呂云

　　提要　供水企業節能的主要方法包括變壓器節能、高壓電機節能、無功功率補償節能、水泵改型或調速節能和供水經濟運行節能等，就此對各種方法的節能效果進行分析，通過對機電設備進行更新，科學選型設計或調整運行工況達到節能效果，并指出了各種節能方法的適用場合。
　　關鍵詞　供水企業　節能　方法　效果分析


　　供水企業是通過水泵輸送自來水，完成電能→機械能→勢能的能量轉換過程，是城市的用電大戶，筆者對某水司進行調查了解，發現近三年電費占整個制水成本分別為24.5%、17.7%和21.4%，平均每年電費支出高達4060萬元，同時供水企業又有著巨大的節能潛力，以該公司為例，能耗每下降一個百分點，就可節約成本40余萬元。筆者根據多年的電氣技術管理和節能工作經驗，對供水企業主要的節能技術和方法歸納總納，并進行節能效果分析，以對供水企業節能工作和經濟運行管理進行探討。

　　1　變壓器節能

　　變壓器節能是指隨著變壓器設計技術和制造工藝的提高，不斷生產出更低損耗的變壓器，通過設備更新達到節能的效果，具體反映在變壓器空耗損耗、負載損耗的降低，即效率的提高。
　　變壓器效率η為輸出的有功功率與輸入有功功率之比的百分數，即：
　　　　　　η=βS_2Ncosψ₂／βS_2Ncosψ₂+P₀+β²P_f×100%　　　　　　(1)
　　式中　S_2N——二次側額定容量；
　　　　　cosψ₂——二次側功率因數，一般取0.8；
　　　　　β——負載系數，β=I₂/I_2N；
　　　　　P₀——空載損耗；
　　　　　P_f——負載損耗。
　　由公式(1)可知，變壓器負載運行時，空載損耗與β無關，為一恒定值，負載損耗與β²成正比，，當β=√P₀/P_f時，η值最大，也即為最經濟運行點。以某水廠常用的800kVA容量的三種變壓器為例，進行節能效果比較，畫出3種變壓器的η～β曲線，見圖1。變壓器降耗為新變更新舊變時同親負載時降低損耗的百分數，即：
　　　　　△η=[(βS_2Ncosψ₂/η2-βS_2Ncosψ₂/η1)／(βS_2Ncosψ₂/η2)]×100%
　　　　　　　=(1-η2/η1)×100%　　　　　　　　　　　　　　(2)
　　式中　η1——新變效率；
　　　　　η2——舊變效率。
　　　　　　　　　　　　　

　　若以新變S₉型更新舊變S₇、SL₇型，取年平均負荷率β=0.5，則根據公式(1)、(2)計算，各變壓器效率和降耗率見表1。

表1　變壓器效率和降耗率 型號 η/% △η/% S₉-800/10
S₇-800/10
SL₇-800/10 99.098
99.092
99.892
0.006
0.208

　　根據圖1、表1可以看出，S₇、S₉型變壓器和SL₇型變壓器相比有較好的節能效果，且負荷率越大，降耗率越大；而S₉與S₇型變壓器之間，損耗相差不大，甚至β>0.6時S₉型比S₇型損耗略大，經以上分析可知，變壓器節能是通過采用更低損耗的變壓器來實現的。

　　2　高壓電機節能

　　目前國內城市配電網多為10kV級和6kV級，在城市大中型水廠的設計選型或技術改造中，由于在技術經濟分析中展現了很大的優越性，大中型高壓電機得到廣泛、迅速的應用，其優點如下：
　　①減少配備10kV、6kV變0.4kV級變壓器及其低配系統投資（因配用低壓電機）。
　　②減少因低壓電機容量小而需配更多數量的機泵。
　　③減少因①、②條中變壓器、低配、更多的機泵必須配套的土地占用和建筑物占用及相應投資。
　　④減少供電環節，提高電氣安全可靠性，減少維修工作量。
　　在節能方面還有如下效果：
　　①避免了變壓器損耗（例：β=0.5時，S₇-800/10損耗達1%）。
　　②減少因配用低壓電機引起的線路損耗增多。
　　③大中型高壓電機效率高，低容量的與同樣容量的低壓電機效率相當，大中容量效率更高，特別是效率越大，效率越高，突破了低壓電機容量和效率的雙重極限。例如，選用高壓電機Y6303-61400kW電機，效率為96.5%，而要達到相同容量需配備5臺JS₂-400M₃-6280kW低壓電機，單臺效率只有93.4%，效率相差高達3.1%。
　　④減少因多臺低壓電機并聯運行時引起的效率下降。

