一种集成电路芯片,采用超大规模集成电路技术将具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等组件(还可包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等)集成到一块硅片上,从而构成一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域得到广泛应用。

007.png

单片机

5.3单片机与PLC的区别

PLC是应用单片机构成的比较成熟的控制系统,是已经调试成熟稳定的单片机应用系统的产品。有较强的通用性。而单片机可以构成各种各样的应用系统,使用范围更广。单片机仅是一种集成电路,必须与其它元器件及软件构成系统才能应用。从工程应用看,对单项工程或重复数极少的项目,采用PLC快捷方便,成功率高,可靠性好,但成本较高;对于量大的配套项目,采用单片机系统具有成本低、效益高的优点,但要使系统稳定,需有相当研发力量和行业经验才能。

5.4 实际应用

运用单片机和PID、变频器相结合的方法,在压力波动较大时使用模糊控制,以加快响应速度;在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。维持二次供水管网的压力不变,根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件,由于供水系统管道长、管径大,管网的充压都较慢,故系统是一个大滞后系统,不易直接采用PID调节器进行控制,而采用PLC参与控制的方式实现对控制系统的调节。

6. 叠压分区供水

6.1叠压供水

叠压供水指利用城镇供水管网压力直接增压的二次供水方式。该供水方式能充分利用市政管网剩余压力,从而降低能耗,并能有效降低供水过程中水质二次污染的风险,从而有效解决传统二次供水方式引起的耗能和水质二次污染等系列问题。

6.2叠压供水系统组成与工作原理

6.2.1管网叠压供水系统组成 

管网叠压供水系统包括稳流罐、水泵以及变频数控柜。通过稳流罐,水泵直接从自来水管中进行连接和加压,不需贮水池和屋顶水箱,水可直接送到用水点。

6.2.2管网叠压供水系统的工作原理

首先,当自来水水压在用水要求范围内时,如果管网压力大于或等于设定压力,即使加压水泵停止工作,自来水仍可以通过旁通的管子通到用水点。当自来水管网压力不能满足用水要求时,电接点压力表会发出信号并传送到变频数控柜中,通过变频软启动水泵实行加压供水,保证供水压力在设定压力之中,使水泵机组在变频数控柜控制下维持恒定转速,实现稳定运行。

第二,在用水高峰阶段,在用户管网压力下降到低于设定压力后,变频器频率会降低,水泵机组转速也随之降低。此时,用户管网实际压力等于设定压力值。水泵在空转状态下实现自动流动。

第三,当自来水进水量大于等于水泵机组供水量,稳流罐中与外界隔绝。负压消除器能够维持正常供水,这种状态会破坏膜滤负压消除器,使得稳流罐和外界相通,保证自来水管网正常供水。

第四,自来水管网停水后,稳流罐调节容积会继续工作,直到水位降低到液位控制器设定水位,待来水后水位上升,会提示自动开机。

第五,停电时水泵不工作,自来水只能通过旁通管达到地层用户,保证楼层较低用户用水,直到来电后水泵机组才能自动开机,恢复正常供水。

6.3叠压供水能耗 

当管网直接叠压在变频供水上时,节能情况比较乐观。对于水箱常规供水设备而言,只要水泵在工作时扬程和流量能够满足管网用水要求,就能发挥效能。恒压变频调速供水过程中,当用户供水量出现下降,水泵出口压力保持固定不变。水泵采用变频调速时,原本转速降低,水泵吸入口可利用自来水剩余压力进行压力损耗补偿。当水泵吸入口压力升高后,出水压力保持恒定,水泵扬程出现下降。如果不考虑流量变化,则水泵吸入压力越高,节能效果越明显。

6.4叠压供水优化设计 

通常分区数越多,供水能耗越少,但分区数增加也意味着设备投资费和管理费的增加。对于某一特定建筑物,要合理选择竖向分区方案,即应在合计管材、水泵、减压阀、控制系统配套设施等设备投资费用和后期运行管理费用后,选择综合费用最少的方案。

