摘要：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域，準確確定出其節電潛力，并對節能潛力好的泵站加以改造，避免粗放性節能估算造成節能改造效果不能保障的問題，就顯得非常重要。本文以能準確測算泵站節能效果并能實施量化節能控制的泵站目標電耗節能技術在泵站中的應用進行探討。
　　關鍵詞：水廠；泵站；節能
　　1引言
　　給水行業的配水、增壓泵站進行變頻調速節能技術改造后,經過運行,普遍發現在使用過程中存在以下問題:
　　(1)在滿足用戶的需水量及保證供水壓力的情況下,開并聯泵組時,水泵節電很少甚至不節電;一臺調速泵運行時,節電很少或不節電。
　　(2)當工況點、管網參數等情況發生變化后,且在泵站系統滿足工況條件下,調速系統經常出現運行不穩定現象,從而造成節能效果不能保持最低的單位電耗值。
　　針對供水行業的使用情況,許多人盲目的把變頻調速設備當作節能設備來看待,實際上對變頻技術根本不清楚,也沒有確切衡量節電效果的準確尺度。對此,本文討論在并聯泵組中,機組如何合理搭配運行以及使用調速方式,采用力控組態軟件+PLC控制技術,解決對泵站節能經濟運行的量化問題。
　　2泵站節能技術控制理論
　　2.1控制原理
　　在泵站系統的工藝參數(流量、壓力)、設備參數(水泵、電機、調速裝置)等確定的情況下,采用最小二乘法理論找出H-Q之間的函數關系,運用并聯泵組特性曲線擬合法,自動找出一套耗能最小的運行搭配和調速方式,即優化泵組合方案(運行搭配合理的泵組工況點穩定運行在高效區間內)。該優化泵組合方案并不一定是每臺水泵都能達到最優,只是指一個泵站內水泵優化組合后的總體效果,可以形象地把整個泵站內已優化組合后的每一泵組合方案看作一臺“水泵”。我們把泵組合方案稱為“虛擬水泵”,而這一臺“虛擬水泵”在一定壓力和流量下,用最小二乘法理論計算出“虛擬水泵”的特性方程和特性曲線為標準,找出“虛擬水泵”高效區的范圍。當“虛擬水泵”的工況點不在高效區內運行時,控制系統可根據水泵調速的相似定理和等效率原理,通過設定參數自動調整變頻泵的運行工況點,使動態運行“虛擬水泵”的工況點處在高效區內,此時單位流量耗能最小。控制原理如圖1所示。
　　
　　圖1能耗最小的合理運行搭配和調速方式的控制原理示意圖
　　2.2泵站節能技術現狀
　　對泵站的參數(例如流量、壓力或液位)進行控制，一是為了滿足生產的工藝要求，二是可以盡量減少能量的浪費。目前人們經常使用的方法有:一是使用調速裝置調節水泵的轉速，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;二是閥門控制;四是調節水泵葉一片角度的調節方式;五是通過回流或瀉放的調節方式。
　　從多年的實踐中體會到，雖然各種方式都可以實現滿足工藝條件下的調節和控制，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(優化)的運行方法和方式。為了得到這個最佳的結果，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能改造的經濟性和實現性作出判別，這就是泵站量化節一能技術的本質所在。
　　關于泵站量化節能的研究，我國在這方面已率先取得了實質性進展，其主要標志是作為國家科技部重點科技成果推廣討一劃項目、國家發改委重大高技術產業化項目一泵站目標電耗節能技術及產品的研發成功。
　　3技術設計與實現
　　3.1泵站的工藝流程及控制流程
　　3.1.1泵站的工藝流程
　　哈爾濱制水有限責任公司供水三廠日供水能力65萬噸，是東北地區最大的水廠，擔負著全市80%以上的供水任務，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，經過混合、沉淀、過濾等工序處理后送至4個清水池，由只個送水泵站送往市區不同的管網，其中送水二泵站為引進外資設備建設的，在三個送水泵站中送水量最大，使用設備最先進，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(DCS),泵站高、低壓配電、水泵、電機、控制柜等全套設備為奧地利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臺為變頻調速水泵。
　　配水水泵在清水池水位有效水深1.8m以上時,為自灌式;1.8m以下需進行真空吊水。水泵開停臺數,根據清水池的水位、服務壓力和流量的參數自動優化組合,并把機泵的運行狀態通過PLC的I/O接口及時傳送給力控組態軟件實時數據庫,使值班人員隨時監控各機泵運行情況;排水泵根據集水坑水位、真空泵根據真空吊水要求自動確定開、停泵。在電氣回路中,高、低壓開關柜倒閘均為人工操作,電量和儀表數據記錄自動傳輸,值班人員可從顯示屏上及時看到每一臺虛擬水泵的單位流量電耗值和其他參數。
