净水厂生产耗电分析

摘要：水厂生产的电能消耗占整个供水成本的35%--40%以上，抓好节约用电对于水厂管理具有很重要的作用。要达到节约用电的目的，必须了解电能消耗的情况，以便有针对性地采取管理措施，这就需要进行生产耗电分析。

关键词：净水厂 生产耗电 供水成本

一、电耗的组成

在自来水生产过程中，电耗可以分为有功电耗和无功电耗。有功电耗是将源水转化为满足服务需求的自来水所需的能量；无功电耗是转化过程中内部消耗的能量。有功电耗相对一定量、一定要求的自来水为恒量；无功电耗为一个变量，它是随着生产系统状况的变化而变化的，自来水生产降低耗电就是降低这一变量。

1、有功电耗的计算。

根据能量守恒定律，自来水生产过程消耗的有功电耗：

W=γ·Q·H净·T/102(kW.h)

式中：γ---水的容重（kg/L)

Q---单位时间产量（m3/s).

H净--满足服务需求的供水水位标高与源水水位标高差（m)。

T----产水时间（h）。

在生产过程，由于受到设备、管道及构筑物内耗等的影响，整个自来水生产系统的工作效率不可能达到100%，实际生产耗电量与有功耗电量的差，即为无功耗电量。

2、无功电耗的组成及产生原因的分析。

无功电耗是生产系统克服各种内部损失而消耗的电能，无功电耗的存在是不可避免的。无功电耗值的大小随着系统的工况变化而变化，工况越好，它的值越低，即系统的工作效率越高；工况差则反之。无功电耗一般包括：水泵、电动机及配电设备的内耗、管道、构筑物克服水头损失的消耗等。

1）制水过程的管道内耗

制水过程的管道内耗包括：源水输水管道及处理构筑物间联通管道的内耗，即水头损失，其中处理构筑物间联通管道较短，水头损失较小，在实际生产过程不经常进行检测或分析，仅在净水厂设计或技改设计时需进行计算和分析。源水输水管道水头损失 的变化必须在生产过程重点监测，严格控制。

水泵输水总扬程H=H净+∑h=H出-H进+ ( V22-V12)/ 2g+Z

在实际中由于（( V22-V12)/ 2g +Z）数值较小，源水输水管道的水头损失可以忽略水泵进、出口流速水头的影响，直接按水泵进、出口压力差计算，即：∑h=H出-H进-H净

式中：∑h--输水管道总水头损失（m）。

H出-----水泵出口压力（m水柱）。

H进-----水泵进口压力（m水柱）。

H净------水泵的静扬程（m）。

V1------水泵进口流速。

V2------水原出口流速。

Z------水泵进、出口压力表位置标高差。

水泵扬程示意图

∑h的值越低，表明管道工况越好，在实际生产运行过程中，必须以设计值或历史最小值作为控制标准值，尽量将∑h值控制在标准值附近。引起∑h值增大的原因主要是：管内壁粗糙度增加、吸水口堵塞阀门开启度不足阴力增大等。必须逐一进行检查并处理。源水输水管道内壁粗糙度增加主要是吸附着较多的生物所致，可用在吸水口投加漂精毒杀生物的方法去除。具体方法为：在吸水口投加漂精溶液，投加后将管内水的余氯值控制在1.5--2.0mg/L，历时不少于24小时，毒杀生物及清理吸水格栅，一般在清水期进行。生产运行过程中，必须定期对∑h值的变化情况进行分析，而进行这一分析的前提是水泵进、出口压力数据的真实性，这就要求监测仪表的设置必须规划，仪表质量过关，人员工作质量高。

2）配水过程的管内耗。

配水过程的管内耗由于配水管网较复杂，测定及计算很困难，因此，生产过程一般不进行分析，只需定期进行管网平差，作为新铺管线或管网改造的参考数据。

3）水处理构筑物的内耗。

水处理构筑物在生产过程中会产生一定的内耗，即混合、絮凝、沉淀、过滤等所必须的水头，这些水头的大小较稳定，生产过程也不需经济进行统计与分析，仅在设计与技改时需进行计算与校核。