(1)对给水系统进行竖向分区,能有效降低水泵的供水能耗,不同分区数供水能耗不同,分区数越多,供水能耗越低。理论上,分区所能节约的最大供水能耗为不分区供水能耗的45%。

(2)竖向分区数的增加,在节省供水能耗的同时,也增加了给水系统的建造投资费用,包括管线、水泵机组、控制系统配套设施、减压阀等费用。

(3)合理或者最优的分区方案,应该是合计建造投资费用和动力费后的年度折算费用最低并根据各种方案的经济指标作比较后确定的最终分区方案。

7. 二次无负压设备介绍

7.1无负压设备

无负压供水设备是一种加压供水机组,通常直接与市政供水管网联接,是在市政管网剩余压力基础上串联叠压供水,确保市政管网压力不小于设定保护压力(设定压力必须高于小区直供区压力需求,一般不低于0.12MPa)的二次加压供水设备。管网叠压(无负压)供水设备的核心是防止在二次加压供水系统运行过程中产生负压,消除机组运行对市政管网的影响,在保证不影响附近用户用水的前提下实现安全、可靠、平稳的供水。无负压供水设备又被称为管网叠压供水设备,目前市场上主要有罐式无负压供水设备与箱式无负压供水设备。

7.2  管网叠压供水设备介绍

7.2.1无负压供水设备组成

无负压供水整套设备由稳流罐、真空抑制器、变频调速水泵机组、压力传感器、变频控制柜、倒流防止器(可选)、消毒装置(可选)、小流量保压罐(可选)等组成。

7.2.2无负压供水设备工作原理

(1)变频恒压供水:当市政管网供水量大于用户用水量时,稳流罐式无负压供水设备变频恒压供水,此时稳流罐中存储一定量的承压水。

(2)消除负压:用户用水量增加导致市政管网与稳流罐连接处压力下降,当压力降低到相对压力0MPa以下时,在稳流罐中形成负压,真空抑制器的进气阀门打开,大气进入稳流罐。此时,稳流罐相当于一个具有自由液面的开口水箱,压力与大气相同,负压被消除。水位下降到设定值时,液位控制器将控制信号传递给变频控制柜中的控制系统,控制加压机组停止工作,用户停水;当用户用水量减小时,稳流罐中水位上升,气体从真空抑制器排气阀门排除,压力恢复正常后,加压机组重新自动启动,恢复供水。

(3)停水停机功能:当市政管网停水时,加压机组在液位控制器控制下自动停止运行;市政管网供水恢复后,加压机组自动启动,重新恢复正常供水。

(4)小流量休眠功能:用户不用水或用水量很小时,设备自动进入休眠状态(停机)并保持供水压力;用户恢复用水时系统自动唤醒,恢复正常供水。

(5)停电继续供水:当小区停电时,由市政管网继续向低区用户供水,停电不停水;恢复供电后,设备自动启动,恢复正常供水。

008.png 

无负压设备原理图

7.2.3叠压式无负压供水设备分类

(1)稳流罐式:罐式无负压供水设备在水泵前装设压力密封罐,罐内部或外部加设稳流补偿器(又称“真空消除器”),水泵通过稳流罐吸水,加压后供至用户,靠稳流补偿器的调节作用,降低对公共供水管网的影响。此方式无储备水量,城市公共供水管网停水时,易出现断水现象。我司主要将此类设备用于高层小区和市政供水相对稳定的部分山区。

(2)调节水箱式:该方式设有不承压的调节水箱,内部加设稳流补偿器,通过电控装置,使调节水箱内的水每天至少循环两次,确保水质不变。当市政管网的水量、水压条件能满足无负压供水要求时,直接从市政管网取水;否则,从调节水箱取水。此方式具备一定的储备水量,可用于供水管网不稳定的区域,但是由于存在水箱和检修人孔,仍要按规定定期进行清洗消毒。我司将此类设备用于偏远山区。