　　3.1.2泵站的控制流程
　　泵站內的機泵控制,可采用現場手動控制方式、半自動控制方式、全自動控制方式,運行機泵出現故障時,備用機泵自動開啟。
　　設定“虛擬水泵”的參數(流量、壓力),顯示屏上同時顯示“虛擬水泵”的理論Q-H特性曲線和管網特性曲線。根據每一臺“虛擬水泵”對應的理論單位流量電耗值,選擇“虛擬水泵”方案,并輸出所選的方案。在機泵起動前,系統自動檢測清水池水位狀態、泵停止狀態、泵非故障狀態、泵運行狀態、變頻器非故障狀態、閥門的位置狀態信號是否正常。若不正常,停止開泵;若信號正常,依次起動調速泵、定速泵,自動打開對應出水閥門。“虛擬水泵”運行正常后,可從顯示屏上監控“虛擬水泵”理論特性曲線與該“虛擬水泵”實際疊加后動態特性曲線的擬合情況,值班人員很快能知道“虛擬水泵”工況點是否運行在高效區。若“虛擬水泵”的實時單位流量電耗值超過理論單位流量電耗值,系統則發出聲、光報警信號,及時通知值班人員,用本地控制方式由值班人員手動控制調節,使“虛擬水泵”的工況點運行在高效區內。若以上有任一信號不正確,管網壓力和流量即使滿足要求,也不能開泵,同時發出報警信號。另外,每一臺機泵的運行實時電流超過本身正常的額定電流,且延時8s時,發出故障報警信號,并緊急停泵。水泵若未能按程序操作,則報警。每臺水泵電機發生故障,都可以自動關閉對應閥門,并發出故障報警信號,同時備用泵自行投入運行。PLC接到關泵指令,先關閉對應出水閥門,水泵再停止運轉。排水泵的控制邏輯和高、低壓配電的監控參數由PLC單獨控制。
　　
　　圖2程序監控流程圖
　　3.2軟件的設計與實現
　　根據泵組合理運行搭配及調速理論、控制流程,程序監控流程圖如圖2所示。
　　4實際應用
　　2003年9月，使用泵站目標電耗節能控制系統對原有水泵設備控制系統進行改造。泵站目標電耗節能控制系統山上位機、目標電耗控制拒、在線節能控制軟件、組態軟件等組成。
　　上位機和目標電耗控制柜通過MPI總線連接，目標電耗控制柜由PLC、繼電器、端子等組成，和原有的DCS柜通過電纜進行端子側連接。模擬量輸人如流量、壓力、液位、電流等為1-5V電壓信號，模擬量輸出如變頻器轉速控制信號為4-20mA電流信號，開關量輸出如開泵、關泵、開閥、關閥等，開關量輸人如泵運行狀態、閥全開狀態、閥全關狀態等，通過電纜并聯或直接取代等方式與目標電耗控制柜端子連接。
　　目標電耗控制系統有計算機手動和計算機自動兩種控制方式，用戶可根據情況選擇使用。
　　目標電耗控制系統能夠根據不同的泵站，通過實時監測流量、壓力、溫度等工藝參數，自動尋找并給出在滿足工藝要求條件下最優化的機組組合及調速策略，實時保證泵站系統始終處于最省電的運行狀態。
　　目標電耗控制系統通過在線節能軟件調控，對泵站系統起到調節、穩定作用，能夠對泵站系統(水泵、電機和調速設備等)的運行起到穩定和延長設備使用壽命的多重效果。
　　目標電耗控制系統能夠對泵站的一些重要參數進行在線保存，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。
　　對原有水泵設備控制系統進行改造前，首先使用“泵站目標電耗測算軟件”對送水二泵站系統進行分析和測算，發現在原有工況下年均還有7%左右的節電潛力，9月份使用泵站目標電耗節能控制系統對此水廠泵站進行節一能改造，未使用泵站目標電耗節一能控制系統前的6月份平均送水電單耗為136.56kWh/km3，總管壓力0.3-0.38Mpa，使用泵站目標電耗系統后的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，節電比例為5.21%，與去年同期比節電效果8.36%;使用泵站目標電耗系統后的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,節電比例為6.34%，與去年同期比節電效果工0.75%，實際效果與改造前的測算結果相符，節電效果顯著。
　　5結束語
　　實踐經驗表明，使用泵站目標電耗測算軟件對泵站系統進行分析，可以比較準確地知道泵站的節能潛力;使用泵站目標電耗系統，可得到接近于預測的節能效果。說明該技術先進，節能效果顯著，值得大力推廣應用。
　　參考文獻
　　[1]姚福來等.泵站節電潛力的量化計算.變頻器世界，2002(6).
　　[2]姚福來等.水泵變頻調速的節電量計算及系統設計.北京:科學出版社，1998.
　　[3]姚福來等.泵站節能改造的回收期計算.節能，2003(4).
　　[4]姚福來.確定大型調水工程的目標電耗的重要性.水利水電科技進展，2003(5).         論文發表網