4）水泵、电支机设备的工作内耗。

水泵、电动机设备工作所消耗的电能占制水过程消耗的电能的绝大部分，因此，在设备的选型时即应考虑选择效率较高的设备。其中水泵的型号较多，但在适用的前提下，应尽可能选用效率较高的系统。电动机一般应选用Y系列的电动机，它具有效率高，起动力矩大、噪音低、防护性能好等特点。它的平均效率达88.263%，属于当前国际上最高效率水平。平均起动转矩高，可避免以往在采用其它系列产品时，由于起动转矩不能满足要求而需要选高——挡容量的电动机来解决起动能力不足的问题，从而减少因起动转矩较低而造成过量能耗损失。选择电动机时考虑到发热，电网电压波动，很难和水泵工作要求完全一致，所选电动机容量宜比水泵要求的大些，以电动机80%满载为最佳。如果因为某种原因，电动机容量过大，负载太低，不仅会因为电动机效率低而增加电动机的能量损耗，而且会因为电动机的功率因数COSФ降低而增加输电线路和变压器的损耗。

在生产运行过程中，随着运行时间的延长，水泵、电动机的工况会逐步变差，效率逐步降低，因此，适时进行维护，恢复设备的工况对节能具有相当重要的意义。而要适时进行维护，必须充分了解设备的运行工况，这就必须经常对设备的运行情况进行监测和分析。

这种监测和分析如能利用监测仪器直接进行测试，直观地得出设备的运行参数为最好，但由于监测仪器的配置问题，实际生产过程 中仅能定期进行，在日常的维护管理中，为了使工作更有目的性和方向性，可利用下述比较法判别设备运行工况的好坏。

首先，根据设备的设计效率数据计算出设备在设计工况下，将1km3水提高1MPa压力时的配水单位耗电NA。

N=W／ η传.η电.η泵.H.Q（kW.h/km3.MPa)

=(1000m3γ×100mγ）/η泵.η电.η传（kg.m/km3.MPa)

=108／（102×3600.η传.η电.η泵） (kW.h/km3.MPa)

=272.33/η泵.η电. η传(kW.h/km3.MPa)

=N#/ η泵.η电. η传 (kW.h/km3.MPa)

其中：N----设备设计配水单位耗电（kW.h/km3.MPa)

W----每km3水提高1MPa压力时的耗电量（kW.h）。

η泵---水泵设计工作效率

η电---电动机设计工作效率。

η传---电动机、水泵机组的传动效率。

H------单位扬程，H=1MPa

Q-----单位水量，1Km3。

N#----有功配水单位耗电(kW.h/km3.MPa)

再计算出实际生产运行的机组配水单位耗电N。

其中：N＇= W＇／(Q＇·H＇)

式中：N＇----机组实际配水单位耗电（kW.h/km3.MPa)。

Q＇-----机组抽水量（km3）

H＇-----机组输水总扬程（MPa）

W＇ ----机组总耗电量（kW.h）〃

然后将N与N＇进行比较、分析。

a、当N=N＇时，证明机组工况达到设计工况要求，工作效率最高，机组的设备内耗值处于正常范围。

b、当N

此时，可对千万设备内耗值增大的因素进行分析。这些因素主要为：水泵机械磨损，水泵偏离设计高效段工作，电动机机械磨损超出控制值，电动机工作电压小于额定值，电动机负荷系数（即电动机实际负荷与额定负荷之比）降低，电动机功率因数（COSФ）降低。其中：

a、水泵机械磨损。

包括：传动机构轴承、轴封的磨擦损蚀，叶轮圆盘在泵悫内运行时和流体的磨擦损蚀及叶轮和减漏环间隙磨损蚀。加强水泵机组的维修，校正机组的水平，及时换下弯曲的泵轴，损坏的轴承，磨损较大的减漏环，保持良好 状态就能减少机械磨损。维修时，在观察的基础上，必须昼使用各种检测工具，检测各部件的磨损情况，作好记录，严格按照质量标准要求更换部件。

b、水泵偏离设计高效段工作。

该状况的出现主要是由于水泵的输水量、工作扬程受到河床水位、管网配水量变化的影响。由于源水取水泵房水泵在设计时是按满足最不利条件下的最大供水量而进行选型的，即取水泵房水泵的设计扬程须满足在保证率为1%的最枯水位情况下，水泵总输水量达到净水厂最高供水量乘以1.1的自用水系数；由于水泵的设计高效段范围一般不是很大，因此，在河床水位变幅较大的河段，河床水位升高到一定的时候，有些甚至在年平均水位以下时，水泵已编离高效段工作，水泵效率下降，设备内耗值增加。

