凈水廠生產耗電分析
摘要：水廠生產的電能消耗占整個供水成本的35%--40%以上，抓好節約用電對于水廠管理具有很重要的作用。要達到節約用電的目的，必須了解電能消耗的情況，以便有針對性地采取管理措施，這就需要進行生產耗電 分析 。
關鍵詞：凈水廠 生產耗電 供水成本
一、電耗的組成
在自來水生產過程中，電耗可以分為有功電耗和無功電耗。有功電耗是將源水轉化為滿足服務需求的自來水所需的能量;無功電耗是轉化過程中內部消耗的能量。有功電耗相對一定量、一定要求的自來水為恒量;無功電耗為一個變量，它是隨著生產系統狀況的變化而變化的，自來水生產降低耗電就是降低這一變量。
1、有功電耗的 計算 。
根據能量守恒定律，自來水生產過程消耗的有功電耗：
W=γ·Q·H凈·T/102(kW.h)
式中：γ---水的容重(kg/L)
Q---單位時間產量(m3/s).
H凈--滿足服務需求的供水水位標高與源水水位標高差(m)。
T----產水時間(h)。
在生產過程，由于受到設備、管道及構筑物內耗等的 影響 ，整個自來水生產系統的工作效率不可能達到100%，實際生產耗電量與有功耗電量的差，即為無功耗電量。
2、無功電耗的組成及產生原因的分析。
無功電耗是生產系統克服各種內部損失而消耗的電能，無功電耗的存在是不可避免的。無功電耗值的大小隨著系統的工況變化而變化，工況越好，它的值越低，即系統的工作效率越高;工況差則反之。無功電耗一般包括：水泵、電動機及配電設備的內耗、管道、構筑物克服水頭損失的消耗等。
1)制水過程的管道內耗
制水過程的管道內耗包括：源水輸水管道及處理構筑物間聯通管道的內耗，即水頭損失，其中處理構筑物間聯通管道較短，水頭損失較小，在實際生產過程不經常進行檢測或分析，僅在凈水廠設計或技改設計時需進行計算和分析。源水輸水管道水頭損失 的變化必須在生產過程重點監測，嚴格控制。
水泵輸水總揚程H=H凈+∑h=H出-H進+ ( V22-V12)/ 2g+△Z
在實際中由于(( V22-V12)/ 2g +△Z)數值較小，源水輸水管道的水頭損失可以忽略水泵進、出口流速水頭的影響，直接按水泵進、出口壓力差計算，即：∑h=H出-H進-H凈
式中：∑h--輸水管道總水頭損失(m)。
H出-----水泵出口壓力(m水柱)。
H進-----水泵進口壓力(m水柱)。
H凈------水泵的靜揚程(m)。
V1------水泵進口流速。
V2------水原出口流速。
△Z------水泵進、出口壓力表位置標高差。
水泵揚程示意圖
∑h的值越低，表明管道工況越好，在實際生產運行過程中，必須以設計值或 歷史 最小值作為控制標準值，盡量將∑h值控制在標準值附近。引起∑h值增大的原因主要是：管內壁粗糙度增加、吸水口堵塞閥門開啟度不足陰力增大等。必須逐一進行檢查并處理。源水輸水管道內壁粗糙度增加主要是吸附著較多的生物所致，可用在吸水口投加漂精毒殺生物的 方法 去除。具體方法為：在吸水口投加漂精溶液，投加后將管內水的余氯值控制在1.5--2.0mg/L，歷時不少于24小時，毒殺生物及清理吸水格柵，一般在清水期進行。生產運行過程中，必須定期對∑h值的變化情況進行分析，而進行這一分析的前提是水泵進、出口壓力數據的真實性，這就要求監測儀表的設置必須規劃，儀表質量過關，人員工作質量高。
2)配水過程的管內耗。
配水過程的管內耗由于配水管網較復雜，測定及計算很困難，因此，生產過程一般不進行分析，只需定期進行管網平差，作為新鋪管線或管網改造的 參考 數據。
3)水處理構筑物的內耗。
水處理構筑物在生產過程中會產生一定的內耗，即混合、絮凝、沉淀、過濾等所必須的水頭，這些水頭的大小較穩定，生產過程也不需 經濟 進行統計與分析，僅在設計與技改時需進行計算與校核。
4)水泵、電支機設備的工作內耗。
