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城市供水企業節能技術創新的 實踐與成效

一、企業概況
　  本溪市自來水有限責任公司始建于1912年，成立于1956年，是以自來水生產、供應、銷售為主營業務的國有中型企業。公司注冊資本5400萬元。總公司取水能力41萬噸/日，凈化能力40.5萬噸/日，污水處理能力22.5萬噸/日。
　  總公司現有水源地2座，凈水廠6座，污水處理廠1座，二次加壓泵站87座，供水管網總長度650多公里，承擔市區、牛心臺、臥龍、南芬、石橋子、北臺等地區居民和企事業單位的供水服務任務。
　  公司現有職工總數2277人，其中在崗職工1095人。截止2010年底，公司資產總額4.9億元,負債總額4.4億元。 2010年銷售收入完成10519萬元，污水處理費完成2250萬元，實際上繳稅金876.8萬元，凈利潤較國資委制定的2010年度經營目標，實現減虧282萬元。
　  二、選題背景及依據
　  （一）供水企業消耗電能大，節能降耗尤為重要。
　  公司緊緊圍繞生產和營收工作，深入學習實踐科學發展觀，以突出實踐為特色，依靠先進的技術和科學的管理，積極推進技術創新。大力推進管理，探索新的節能技術。供水企業所消耗的電能主要在電控設備及水泵機組的運行方面，通過采用變頻調速技術及無填料密封技術、環氧樹脂噴涂技術等新技術、新工藝的應用，對原有落后的生產工業、耗能設備進行更新改造，節約了大量能源。
　  （二）生產工藝落后、供水管網陳舊、機器設備耗能大、技術創新進步勢在必行。
　  企業緊緊圍繞攻克“產銷差率高，電耗高，成本高，收費難”的中心問題不斷投入大量資金改造供水管網和供水設備設施，并對全市二次加壓供水系統進行了全面接收。在普及城市供水服務的同時。確立了“提高生產力水平，節能降耗”的工作思路，大力推進技術創新，采用新技術、新工藝、新設備、新方法，對原有落后的生產工藝、耗能設備進行更新改造，節約了大量的能耗。
　  （三）推進節能降耗是實現企業可持續發展的必然，技術進步是節能降耗的主要手段。
　  本溪市自來水有限責任公司為傳統的供水企業，以地表水為主水源。整個供水區域高差大，山區地形復雜，耗能基本是加壓所用電耗。
　  本溪市作為國家的重點老工業基地，目前自來水供水管網長度650多公里，其中多數為30、50和60年代鋪設的管網，管網漏失比較嚴重。解決這些問題，不僅是節約城市水、電資源，響應國家的環境政策，履行我們的社會責任；而且對于提高城市供水服務水平，節能環保，保障供水水質安全等也具有重要意義。
　  三、實施步驟與措施
　  綜上，本溪市自來水有限責任公司以節能減排為重點，以采用節電新技術為手段，以變頻技術應用為核心，全面推進技術創新。
　  （一）變頻新技術應用于輸水泵站變頻調速改造工程
　  1.改造前技術狀況
　  本溪市水源為太子河上游牛心臺段地表水，經過老官水廠泵站加壓，通過2條DN1400mm鋼管送水至沿邊水廠沉砂池，初步凈化后經沿邊水廠泵站加壓至本溪市區的3個主要凈水廠，進一步進行凈化處理。處理后的水重力輸送到主干管網。工藝流程如下圖：
　  
　  本溪溪市自來水有限責任公司為傳統的供水企業，以地表水為主水源，整個供水區域高差大，山區地形復雜，耗能基本是加壓所用電耗。目前有一次、二次加壓水泵176臺，平均每年耗電量3223萬KWh。
　  老官水廠泵站目前有10.5 kv，400KW水泵機組6臺；沿邊水廠泵站電機電壓為6kv，560KW水泵機組2臺，630KW水泵機組 2臺， 450KW水泵機組2臺，355KW水泵機組6臺，分為3個系統進行加壓。
　  水泵機組運行參數表如下：
　  序
　  號 水泵站 電壓/
　  額定功率 電機
　  軸功率 額定
　  揚程 實際
　  電流 出口
　  揚程
　  1 老官水廠 10kV/400kW 310kW 32m 22A 13m
　  2 老官水廠 10kV/400kW 310kW 32m 22A 13m
　  3 沿邊水廠大峪供水系統 6kV/560kW 445kW 73m 57A 64m
　  4 沿邊水廠大峪供水系統 6kV/560kW 445kW 73m 57A 64m
　  5 沿邊水廠明山供水系統 6kV/630kW 542kW 83m 67A 80m
　  6 沿邊水廠明山供水系統 6kV/630kW 542kW 83m 67A 80m
　  7 沿邊水廠紫金供水系統 6kV/450kW 398kW 76m 40A 65m