据笔者对--供水能力为5万m3/日水厂进行的调查，该水厂一级水泵设计扬程按最不利情况进行选取的，即历史最杜河床水位1.9m，设计扬程H=33m选取的。设计水量是按最不利情况下，水泵机组能采用二用一备的方式运行而定。设备配置如下表：

设备编号及名称

型 号

规 格

B101、103水泵

16S-9D

Q=900-1260m3/h,

H=37-32m,η=81-84%

叶轮直径D=510mm

B101、B103电动机

JS126-6

380V，N=155KW

B102水泵

12Sh-13

Q=619-900m3/h,

H=36.4--29.5m

η=80-83.5m

叶轮直径D=352 mm

B102电动机

Y280M1-4

380V,N=90KW,η=92.7%

当河床水位高于3m时，B101、B103水泵扬程低于32m处于高效段外工作；当河床水位高于5m时，B102水泵扬程低于29.5m也处于高效段外工作。由下表知：河床水位低于3m的月份出现频率为8.14%，河率水位低于5m的月份出现频率为班38.4%.所以一级水泵在全年的大部分时间为处于高效段外工作，因而能耗较高。

93年----2000年2月水位及供水量情况调查表 总月数

河床水位低于3m

河床水位3m--5m

年平均水位

出现月数

出现频率（%）

平均日供水量（m3/h)

最大时供水量（m3/h)

出现月数

出现频率（%）

86

7

8.14

1707

2100

35

38.4

7.75

笔者认为，在河床水位变幅较大和全年供水量变化较大的地区，净水厂设计应考虑昼拓宽水泵高效工作段。如果为多水源供水管网的其中一个供水厂或单水源供水管网的净水厂，清水池调节容积较大，能够补充短时供水量增水的量时，取不利情况下一级泵房可以不考虑设置备用泵。这样虽然表面看起来安全性较差，但实际上多水源供水管网各水厂可以互相调节补充，清水池调节水量也能补充，而且出现最枯水位的季节一般也是年供水低谷期，供水量较小，达不到设计值，而且出现最枯水位的季节一般也是年供水低谷期，供水量较小，达不到设计值，只要管理上能做到严格、科学，供水安全性将能得到确保。如能按一设计思路进行水泵的选型，将一级水泵设计扬程点放在水泵高效段的右端，充分利用水泵的高效段，将能提高水泵年工作效率。那么在河床最枯水位时，水泵以设计扬程工作，取水泵房主力泵全部开启也不能满足设计水量要求，需开启备用泵并联输水，（并联工荼水泵台数应不大于3台），此时水泵处于高效段工作，在年供水高峰期，源水水位升高，水泵工作扬程降，取水泵房在有备用水泵的情况下，仅造主办泵工作也能满足设计输水量要求，此时，水泵仍处于高效段工作。水泵偏离高效段工作的情况仅在河床超高水位时出现，此情况下仍可通过调速，更换叶轮（叶轮切削），闸阀节流等，调节水泵工况点处于高效段内。这样水泵的年工作效率将能得到提高，水泵的年无功耗能下降。

上述净水厂按这一思路对取水泵房设备进行了重新配置，如下表所示：

设备编号及名称

型 号

规 格

B101、B103水泵

350S26

Q=972-1440m3/h,H=32-22m,

η=82-85%,n=1450r/min

B101、B103电动机

Y315M1-4

380V,N=132KW,η=93%,n=1480r/min

B102水泵

12Sh-13A

Q=580-843m3/h,H=32-25.9m,

η=80-83.5%,n=1450r/min

叶轮直径D=333.6mm

B102电动机

Y280S-4

380V,N=75kW,η=92.7%,n=1480r/min

当河床水位处于历史最枯水位，以设计水量满负荷运行时，取水泵房必须同时投入全部三台机组运行，没有备用。但由于河床年平均水位在7.75m左右。因此，水泵在全年绝大部分的时间牌高效段工作，效率较高，能耗低，另外设备总功率较原配备的设备功率低，一次性投资较低。

