泵站变频恒压与高位水池联合供水运行改造实例

提 要：目前变频恒压供水系统已被广泛的采用，均为不设屋顶水箱或高位水池。但对供水服务区域大，且需要常高压、大容量消防存水的区域就不能满足。本改造工程利用原有的高位水池，对旧泵站实行变频供水改造，实现变频供水和高位水池联合运行，既满足常高压消防存水的要求，又一定程度的节约了能耗。

关键词：高位水池；变频加压；联合运行

中图分类号：TU731.5文献标识码：A

一、泵站改造前供水方式概况

泵站供水量约10000M/日，供水范围约3平方公里，市政水源经泵房吸水池从管道进入泵房，水泵入水口压力0.1MPa。由水泵加压供城区管网用水，同时供水量有富余时向高位水池供水，泵站出口压力0.45MPa，水泵运行1用2备或2用1备，三台水泵为同一型号。用水高峰期时，泵房和高位水池同时向管网供水。高位水池水位达到3.7米满水位时，泵房停机，由高位水池向管网供水。当高位水池水位低于1米时，泵房开机向管网或高位水池供水。

泵房原供水方式如图一：

二、原供水方式评价

（一）原供水方式优点是，由于设置了高位水池，且储水容量较大，在市政水源异常时，或泵房运行故障时，仍能保证一段时间的正常供水。同时高位水池的存水保证了一段时间内的消防用水要求。

（二）缺点是部分用水量流经高位水池，水泵供水的扬程高于用户实际需要扬程，能量有一定损耗，能耗为0.148kwh/m,节能效果不佳。

（三）原运行系统中的自动控制系统已失灵，运行靠人工操作，运行人员较多。

变频恒压与高位水池联合供水运行的思考：

因高位水池都高于最不利供水点，一般供水至高位水池所需的扬程都大于满足最不利点水压的扬程，这部分扬程的差值就是变频供水节能的部分。变频供水运行中，任何高于满足最不利点水压的扬程，或将水供至比最不利点更高的地方，都是能量的浪费。而变频供水运行通常是在封闭的管路内以恒压的方式运行。而本高位水池还承担着该区域常高压消防存水的任务，必须保持1米高度水位的消防存水。所以高位水池和变频供水联合运行，存在一定的矛盾，增加了运行的复杂性。

三、改造技术方案

停止使用泵站吸水池，在水泵进水口增设反负压供水装置，利用市政水压（水泵入水口处市政静水压约0.22MPa，动水压约0.15MPa）更换现有的3台水泵，改为2大1小，增设变频电控柜。在高位水池出水管道和水泵出水管道上增设压力信号。根据这两个压力信号将供水方式改为变频恒压供水，使高位水池保留恒定高度的存水。具体为：

对原有的水泵房水管网进行改造。彻底废弃280m3吸水池，在原市政水管网与水泵房供水泵入口管网之间增加一个10m3的反负压稳流罐。将系统原有的旁通管路改造为自反负压罐前端接市政水到供水泵出口总管网上，并增加安装新的一只电动阀和一只手动阀，以便于PLC自动控制旁路开启与否。因为水泵房安装位置有限，在不影响反负压使用效果的前提下，反负压稳流罐升空安装。市政自来水首先进入到反负压稳流罐，再到供水泵机组和用户管网，组成二次供水管网。反负压稳流罐上有负压抑制器和液位控制器，当反负压稳流罐内的压力小于市政自来水的压力时，负压抑制器自动调节，确保市政供水压力可以稳定传输到供水泵吸入口不受影响。当市政供水不足，反负压稳流罐内水位降至最低安全点时，液位控制器发出信号，水泵机组自动停机，防止水泵空转故障的发生。

（一）工艺描述：高位水池进水方式由原来的池顶进水改为距池底1米高度进水，正常工作时高位水池保持1米的水位（水位可调节），以水池出水管上的压力信号0.1kg/cm为变频恒压供水的基准值运行，当水位因特殊原因或故障达到溢流水位时，水泵停机，当水位低于0.5米水位时水泵开机。为保持水池内水循环流动，每间隔2天，水泵停机几小时，水池的水供给管网，当水池存水用完后，再由泵房向水池供水至1米水位。如此循环。

自动控制描述：

1.高位水池内设水位探测装置，监测水池水位。在水池出水管上设压力信号，作为变频恒压的信号。同时在水泵出水管上设压力信号，作为变频恒压工作的辅助信号。

2.变频恒压供水中，供水平期由1台大泵供水，每间隔几小时2台大泵自动切换，轮流运行；当供水高峰期，1台大泵工频运行仍不能保持1米水位时，自动开启小泵，由一大一小2台泵同时运行；夜间供水谷期，当供水量（或频率）下降到一定值时，自动切换为1台小泵运行。当供水量（或频率）上升到一定值时，自动恢复为1台大泵运行。如遇有个别特殊时段，由2台大泵同时运行供水。