　  8 沿邊水廠紫金供水系統 6kV/450kW 398kW 76m 40A 65m
　  老官水廠和沿邊水廠泵站均采用定速電機，每日用戶所需要的水量在不同時間段是不斷變化的，并且由于沉砂池及凈水廠清水池容積由于建設占地等原因可有效調節容量較小，就出現了供需矛盾。目前實際運行是通過調節閥門開度或者頻繁啟、停水泵來實現水量調節的。閥門開度減小時，管網阻力隨之加大，根據水泵流量特性曲線，能降低水泵輸出水量。啟、停水泵調節就是利用沉砂池和清水池的容積，當沉砂池和清水池液位過高，就停轉水泵，當池子液位過低，就啟動水泵。這種調節方式都是極大的能源浪費，并且頻繁啟動水泵對設備沖擊大，會使電網產生強烈的波動，嚴重影響了水泵機組的使用壽命。
　  2.對新技術的應用及效果測算
　  變頻調速技術系統如下所示：
　  
　  變頻調速技術以其優異的調速和制動性能、高效率、高功率因數、節能效果顯著和廣泛的適用范圍，而被國內外公認為最有發展前途的調速方式。在我國供水行業也得到廣泛的應用。
　  近幾年公司利用變頻技術改造電控設備及水泵機組80多臺套，2010年公司又對老官水廠泵站的400KW水泵機組進行變頻改造，并預計對沿邊水廠泵站的大峪供水系統、明山供水系統、紫金供水系統560kw、630kw、450kw水泵機組分別進行改造，節能效果顯著。
　  （1）老官水廠泵站10kv水泵節能估算：
　  實測水泵滿載運行時軸功率100%。轉數為50%時，軸功
　  率為12.5%。變頻器效率96%；電機實測軸功率為310kW。水泵設備軸功率為（310÷400）×100% = 0.77，考慮到并聯水泵的部分損耗水泵電機效率為0.7。
　  1）改造前電機工頻年耗電量：
　  310×8600×0.7 = 1866200kWh
　  2）改造后2套電機采用變頻器年耗電量：
　  310×8600×2×0.125×0.7×0.96 = 447888kWh。
　  3）設備改造后年節電量：
　  1866200-447888=1418312（KWh）
　  4)年節電費用：1418312×0.52=737522.24元
　  （2）沿邊水廠大峪供水系統6kV水泵節能估算
　  依據離心式或軸流式泵類設備的出口壓力與流量的二次方、軸功率與流量的三次方軸功率近似成正比的相似定理，可用下式測算節電率：
　  Δrhm≈[1－（Pc/Pn）3/2]×100%－r% （1-1）
　  Pc ——泵類設備的平均出口平均揚程（m）；
　  Pn ——泵類設備的額定出口額定揚程（m）
　  r ——變頻器自身損耗一般為4%
　  功率公式：
　  P= ×U（電壓）×I（電流）×cosφ（功率因數） （2-2）
　  通過運行參數表知道電機軸功率445kW，額定功率為560kW,出口揚程64m,額定揚程73m。實際運行電流為57A。年運行時間8600小時。通過軸功率可算出電機效率為（445÷560）×100% = 0.79，考慮到并聯水泵的部分損耗水泵電機效率為0.72。
　  1）根據公式（1-1）可知節電率為：
　  Δrhm≈[1－（64/73）3/2]×100%－4% = 14%
　  2）則實際工頻運行時功率為：
　  P=1.732×6×57×0.72=426.4（KW）
　  3）2臺變頻工作年可節電量為：
　  2×426.4×8600×14%=1026771KWh
　  4）每年可節約電費為1026771×0.52=533921.02元
　  （3）沿邊水廠明山供水系統6kV水泵節能估算：
　  明山泵站的節能計算方法與大峪泵站相同，所以下面直接對數據進行計算。
　  通過運行參數表知道電機軸功率542kW，額定功率為630kW,出口揚程80m,額定揚程83m。實際運行電流為67A。年運行時間8600小時。通過軸功率可算出電機效率為（542÷630）×100% = 0.86，考慮到并聯水泵的部分損耗水泵電機效率為0.79。
　  1）根據公式（2-2）可計算出變頻后節電率：
　  Δrhm≈[1－（80/83）3/2]×100%－4% = 5%
　  2）則工頻運行時實際功率為：
　  P=1.732×6×67×0.79=550kW
　  3) 2臺變頻工作年可節電量為：
　  2×550×8600×5%=473000KWh
　  4) 每年可節約電費為473000×0.52=245960元
　  （4）沿邊水廠紫金供水系統6kV水泵節能估算：