二级泵房水泵是按最高日最高时城市用水量计算，由于供水日变化系数较大，在年供水低谷时，水泵也会出现偏离高效段工作。对于这些情况可考虑通过调速，更换轩轮（叶轮切削调节）及闸阀节流调节等改变水泵工况点，相对地扩宽高效段，降低水泵的无功消耗。

c、电动机机械磨损。

包括：轴承、风叶及电刷等的磨擦损耗，运行时必须严格维护管理，定期进行磨损情况的检测。

d、电网电压的影响。

电动机的工作电压不稳定，当电压低于额定电压时，工作电流将比正常值大，此时，电流流过绕组及各配电设备、线路的电阴产生的热损失当增大。

e、电动机负荷系数及功率因数COSФ的降低，不仅会增加电动机输电线路、变压器的电线路、变压器的电能耗，而且会增加发电、输电系统的附加损耗，从而增这方面的投资，相对于净水厂，将会由于受到电力部门的惩罚性收入费而增加成本及增加输配电过程的线损及变损。当电动机负荷接近额定值时，COSФ值达最大值。在生产运行时，必须对设备运行电流、电压及时、准确地进行记录、分析，以判断水原抽水量的变化，找出变化的原因，并及时采取正确的措施，避免“大马拉小车”，或“小马拉大车”而造成的能耗浪费或设备不安全运行现象的产生。由于设备效率的测定 般为定期进行，因此，生产过程的电耗情况分析是系统工作状态检测的必要手段。

二、生产过程电耗情况的分析

自来水生产过程的降低电耗就是降低过程中所无功电耗，确切地说，就是降低或消灭造成生成系统工作效率低于设计效率的那些无功电耗。这就必须找出这些无功电耗的种类和产生原因。根据笔者多年的净水厂管理经验，寻找分析可按以下方法进行，首先是按下表要求，通过数据判断工况情况。

生产耗电情况分析表 编号

项 目

目标值

完成值

差异率（%）

1

一级总水头损失（m)

2

一级设备配水单位耗电（kW.h/km3.MPa)

3

二级设备配水单位耗电（kW.h/km3.MPa)

表中各项目标值可按上述计算方法及净水厂投产以来的生产先进指标定。当项目完成值与目标值出现差异时，表明设备工况产生变化，必须针对可能引起变化莫测的因素逐个检查、分析，找出原因，制订出解决问题的措施。

以下为笔者对-水厂某两月生产耗电情况按上表进行分析的结果。

生产耗电情况分析表 A表 编号

项 目

目标值

完成值

差异率（%）

1

一级总水头损失（m)

1.2

1.8

50

2

一级设备配水单位耗电（kW.h/km3.MPa)

360.2

360.5

0.08

3

二级设备配水单位耗电（kW.h/km3.MPa)

337

371

10

1 项差异原因为：吸水格栅过水断面受堵塞而减少，管内滋生物较多，粗糙度增大，内阻增大。

应采取的措施为：清理格栅杂物，在吸水口投放漂精毒杀管内滋生物。

措施实施后运行数据表明，水头损失已降至1.25m。

2 项差异率仅为0.08%，表明工况良好。

3 项差异原因为：

1）叶轮与减漏环间隙较大，达1mm以上。

2）水泵填料涵内靠叶轮端填料已腐烂，水从轴套内环漏失。

根据这些问题，采取了更换减漏环和填料的措施。更换后叶轮与减漏环间隙降至0.2mm，填料涵漏水已控制在60滴/分，达到要求，运行测试结果表明配水单位耗电已降至342kW.h/km3.MPa。

生产耗电情况分析表 B表 编号

项 目

目标值

完成值

差异率（%）

1

一级总水头损失（m)

1.2

1.24

3.3

2

一级设备配水单位耗电（kW.h/km3.MPa)

360.2

411

14

3

二级设备配水单位耗电（kW.h/km3.MPa)

337

340

0.89

由表知：1、3项较为正常，2项差异率达14%，经分析，原因为：河床水位较高，水泵工作扬程较设计高效区最低扬程还低7.32m。为此，采取切削叶轮方式进行调节，确保水泵处于高效段工作。采取措施后的配水单位耗电降至kW.h/km3.MPa。