水泵、電動機設備工作所消耗的電能占制水過程消耗的電能的絕大部分，因此，在設備的選型時即應考慮選擇效率較高的設備。其中水泵的型號較多，但在適用的前提下，應盡可能選用效率較高的系統。電動機一般應選用Y系列的電動機，它具有效率高，起動力矩大、噪音低、防護性能好等特點。它的平均效率達88.263%，屬于當前國際上最高效率水平。平均起動轉矩高，可避免以往在采用其它系列產品時，由于起動轉矩不能滿足要求而需要選高——擋容量的電動機來解決起動能力不足的 問題 ，從而減少因起動轉矩較低而造成過量能耗損失。選擇電動機時考慮到發熱，電網電壓波動，很難和水泵工作要求完全一致，所選電動機容量宜比水泵要求的大些，以電動機80%滿載為最佳。如果因為某種原因，電動機容量過大，負載太低，不僅會因為電動機效率低而增加電動機的能量損耗，而且會因為電動機的功率因數COSФ降低而增加輸電線路和變壓器的損耗。
在生產運行過程中，隨著運行時間的延長，水泵、電動機的工況會逐步變差，效率逐步降低，因此，適時進行維護，恢復設備的工況對節能具有相當重要的意義。而要適時進行維護，必須充分了解設備的運行工況，這就必須經常對設備的運行情況進行監測和分析。
這種監測和分析如能利用監測儀器直接進行測試，直觀地得出設備的運行參數為最好，但由于監測儀器的配置問題，實際生產過程 中僅能定期進行，在日常的維護管理中，為了使工作更有目的性和方向性，可利用下述比較法判別設備運行工況的好壞。
首先，根據設備的設計效率數據計算出設備在設計工況下，將1km3水提高1MPa壓力時的配水單位耗電NA。
N=W/ η傳.η電.η泵.H.Q(kW.h/km3.MPa)
=(1000m3γ×100mγ)/η泵.η電.η傳(kg.m/km3.MPa)
=108/(102×3600.η傳.η電.η泵) (kW.h/km3.MPa)
=272.33/η泵.η電. η傳(kW.h/km3.MPa)
=N#/ η泵.η電. η傳 (kW.h/km3.MPa)
其中：N----設備設計配水單位耗電(kW.h/km3.MPa)
W----每km3水提高1MPa壓力時的耗電量(kW.h)。
η泵---水泵設計工作效率
η電---電動機設計工作效率。
η傳---電動機、水泵機組的傳動效率。
H------單位揚程，H=1MPa
Q-----單位水量，1Km3。
N#----有功配水單位耗電(kW.h/km3.MPa)
再計算出實際生產運行的機組配水單位耗電N。
其中：N'= W'/(Q'·H')
式中：N'----機組實際配水單位耗電(kW.h/km3.MPa)。
Q'-----機組抽水量(km3)
H'-----機組輸水總揚程(MPa)
W' ----機組總耗電量(kW.h)〃
然后將N與N'進行比較、分析。
a、當N=N'時，證明機組工況達到設計工況要求，工作效率最高，機組的設備內耗值處于正常范圍。
b、當N 此時，可對千萬設備內耗值增大的因素進行分析。這些因素主要為：水泵機械磨損，水泵偏離設計高效段工作，電動機機械磨損超出控制值，電動機工作電壓小于額定值，電動機負荷系數(即電動機實際負荷與額定負荷之比)降低，電動機功率因數(COSФ)降低。其中：
a、水泵機械磨損。
包括：傳動機構軸承、軸封的磨擦損蝕，葉輪圓盤在泵愨內運行時和流體的磨擦損蝕及葉輪和減漏環間隙磨損蝕。加強水泵機組的維修，校正機組的水平，及時換下彎曲的泵軸，損壞的軸承，磨損較大的減漏環，保持良好 潤滑狀態就能減少機械磨損。維修時，在觀察的基礎上，必須晝使用各種檢測工具，檢測各部件的磨損情況，作好記錄，嚴格按照質量標準要求更換部件。
b、水泵偏離設計高效段工作。
該狀況的出現主要是由于水泵的輸水量、工作揚程受到河床水位、管網配水量變化的影響。由于源水取水泵房水泵在設計時是按滿足最不利條件下的最大供水量而進行選型的，即取水泵房水泵的設計揚程須滿足在保證率為1%的最枯水位情況下，水泵總輸水量達到凈水廠最高供水量乘以1.1的自用水系數;由于水泵的設計高效段范圍一般不是很大，因此，在河床水位變幅較大的河段，河床水位升高到一定的時候，有些甚至在年平均水位以下時，水泵已編離高效段工作，水泵效率下降，設備內耗值增加。
據筆者對--供水能力為5萬m3/日水廠進行的調查，該水廠一級水泵設計揚程按最不利情況進行選取的，即歷史最杜河床水位1.9m，設計揚程H=33m選取的。設計水量是按最不利情況下，水泵機組能采用二用一備的方式運行而定。設備配置如下表：