　  通過運行參數表知道電機軸功率398kW，額定功率為450kW,出口揚程65m,額定揚程76m。實際運行電流為40A。年運行時間8600小時。通過軸功率可算出電機效率為（398÷450）×100% = 0.88，考慮到并聯水泵的部分損耗水泵電機效率為0.81。
　  1）根據公式（2-2）可計算出變頻后節電率：
　  Δrhm≈[1－（65/76）3/2]×100%－4% = 16%
　  2) 則工頻運行時實際功率為：
　  P=1.732×6×40×0.81=336.7kW
　  3) 2臺變頻工作年可節電量為：
　  2×336.7×8600×16%=926598.4KWh
　  4) 每年可節約電費為926598.4×0.52=481831.17元
　  綜上所述，系統改造后，變頻運行代替原有工頻運行。通過變頻調速電動機軟啟動、軟制動功能，進行無極調速，通過改變電機轉速，來調節水泵水量，同時能節約大量能源，年可節電量共3844681.4KWh，年可節約電費：1999234.33元。
　  （二）采用新設備對市區供水管網的改造
　  溪湖處所屬柳塘地區由河西路DN400管供水，所帶區域為太平、礦建、礦里、青石溝、小河溝、平改平等，由于舊房屋 拆遷，現共有用戶1200戶。由一條DN300管經大堡泵站加壓送水至用戶，為時間水地區，由于用戶位置較高，大堡泵站加壓到柳塘泵站，再次加壓后送至高區。2008年下半年，柳塘大部分地區拆遷改造，如繼續用原方式供水，勢必造成新開發區域均由我公司進行加壓，造成大量能源浪費，加重能耗負擔。且大堡泵站、柳塘泵站設備均為老舊設備，未動遷區域管網漏失大，如果由我公司為新開發住宅加壓，必須由時間水改為長流水，漏水總量也進一步增加。
　  根據上述原因，我公司對柳塘地區進行改造，具體如下：
　  1.設備改造。取消了大堡泵站、柳塘泵站，重力供水至柳塘百貨附近城鄉開發新建1#泵房，實測管路余壓為12米，在青石溝及太平溝口分別設置地下泵箱，為青石溝及太平低區加壓供水。在城鄉開發新建泵房內設置2套水泵，為礦建、小河溝供水，礦里、平改平、太平高區由城鄉開發新建2#泵站供水。
　  2.管路改造。利用原有柳塘路上DN300管為該地區供水，如日后水量不夠，可考慮將河西路上DN300管繼續延伸至城鄉開發新建1#泵房。在新建1#泵站前將去往柳塘的DN300管切斷，分別與水泵進、出水管路連接，廢除至柳塘泵站的分支管路，直接與礦建供水管路連接；小河溝分支管延伸至1#泵站門前，與加壓管路連接；太平高區、礦里、平改平原有管路與城鄉開發2#泵站出水管路連接，廢除柳塘泵站部分出水管路；大堡泵站內進出水管進行連接，超越水泵，減少水損失。
　  對溪湖處柳塘地區的改造，全年可節省電費14667元/月*12月=176000（元）
　  （三）采用新方法，進行供水系統優化重組，實現取水、凈化、配水全過程和管網壓力的在線監測。
　  1.對沿邊水廠的輸水管路改造
　  老官水廠送水至沿邊泵站，一部分水直接進入泵站加壓至各凈水廠，一部分進入6000立方米沉砂池。若DN1400輸水管為非滿流狀態，充滿水，充分利用管內的容積，可在用電峰段減少老官水泵運行臺時，節約電量。經過查找DN1400輸水管竣工圖紙，超過沿邊水廠沉砂池進水管管底標高的DN1400管路長度為3689（米）*2=7378米，可用容積為7378（米）*3.14*1.481.4/4=11352立方米。現有沉砂池容積為6000立方米，多出5352立方米的調蓄水量，因此，老官水廠可在高峰時段減少運行6#水泵1.5小時，每天有2個高峰段，共可減少運轉水泵3小時，減少臺時可改在平時段運轉，每月可節約電費差價4173元。
　  年節約電費：90小時*12月*175KW*0.265元/千瓦時=5萬元
　  2.紫金、大峪水廠源水系統調整運行方式
　  目前大峪水廠及紫金水廠配水量較低，經過對兩個水廠用電峰段8月21日-25日（7:30-11:00、17:00-22:00）實際出廠水量的測算，數據表明，大峪水廠目前清水池容積為18000立方米，在用電峰段最大出廠水量為9965立方米，紫金水廠清水池容積為9000立方米，峰段最大出廠水量為6090立方米，兩個水廠的清水池容積完全可滿足出廠水量要求，因此決定在7：30-11:30,17:00-22:00期間停轉大峪3#泵站一臺355KW水泵早晚各4個小時，避開峰時，將明山和紫金的輸水管路用DN200管連接，明山轉一臺小泵保持管路壓力，把一部分源水加壓到紫金，讓管路始終保持滿管使壓力均衡，達到避峰用平的節電效果。
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