 009 - 1.png

009-2.png

无负压泵房

8. 节能数据统计对比

以下数据分别来自青岛三利、山东潍坊华立、北京威派格、上海中韩杜科等厂家的设备运行数据。研究在最大程度上选取设备相似(包括PLC或者单片机(控制柜)、ABB ACS510变频器、格兰富立式多级离心泵、二级能耗电机、高效储水罐、高精度压力变送器等)、所属小区入住率及分区供水情况相接近的小区,通过电量及水量分析对比设备能耗。

8.1  青岛三利统计数据:高层小区(国际村小区)

8.1.1小区概况

小区有6幢17层建筑,11幢25层建筑。其中1-4层为市政直供,5-11层为加压低区,12-18层为加压中区,19-25层为加压高区。小区总用户数为1962户。设备情况参数:

低区(5-11层)

010.png

10国际村小区低区设备参数

中区(12-18层)

 011.png

11国际村小区中区设备参数

高区(19-25层)

012.png

12国际村小区高区设备参数

Table - 2 - 01.png

1国际村小区20201-10月电量消耗&用水量

从表中可以看出,小区前10个月电量消耗28725度,用水82598吨。平均每月消耗电量2872.5度,小区平均每月的用水量为8259.8吨。计算可知该小区平均加压一吨水须消耗电量0.35度。

8.2 潍坊华立统计数据:高层小区(天府中心小区)

8.2.1小区概况

每幢25层。其中1-3层为市政直供,4-11层为加压低区,12-18层为加压中区,19-25层为加压高区。小区总用户数为176户。设备情况参数:

低区(4-11层)


013.png

13天府中心小区低区设备参数

中区(12-18层)

014.png 

14天府中心小区中区设备参数

高区(19-25层)

 015.png

15天府中心小区高区设备参数

Table - 2 - 02.png

2天府中心小区20201-10月电量消耗&用水量

从表中可以看出,小区前10个月电量消耗15031度,用水18895吨。平均每月消耗电量1503.1度,小区平均每月的用水量为1889.5吨。计算可知,该小区平均加压一吨水须消耗电量0.8度。

8.3 北京威派格统计数据:高层小区(福欣大厦小区)

8.3.1小区概况

每幢26层。其中,1-3层为市政直供,4-26层为分区及户表减压。小区总用户数为70户。设备情况参数:

016.png

16福欣大厦小区设备参数

Table - 2 - 03.png

3福欣大厦小区20201-10月电量消耗&用水量

从表中可以看出,小区前10个月电量消耗9364度,用水12433吨。平均每月消耗电量936.4度,小区平均每月的用水量为1243.3吨。计算可知,该小区平均加压一吨水须消耗电量0.75度。

8.4 上海中韩杜科统计数据:高层小区(坂湖明珠小区)

8.4.1小区概况

1幢20层、1幢26层。其中,1-5层为市政直供,6-12层为加压低区,13-20层为加压中区,21-26层为加压高区。小区总用户数为313户。设备情况参数:

低区(6-12层) 

017.png

17坂湖明珠小区低区设备参数

中区(13-20层)

  018.png

18坂湖明珠小区中区设备参数

高区(21-26层)

 019.png

19坂湖明珠小区高区设备参数

Table - 2 - 04.png

4坂湖明珠小区1-12月电量消耗&用水量

从表中可以看出,小区前10个月电量消耗10595度,用水23074吨。平均每月消耗电量1059.5度,小区平均每月的用水量为2307.4吨。计算可知,该小区平均加压一吨水须消耗电量0.46度。

8.5 对比总结

后期调研发现,潍坊华立(天府中心小区)主要由于小流量保压功能不完善和压力设置不合理,导致设备一直运行,因此能耗增加。经过多次实际入户检验与PLC&变频器程序设置改进,后期每加压一顿水耗电量降低至0.65度。经过长达10个月时间的连续跟踪监测及数据采集,对比发现青岛三利品牌设备在综合技术和控制能耗上表现最好,但由于其操作面板操作方式不够人性化,还有后期技改余地。潍坊华立品牌设备在控制面板技术方面操作有优势,各项数据均能直观显示,但在控制能耗方面还有技改余地。中韩杜科品牌设备由于采用单片机和变频器的组合,后期改进余地不大,但其自身能耗控制技术不错。北京威派格品牌设备在后期多次改进后,在控制操作界面、控制程序、水泵选型等多方面实现提升,能耗控制上也有改进余地。