3.水泵运行与市政水源的配合。拟暂时停用泵房吸水池，水源经反负压装置后进入水泵加压。当市政水源压力低于一定值时，水泵自动停机，当压力回升到一定值时，水泵自动开机。

4.在泵房值班室设供水运行监控系统，包括实时流量、压力、电压电流、报警等监控功能。

5.所有自动控制信号预留远传监控的接口，以备以后使用。

（三）对配电系统进行改造。

1.拆除原有的3台×75KW/台卧式离心式供水泵的配电系统和到电机的电源线。

2.重新装配两个总的电源开关柜。分别各内装一只NF800-CEPW型（800A）三菱空气开关和一只S-N800型交流接触器，空气开关前端接总电源，空气开关下端连接交流接触器，交流接触器下端连接到三台供水泵的供电源。两路总电源交流接触器相互锁可以相互备用，定期切投或者主用电源回路断电时自动切投备用电源回路。

3.三台供水泵Y-Δ转换工频启动单元组装一个工频启动柜。每一台供水泵的工频启动单元前端各装备一只NF250-CW型（250A）的三菱空气开关，NF250-CW型空气开关前端连接到总电源开关柜新增加的S-N800型交流接触器的下端。

4.给新增加的三台同原厂家的卧式离心式供水泵重新敷设从工频启动柜到电机的电源线。其中每台90KW电机使用3×70mm2+1×35mm2金龙羽阻燃型、温水硅烷交联型电力电缆一条共计30米，3×70mm2金龙羽阻燃型、温水硅烷交联型电力电缆一条共计30米。

5.装备一台CIMR-E7B4090型安川变频器，安装上该系统内三台供水泵共用选定的一台变频器实现一拖三控制，其转接切换控制系统主接线构成如下图二所示。并且围绕该变频器设计一个由西门

图二：一台变频器在三台供水泵之间的转接切换

子PLC+Autoface触摸屏+远程监控电脑+软件设计构成的全自动叠压变频恒压供水节能控制系统。该节能控制系统使用之单台变频器自成一组，及其它辅助设备，合并安装在本公司专业设计的一个转接、切换、计量及闭环恒压力控制变频器配电柜内，并通过敷设电线电缆实现该变频器节能控制柜与新增加的Y-Δ转换工频启动柜之间的对接。其中西门子PLC主模块及其辅助模块也安装在该变频器配电柜内，Autoface触摸屏安装在该变频器配电柜外门面板上，远程监控电脑安装在贵司指定任意地点位置。

6.变频器使用寿命与环境温度影响很大。考虑到变频器运行时也会发热，仅仅依靠在配电柜顶端安装散热风扇还不能完全解决变频柜散热问题，严重时会危害到变频器及其它电气元件的使用寿命。根据本公司的经验，可以在每一台变频柜上增加安装一个壁挂式配电柜专用空调，和配电柜顶端的散热风扇配合使用，可以有效地降低变频柜内温度，从而有效延长变频器及其它电气元件的使用寿命。

7.变频泵控制压力测点选择在水泵房供水泵出水总母管上。在同一个测点附近安装两个压力变送器相互备用，同时输入反负压变频恒压供水PLC节能控制系统，如果主用压力传感器信号故障时，则自动将备用压力传感器的信号接入，以确保该节能控制系统的稳定运行。同时修复山顶2800m3水池水位控制器，并将其接入新增加的反负压变频恒压供水PLC节能控制系统中，保持山顶2800m3水池水位对泵房供水泵的自动控制功能。

四、改造后系统与原系统节能测算

由于高位水池水位由原来的3.7米降低到1米水位，水泵出水扬程可由原来的45米降低到42米左右。根据水泵运行中流量q、扬程h、功率p与转速n的变化关系:、

、 可推算出。

各参数变化关系如下表：

由此测算，当保持供水流量、其它因素不变的情况下，可节省电耗13%左右。

五、需更换和增设的主要设备：

六、改造后运行效果

改造后经过近一年的调试和运行，已运行稳定。到达预期的效果，能耗指标从改造前的0.148kwh/m，下降到0.125kwh/m。比改造前节能15.5%，与预期的节能效果接近。改造后实现了供水自动运行，无人值班，运行人员只需定时巡视检查，减少了运行人员。通过本项改造工程说明，在特殊的情况下高位水池和变频加压联合供水，合理的设定扬程，还是可以降低一定的能耗。

参考文献：

1、姜乃昌 2007年《泵与泵站》中国建筑工业出版社.

2、刘家春2009年《水泵运行与泵站管理》中国水利水电出版社.

3、姚宇新2005年《城镇二次加压泵站运行方式的能耗探讨》.