|
設備編號及名稱 |
型 號 |
規 格 |
|
B101、103水泵 |
16S-9D |
Q=900-1260m3/h, |
|
B101、B103電動機 |
JS126-6 |
380V，N=155KW |
|
B102水泵 |
12Sh-13 |
Q=619-900m3/h, |
|
B102電動機 |
Y280M1-4 |
380V,N=90KW,η=92.7% |
當河床水位高于3m時，B101、B103水泵揚程低于32m處于高效段外工作;當河床水位高于5m時，B102水泵揚程低于29.5m也處于高效段外工作。由下表知：河床水位低于3m的月份出現頻率為8.14%，河率水位低于5m的月份出現頻率為班38.4%.所以一級水泵在全年的大部分時間為處于高效段外工作，因而能耗較高。
|
總月數 |
河床水位低于3m |
河床水位3m--5m |
年平均水位 |
||||
|
出現月數 |
出現頻率（%） |
平均日供水量（m3/h) |
最大時供水量（m3/h) |
出現月數 |
出現頻率（%） |
||
|
86 |
7 |
8.14 |
1707 |
2100 |
35 |
38.4 |
7.75 |
筆者認為，在河床水位變幅較大和全年供水量變化較大的地區，凈水廠設計應考慮晝拓寬水泵高效工作段。如果為多水源供水管網的其中一個供水廠或單水源供水管網的凈水廠，清水池調節容積較大，能夠補充短時供水量增水的量時，取不利情況下一級泵房可以不考慮設置備用泵。這樣雖然表面看起來安全性較差，但實際上多水源供水管網各水廠可以互相調節補充，清水池調節水量也能補充，而且出現最枯水位的季節一般也是年供水低谷期，供水量較小，達不到設計值，而且出現最枯水位的季節一般也是年供水低谷期，供水量較小，達不到設計值，只要管理上能做到嚴格、 科學 ，供水安全性將能得到確保。如能按一設計思路進行水泵的選型，將一級水泵設計揚程點放在水泵高效段的右端，充分利用水泵的高效段，將能提高水泵年工作效率。那么在河床最枯水位時，水泵以設計揚程工作，取水泵房主力泵全部開啟也不能滿足設計水量要求，需開啟備用泵并聯輸水，(并聯工荼水泵臺數應不大于3臺)，此時水泵處于高效段工作，在年供水高峰期，源水水位升高，水泵工作揚程降，取水泵房在有備用水泵的情況下，僅造主辦泵工作也能滿足設計輸水量要求，此時，水泵仍處于高效段工作。水泵偏離高效段工作的情況僅在河床超高水位時出現，此情況下仍可通過調速，更換葉輪(葉輪切削)，閘閥節流等，調節水泵工況點處于高效段內。這樣水泵的年工作效率將能得到提高，水泵的年無功耗能下降。
上述凈水廠按這一思路對取水泵房設備進行了重新配置，如下表所示：
|
設備編號及名稱 |
型 號 |
規 格 |
|
B101、B103水泵 |
350S26 |
Q=972-1440m3/h,H=32-22m, |
|
B101、B103電動機 |
Y315M1-4 |
380V,N=132KW,η=93%,n=1480r/min |
|
B102水泵 |
12Sh-13A |
Q=580-843m3/h,H=32-25.9m, |
|
B102電動機 |
Y280S-4 |
380V,N=75kW,η=92.7%,n=1480r/min |
當河床水位處于歷史最枯水位，以設計水量滿負荷運行時，取水泵房必須同時投入全部三臺機組運行，沒有備用。但由于河床年平均水位在7.75m左右。因此，水泵在全年絕大部分的時間牌高效段工作，效率較高，能耗低，另外設備總功率較原配備的設備功率低，一次性投資較低。
二級泵房水泵是按最高日最高時城市用水量計算，由于供水日變化系數較大，在年供水低谷時，水泵也會出現偏離高效段工作。對于這些情況可考慮通過調速，更換軒輪(葉輪切削調節)及閘閥節流調節等改變水泵工況點，相對地擴寬高效段，降低水泵的無功消耗。
c、電動機機械磨損。
包括：軸承、風葉及電刷等的磨擦損耗，運行時必須嚴格維護管理，定期進行磨損情況的檢測。