9. 节能对策

(1)合理利用水箱与管网叠压供水方式,在市政压力不稳定的区域加以应用。在泵房内配置调节水箱,当供水管网来水不足时,通过水箱泵调节设备前压,能有效减小水泵抽水对市政管网的影响。合理确定泵房设置位置,尽量靠近用水大户,减小水泵扬程。

(2)设置气压罐与使用小流量保压模式。在符合实际情况的状态下,加大保压罐体积(现阶段各厂家气罐都在1立方)或者设置机泵低功率运行程序。在设备停止运转进入小流量保压后,如只有少量用户用水,设备足够保证该部分用户用水需求。

(3)充分利用市政管网余压,合理配置多级分区供水。对于市政压力能满足供水压力的楼层,其管网不必接入二次供水管网。

 

参考文献:

[1] 赵洪宾.给水管网系统理论与分析[J].北京:中国建筑工业出版社,2003,33—151.

[2] 中国城市供水协会.城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标[M].北京:中国建筑工业出版社,2005:10.

[3] 刘兰萍.小议比转速与水泵调节[M].山西:山西建筑.2007:29.

[4] GB50015-2003,建筑给水排水设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[5] CJ/T265--2007,无负压给水设备[S].北京:中国标准出版社,2007.

[6] GB50555-2010,民用建筑节水设施标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

(版权所有 转载必须注明中国水星)
水星会员 MORE > 
  • 永高股份有限公司

    永高股份有限公司创建于1993年,中国塑料加工工业协会塑料管道专业委员会永高股份有限公司创建于1993年,中国塑料加工工业协会塑料管道专业委员会理事长单位,是国内塑料管道行业为数不多的上市公司之一,股票代码:002641。公司建有国家级博士后科研工作站、国家级企业技术中心、国家火炬计划重点高新技术企业、省级重点企业研究院、省级技能大师工作室、市级创新团队等创新平台。公司秉承“质量第一,用户至上,诚信为本”的经营方针和“诚信、务实、高效、共赢”的经营理念。“公元”牌塑料管道、“ERA公元”商标获多项国家级、省级殊荣。目前,公司的产销量居全国塑料管道行业第二,出口居行业第一。
  • 江苏源清管业有限公司

    江苏源清管业有限公司是由淮安市国资委下属的淮安水利控股集团投资控股的国有企业。公司专门生产薄壁不锈钢承插式氩弧焊和双卡压式两种连接方式的管材、管件、不锈钢阀门等水暖配件。公司占地70亩,生产车间约20000平方,年产能30000吨。 公司自成立以来一直致力于不锈钢给排水管道的研发,生产,销售,安装及售后服务,且秉承“品质不锈,诚信为钢”的经营理念,产品广泛用于建筑给水、燃气、排水、直饮水、气体、消防、暖通、太阳能等工程。坚持“成己为人,成人达己”的经营理念,遵循“诚信经营、优质服务、团结进取、求实创新”的经营方针,以市场为导向,以经济效益为中心,努力提高经营管理水平,促进公司持续健康发展,切实保障客户、公司和员工的利益。
  • 深圳市昆特科技有限公司

    昆特科技是一家专注于自然风险服务的国家高新技术企业,总公司位于深圳南山区并配置有数据采集研究院(软件研发中心设立于成都高新区)具备独立自主的数据采集与遥感应用能力,拥有发明专利6项、软件著作权81项以及其他各类行业资质与硬件专利近百项,案例遍布于全国23个省市直辖市约1150个县/区,沉淀案例近万个。昆特科技致力于以“水、大气、土壤”为主要致灾因素的自然灾害、商业气象、生态环境、公共安全研究已14年历史。