　　3　無功功率補償節能

　　電流通過線路或變壓路時要產生線路電阻損耗或變壓器負載損耗，其有功功率損失：
　　　　　　　　　△P=3·P²R/U²cos²ψ　　　　　　　(3)
　　式中　P——有功功率，kW；
　　　　　U——額定電壓，kV；
　　　　　R——線路或變壓器總電阻，Ω；
　　　　　cosψ——功率因數。
　　從公式(3)中可知，在負載有功功率一定時△P與cos²ψ成反比，如果功率因數從cosψ₁上升到cosψ₂，則有功功率損失下降百分率：
　　　　　　　　(△P%)=[(3·P²R/U²cos²ψ₁-3·P²R/U²cos²ψ₂)／3·P²R/U²cos²ψ₁]×100%
　　　　　　　　　　　=(1-cos²ψ₁/cos²ψ₂)×100%　　　　　　　　(4)
　　如果功率因數從0.8補償到0.9，根據公式(4)計算得(△P%)=21%，即線路或變壓器損耗下降21%，從以上分析可知，無功功率補償是通過提高功率因數，降低運行電流從而降低線路或變壓器中損耗，達到節能效果。

　　4　水泵節能

　　供水企業負載主要是機泵，運行效率更低的是水泵，水泵節能是水廠主要節能途徑，具體表現在兩個方面。
　　4.1　水泵改型更新節能
　　近年來，城市發展和管網改造很快，管路阻力特性曲線不斷下移，供水量不斷增加，而水廠水泵不能同步改造，使很多水廠水泵工作揚程下降，并遠離高效區，大大降低水泵效率，造成大量電能浪費。通過對水泵進行改型更新，使水泵運行在高效區，可以大幅提高水泵效率，進而達到節能目的。
　　水泵有效功率N=HQ/102(kW)　　　　　　　(5)
　　水泵軸功率P_軸＝HQ/102η_泵(kW)　　　　　(6)
　　式中　H——水泵揚程，m；
　　　　　Q——水泵流量，L/s；
　　　　　η_泵——水泵效率，%。　
　　　　　　　　　　　　

　　下面以某水廠某泵為例，計算分析節能效果，圖2為原有Ⅰ型泵和新改型Ⅱ型泵的Q₁～H₁、Q₁～η₁曲線和Q₂～H₂、Q₂～η₂曲線，原有Ⅰ型泵額定揚程55m，高效區揚程59m～47.5m，實際運行揚程平均為42m，已遠離高效區。此時從圖2可得，流量Q₁=360L/s，效率η₁=72%　代入公式(5)、(6)計算可得有效功率N₁=148.2kW，軸功率P₁=205.9kW；如改用新泵Ⅱ型泵，同樣流量即Q₂=Q₁=360L/s時，從圖2可得，揚程H₂=41m，效率η₂=82%，代入公式(5)、(6)計算得，有效功率N₂=144.7kW，軸功率P₂=176.5kW，若以線性關系近似折算水泵有效功率相同時，Ⅱ型泵比Ⅰ型泵節能（軸功率）：　
　　　　　　△P_軸＝P₁-N₁/N₂·P₂=25.1(kW)　
　　節能效果：
　　　　　　(△P_軸%)＝△P_軸/P₁×100%＝12.2%　　
　　也就是說，如果Ⅰ型泵改型更新為Ⅱ型泵，可以使水泵實際工況在高效區運行，同時可降低能耗12.2%。
　　從以上分析可以知道，水泵改型更新節能實質上是通過提高水泵工況點效率來實現的。實際運行工況離高效區越遠，水泵改型后節能效果越大。
　　4.2　水泵調速節能
　　水廠機泵的選型，一般是按城市日最高、時最高的需水量來確定的，因此在大部分的時間內機泵處于低負荷運行，需要降低轉速改變運行工況，當水泵轉速n改變，水泵的性能參數都發生改變，其公式如下：
　　　　　　　　Q‘/Q=n‘/n　　　　　　　　(7)
　　　　　　　　H‘/H=(n‘/n)²　　　　　　　(8)
　　　　　　　　P‘/P=(n‘/n)³　　　　　　　(9)
　　式中Q(Q‘)、H(H‘)、P(P‘)分別表示水泵轉速n(n‘) 時的流量、揚程和功率。
　　以Q～H(n)曲線（見圖3），來畫一組各轉速下的Q～H曲線和一組等效線，任取A點(Q,H)，當轉速n下降到n‘時，按公式(7)、(8)計算，可求得A‘(Q‘,H‘)點。同樣在Q～H(n)曲線上依次取B、C、D各點，當n下降到n‘時，可求出相應的B‘、C‘、D‘各點，把A‘、B‘、C‘、D‘這些點連接起來就得到Q‘～H‘(n‘)曲線。因此，隨轉速下降可得一組下移的Q～H曲線，把這組曲線上對應的A、A‘、B、B‘、…分別連起來，就可得到一組等效線AA‘、BB‘、CC‘、DD‘、…。