d、電網電壓的影響。
電動機的工作電壓不穩定，當電壓低于額定電壓時，工作電流將比正常值大，此時，電流流過繞組及各配電設備、線路的電陰產生的熱損失當增大。
e、電動機負荷系數及功率因數COSФ的降低，不僅會增加電動機輸電線路、變壓器的電線路、變壓器的電能耗，而且會增加發電、輸電系統的附加損耗，從而增這方面的投資，相對于凈水廠，將會由于受到電力部門的懲罰性收入費而增加成本及增加輸配電過程的線損及變損。當電動機負荷接近額定值時，COSФ值達最大值。在生產運行時，必須對設備運行電流、電壓及時、準確地進行記錄、分析，以判斷水原抽水量的變化，找出變化的原因，并及時采取正確的措施，避免“大馬拉小車”，或“小馬拉大車”而造成的能耗浪費或設備不安全運行現象的產生。由于設備效率的測定 般為定期進行，因此，生產過程的電耗情況分析是系統工作狀態檢測的必要手段。
二、生產過程電耗情況的 分析
自來水生產過程的降低電耗就是降低過程中所無功電耗，確切地說，就是降低或消滅造成生成系統工作效率低于設計效率的那些無功電耗。這就必須找出這些無功電耗的種類和產生原因。根據筆者多年的凈水廠管理經驗，尋找分析可按以下 方法 進行，首先是按下表要求，通過數據判斷工況情況。
|
編號 |
項 目 |
目標值 |
完成值 |
差異率（%） |
|
1 |
一級總水頭損失（m) |
|
|
|
|
2 |
一級設備配水單位耗電（kW.h/km3.MPa) |
|
|
|
|
3 |
二級設備配水單位耗電（kW.h/km3.MPa) |
|
|
|
表中各項目標值可按上述 計算 方法及凈水廠投產以來的生產先進指標定。當項目完成值與目標值出現差異時，表明設備工況產生變化，必須針對可能引起變化莫測的因素逐個檢查、分析，找出原因，制訂出解決 問題 的措施。
以下為筆者對-水廠某兩月生產耗電情況按上表進行分析的結果。
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編號 |
項 目 |
目標值 |
完成值 |
差異率（%） |
|
1 |
一級總水頭損失（m) |
1.2 |
1.8 |
50 |
|
2 |
一級設備配水單位耗電（kW.h/km3.MPa) |
360.2 |
360.5 |
0.08 |
|
3 |
二級設備配水單位耗電（kW.h/km3.MPa) |
337 |
371 |
10 |
1 項差異原因為：吸水格柵過水斷面受堵塞而減少，管內滋生物較多，粗糙度增大，內阻增大。
應采取的措施為：清理格柵雜物，在吸水口投放漂精毒殺管內滋生物。
措施實施后運行數據表明，水頭損失已降至1.25m。
2 項差異率僅為0.08%，表明工況良好。
3 項差異原因為：
1)葉輪與減漏環間隙較大，達1mm以上。
2)水泵填料涵內靠葉輪端填料已腐爛，水從軸套內環漏失。
根據這些問題，采取了更換減漏環和填料的措施。更換后葉輪與減漏環間隙降至0.2mm，填料涵漏水已控制在60滴/分，達到要求，運行測試結果表明配水單位耗電已降至342kW.h/km3.MPa。
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編號 |
項 目 |
目標值 |
完成值 |
差異率（%） |
|
1 |
一級總水頭損失（m) |
1.2 |
1.24 |
3.3 |
|
2 |
一級設備配水單位耗電（kW.h/km3.MPa) |
360.2 |
411 |
14 |
|
3 |
二級設備配水單位耗電（kW.h/km3.MPa) |
337 |
340 |
0.89 |
由表知：1、3項較為正常，2項差異率達14%，經分析，原因為：河床水位較高，水泵工作揚程較設計高效區最低揚程還低7.32m。為此，采取切削葉輪方式進行調節，確保水泵處于高效段工作。采取措施后的配水單位耗電降至kW.h/km3.MPa。