按上述比较、分析方法，对了解现有设备的工况较为方便面，在发现工况变化后，，早需要对可能引起工况变并的原因逐个检查、分析，直至找出问题的根本，制定解决问题的措施，并对措施落实情况、效果进行检查、复核。

以上为对现有设备工况变化情况的分析、了解及控制的方法。切实地开展这一工作，将能最大限度地发挥现有设备的效率。但要了解某净水厂设备效率的先进性，为设备发行工作提供情报依据，还必须将厂配水耗电效率及配水单位耗电其它水厂的指标对比，找出差距及差距产生的原因。

配水单位耗电∑N= ∑W/ Q.H

其中 ∑W----水厂总生产耗电量（kW.h）。

Q---水厂供水量（km3）

H----水厂供水扬程（m），即供水扬程标高（m）与水源水位标高的差。

例如，在笔者工作的水司，下属有两个取同--水源的水厂，其中一个厂的流程为：水源——取水泵房——处理构筑物——送水泵房——管网（下简称B厂）。A厂为加压供水，B厂为重力供水。B厂较A厂的供水压力标高高（年平均高12.68m），净水流程的水位差高5.1m，源水输水管道长300m以上，水头损失约高0.5m，自用水提升扬程约高42m，两厂自用水量约占总产水量的35%。因此，配水耗电率也不同，其中A厂、B厂年平均配水耗电率分别为：304kW.h/km3、354kW.h/km3。从数值上看，很明显A厂供水成本高，但两个厂的配水单位耗电及配水耗电效率有何差别呢？由于厂配水耗电效率η为：272.33

η=W/W＇=N/N＇=272.33/N＇

为此，我们对生产运行数据进行了统、比较，如下表：

项 目

年平均值

A厂配水耗电率（（kW.h/km3）

304

A厂配水单位耗电（（kW.h/km3.MPa）

439

A厂配水耗电效率（%）

62.03

B厂配水耗电率（kW.h/km3）

300

B厂配水单位耗电（kW.h/km3.MPa）

433

B厂配电耗电效率（%）

56.62

上表数据表时：A厂的配水耗电效率较B厂高，A厂的配水耗电成本B厂低。

根据表现出来的结果，我们进行了原因分析，确认为：

1、净水流程的水位差小5.1m。

2、A厂较B厂源水输水管短，水头损失约少0.5m。

3、供水扬程A厂较B厂约少12.68m。

4、自用水提升扬程A厂较B厂约少42m。

由于以上四项原因造成的B厂配水耗电率增加值约为：

（5.1+0.5+12.68)×2.7233+42×2.7233×3.5%=54（kW.h/km3)

剔除这些因素的影响，A、B两厂配水耗电情况如下表：

项 目

年平均值 A厂配水耗电率

（kW.h/km3）

304

A厂配水单位耗电

（kW.h/km3.MPa）

439

A厂配水耗电效率

（%）

62.03

B厂配水耗电率

（kW.h/km3）

300

B厂配水单位耗电

（kW.h/km3.MPa）

433

B厂配电耗电效率

（%）

62.29

由表知：此时，B厂配水耗电效率较A厂高。

由上分析可知：由于工艺流程设计更为合理，减少了流程内的无功损耗和富裕的供水水头，A厂配水耗电效率较B厂高。但A厂的水泵机组工作效率却较B厂低。因此：

1、A厂必须进一步了解设备工作效率相对较低的原因，并设法解决问题。

2、B厂由于设计的原因，造成成本较高的因素已不可消除，但在今后的工作中可通过节约自用水量，减少在公司总供水量中的份量，直至搬扦的方法降低公司的供水成本。

三、结论

自来水生冰过程必须准确、齐全地收入集各种运行数据，必须根据对无功电耗变化的不同影响程序而对各种因素项目进行不同期限要求的比较、分析工作。岗位级必须每班次按表进行本班次的岗位设备的效率分析，厂级必须每周或每月、每年定期进行分析。生产变化情况对其影响不大的项目也应根据生产需要定期进行比较、分析，设备的维修和生产管理工作必须根据分析结果，科学地进行比较、分析工作必须利用收集的运行数据进行，比较、分析找出影响的因素后，必须定出解决措施，进行措施落实的检查，电耗分析工作的实施，关键是人的业务素质、工作态度、工作质量的提高。