　　水廠水泵調速一般以恒壓進行調速，下面以某水泵為例（見圖3），來分析調速節能效果，圖3中，A點為設計工況點，此時轉速為額定轉速，流量Q_A=550L/s，揚程H_A=35m，效率η_a=88%，代入公式(6)計算得，軸功率P_A=214kW。如果水量減少到80%，此時水泵工況點移到E點，即Q_E=440L/s，從圖3得，揚程H_E=39m，效率η_e=82%，代入公式(6)計算得，軸功率P_E=205kW。
　　若采用恒壓調速，流量為440L/s時，保持揚程不變，此時工況點移到F點（F-A水平線為恒壓線）。流量Q_F=Q_E=440L/s，揚程H_F=H_A=35m，經過F點的等效線與Q～H交于G點，對應的效率ηg=84%，代入公式(6)計算得，軸功率P_F=179kW，節能△P_軸=P_E-P_F=26kW，節能效果：
　　　　　　(△P_軸%)＝△P_軸/P_E×100%＝12.6%　　
　　同樣道理，可以計算得各流量值時的節能效果，見表2。
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　

表2　節　能　效　果 流量 80%Ｑ_A 70%Ｑ_A 60%Ｑ_A 50%Ｑ_A 40%Ｑ_A 30%Ｑ_A 節能效果／% 12.6 18.9 23.2 28.4 31 35.2

　　由以上計算分析可以知道，恒壓調速是由兩個因素實現節能的，第一是提高水泵效率（以80% 流量調整為例，η_g>η_e），第二是減少了用閥門節流引起的壓力損失(H_E-H_F)。由此可見，恒壓調速具有雙重節能效果。從表2還可得出結論：對某臺水泵而言，流量越小，則恒壓調速節能效果越大。

　　5　供水經濟運行節能

　　要根據城市供水管網平差，確定管網若干基本測壓點及壓力標準值，確保這些測測壓點的壓力值不小于標準值就能滿足城市供水需求，在此基礎上制定并優化城市各制水廠出廠水壓力控制值范圍與城市需水量成對應關系，使各水廠以基本測壓點標準值為控制目標進行調度運行，既保證城市供水，又減少多余的壓力浪費，使全水司1000m³水耗降至最低，從而實現供水經濟運行。這種節能方式效果可以從單臺泵的單位電耗～揚程曲線來分析，以圖3中泵的Q～H曲線為例，根據水泵的流量Q，可由圖3查出對應的揚程H和效率η，代入公式(6)求得軸功率P_軸，再求出單位電耗F=P_軸/[Q]（這里單位電耗只包括出水泵房水泵電耗有關。單位電耗計算中的“[Q]”的單位是1 000m³/h），如表3中每降低單位揚程單位電耗下降百分數：
　　　　　　△F_i+1=[F_i-F_i+1/H_i-H_i+1／F_i]×100%
　　式中　F_i——對應揚程H_i的單位電耗。

表3　水泵性能數據 Q/L/s 0 100 200 300 400 500 550 600 650 H/m 49.5 48.5 46.5 44.0 41.0 37.0 35.0 33.0 31.0 η 0 0.26 0.47 0.62 0.77 0.87 0.88 0.86
0.82 P_軸/kW ∞ 182.9 194.0 208.7 208.8 208.8 214.5 225.7 240.9 F(kW/1000m³) 508.0 269.3 193.3 145.0 115.8 108.3 104.5 103.0 △F(%) ∞ 23.4 11.3 8.3 5.0 3.3 1.8 0.7

　　將表中數據畫成F～H、△F～H曲線，從圖4可以發現，單位電耗隨著揚程下降而下降，也就是說，如果降低水泵運行揚程，1000m³水單位電耗也隨之下降，從表3中可知，在額定揚程(H=35m)處，揚程下降1m，可降低單位電耗3.3%，揚程越高時節能效果越大。這也可從調速節能中得到驗證，圖3中如果流量Q=440L/s時，恒壓調速H_F=35m改為H_H=30m，可以減少壓力損失H_F-H_H=5m和水泵效率η_g=0.84提高到η_i=0.86，達到進一步節能的效果。

　　同樣，如果降低水廠或全公司出廠水運行揚程（或壓力），就能降低整個水廠或全公司的1000m³水單位電耗，達到全面節能的效果。

　　6　結束語

　　供水企業節能（主要是節電）是一個綜合性課題，也需要綜合的手段來開展節能工作，變壓器節能，高壓電機節能和無功補償節能可以結合供水發展規劃或企業設備技改計劃在進行水廠設計或設備技改時予以考慮，對節能效果明顯的也可單獨考慮，同時，還可以通過設備經濟運行節能，特別是變壓器節能中經濟運行往往比更新節能效果更好；水泵改型更新節能潛力巨大，節能效果好，投資回收快，可針對運行工況偏離高效區的水泵進行測算實施更新；水泵調速節能效果非常好，但一次投資較大，要針對水量變化大或供水量明顯偏小的水泵，進行技術經濟分析后確定實施；供水經濟運行節能則是通過管理節能，效果是全局性的，但前提是進行管網平差和課題研究。

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作者通訊處：310016杭州自來水總公司
電話：(0571)6045101-6121
收稿日期：1998-8-28
（摘自《給水排水》1999.3城市給排水）