按上述比較、分析方法，對了解現有設備的工況較為方便面，在發現工況變化后，，早需要對可能引起工況變并的原因逐個檢查、分析，直至找出問題的根本，制定解決問題的措施，并對措施落實情況、效果進行檢查、復核。
以上為對現有設備工況變化情況的分析、了解及控制的方法。切實地開展這一工作，將能最大限度地發揮現有設備的效率。但要了解某凈水廠設備效率的先進性，為設備發行工作提供情報依據，還必須將廠配水耗電效率及配水單位耗電其它水廠的指標對比，找出差距及差距產生的原因。
配水單位耗電∑N= ∑W/ Q.H
其中 ∑W----水廠總生產耗電量(kW.h)。
Q---水廠供水量(km3)
H----水廠供水揚程(m)，即供水揚程標高(m)與水源水位標高的差。
例如，在筆者工作的水司，下屬有兩個取同--水源的水廠，其中一個廠的流程為：水源——取水泵房——處理構筑物——送水泵房——管網(下簡稱B廠)。A廠為加壓供水，B廠為重力供水。B廠較A廠的供水壓力標高高(年平均高12.68m)，凈水流程的水位差高5.1m，源水輸水管道長300m以上，水頭損失約高0.5m，自用水提升揚程約高42m，兩廠自用水量約占總產水量的35%。因此，配水耗電率也不同，其中A廠、B廠年平均配水耗電率分別為：304kW.h/km3、354kW.h/km3。從數值上看，很明顯A廠供水成本高，但兩個廠的配水單位耗電及配水耗電效率有何差別呢?由于廠配水耗電效率η為：272.33
η=W/W'=N/N'=272.33/N'
為此，我們對生產運行數據進行了統、比較，如下表：
|
項 目 |
年平均值 |
|
A廠配水耗電率（（kW.h/km3） |
304 |
|
A廠配水單位耗電（（kW.h/km3.MPa） |
439 |
|
A廠配水耗電效率（%） |
62.03 |
|
B廠配水耗電率（kW.h/km3） |
300 |
|
B廠配水單位耗電（kW.h/km3.MPa） |
433 |
|
B廠配電耗電效率（%） |
56.62 |
上表數據表時：A廠的配水耗電效率較B廠高，A廠的配水耗電成本B廠低。
根據表現出來的結果，我們進行了原因分析，確認為：
1、凈水流程的水位差小5.1m。
2、A廠較B廠源水輸水管短，水頭損失約少0.5m。
3、供水揚程A廠較B廠約少12.68m。
4、自用水提升揚程A廠較B廠約少42m。
由于以上四項原因造成的B廠配水耗電率增加值約為：
(5.1+0.5+12.68)×2.7233+42×2.7233×3.5%=54(kW.h/km3)
剔除這些因素的 影響 ，A、B兩廠配水耗電情況如下表：
|
項 目 |
年平均值 |
|
A廠配水耗電率 |
304 |
|
A廠配水單位耗電 |
439 |
|
A廠配水耗電效率 |
62.03 |
|
B廠配水耗電率 |
300 |
|
B廠配水單位耗電 |
433 |
|
B廠配電耗電效率 |
62.29 |
由表知：此時，B廠配水耗電效率較A廠高。
由上分析可知：由于工藝流程設計更為合理，減少了流程內的無功損耗和富裕的供水水頭，A廠配水耗電效率較B廠高。但A廠的水泵機組工作效率卻較B廠低。因此：
1、A廠必須進一步了解設備工作效率相對較低的原因，并設法解決問題。
2、B廠由于設計的原因，造成成本較高的因素已不可消除，但在今后的工作中可通過節約自用水量，減少在公司總供水量中的份量，直至搬扦的方法降低公司的供水成本。
三、結論
自來水生冰過程必須準確、齊全地收入集各種運行數據，必須根據對無功電耗變化的不同影響程序而對各種因素項目進行不同期限要求的比較、分析工作。崗位級必須每班次按表進行本班次的崗位設備的效率分析，廠級必須每周或每月、每年定期進行分析。生產變化情況對其影響不大的項目也應根據生產需要定期進行比較、分析，設備的維修和生產管理工作必須根據分析結果， 科學 地進行比較、分析工作必須利用收集的運行數據進行，比較、分析找出影響的因素后，必須定出解決措施，進行措施落實的檢查，電耗分析工作的實施，關鍵是人的業務素質、工作態度、工作質量的提高。
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