（市政工程专业论文）水厂的节能降耗技术研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 目前，我国各行业都大力推行节能降耗。作为电力消耗大户，水厂具有较大的节能降耗 潜力。在供水行业中泵的能源消耗约占企业能源消耗的8 0 9 0 。因此，必须加强水厂 生产运行管理，加大节能降耗技术改造力度，实现安全优质供水的前提下，降低制水成本， 提高自来水企业的经济效益。 本文阐述了课题的来源，分析了水厂节能降耗的国内外研究现状。针对我国水厂电耗、 药耗、氯耗存在的问题，以中山中法供水有限公司的为例，从技术、经济上进行比较分析， 提出了便于实施的节能降耗技术： 1 水泵在叶轮切削限量内进行叶轮切削改造技术，具有投资少、节能、经济效益和社 会效益明显的优点，应大力推广。 2 实现加药、加氯系统自动化，是确保准确投加、保证出水水质、控制成本的有效途 径。 3 进行水厂构筑物的优化选择，在设计阶段，应根据原水水质确定合适的水处理工艺， 比较分析各构筑物的优缺点、与实际情况的符合性，从而实现能耗、物耗最低化。对水厂 构筑物迸行节能挖潜改造，就反应池、平流式沉淀池而言，改善进出口水力条件可增加处 理量；就滤池而言，通过对普通快滤池( 单水反冲洗) 和v 型滤池( 气水反冲洗) 的性能比较， 将单水反冲洗改造为气水反冲洗是单水反冲洗滤池节能改造的重要途径。 关键词：水厂节能降耗技术 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a t p r e s e n t ， c h i n a s i n d u s t r i e sa r e v i g o r o u s l yp r o m o t ee n e r g ys a v i n g a n d c o n s u m p t i o n r e d u c i n gt e c h n o l o g y a s t h e l a r g ed e p a r t m e n t s o f e l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n ， w a t e r w o r k sh a sg r e a tp o t e n t i a lf o re n e r g ys a v i n ga n dc o n s u m p t i o n - r e d u c i n g i nt h ew a t e r i n d u s t r y ，t h ep u m pe n e r g yc o n s u m p t i o na c c o u n t sf o r8 0p e r c e n tt o9 0p e r c e n to fc o r p o r a t i o n e n e r g yc o n s u m p t i o n t h e r e f o r e ，w em u s ts t r e n g t h e nt h em a n a g e m e n to fw a t e rp r o d u c t i o no p e r a t i o n s ，i n c r e a s e e n e r g ys a v i n ga n dc o n s u m p t i o n - r e d u c i n gt e c h n o l o g i c a lt r a n s f o r m a t i o ne f f o r t s , u n d e rt h e p r e m i s eo fs a f e t y , q u a l i t yw a t e r , r e d u c ew a t e rc o s t sa n di n c r e a s et h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yo ft h e w a t e re n t e r p r i s e s t h ea r t i c l ed i s c u s s e st h et o p i cs o u r c e ，a n a l y s i so fr e s e a r c h i n gw a t e r w o r k se n e r g ys a v i n ga n d c o n s u m p t i o n - r e d u c i n gs t a t u s a th o m ea n da b r o a d i nv i e wo ft h ew a t e r w o r k sp o w e r c o n s u m p t i o n ，d r u gc o n s u m p t i o n ，t h ec o n s u m p t i o no fc h l o r i n ep r o b l e m sa n dt h es t a t u so f w a t e r w o r k ss t r u c t u r e s ，w i t he x a m p l e so fz h o n g s h a ns i n o - f r e n c hw a t e rs u p p l yc o l t d f r o m t h et e c h n i c a la n de c o n o m i cc o m p a r i s o na n a l y s i s ,i d e n t i f i e dv a r i o u se n e r g ys a v i n ga n d c o n s u m p t i o n - r e d u c i n gt e c h n o l o g yi nt h ew a t e r w o r k s - 1 c u t t i n gt h ep u m pi m p e l l e rw i t h i nt h el i m i t so ft h ei m p e l l e rc u t t i n gt e c h n o l o g y ，w i t hl e s s i n v e s t m e n t ，e n e r g ys a v i n g , e c o n o m i ca n d s o c i a lb e n e f i t so b v i o u sa d v a n t a g e s ，s h o u l db e v i g o r o u s l yp r o m o t e d 2 m a d et h ei n p u t - d r u gs y s t e ma n di n p u t c h l o r i n a t i o ns y s t e ma u t o m a t e di st oe n s u r et h a t i n p u t t i n ga c c u r a t ea n dg u a r a n t e ef o rw a t e rq u a l i t y , a ne f f e c t i v ew a y t oc o n t r o lc o s t s 3 o p t i m i z a t i o nc h o i c e so fw a t e r w o r k ss t r u c t u r e s ，t h ed e s i g np h a s es h o u l db ea c c o r d i n gt o t h er a ww a t e rq u a l i t yt od e t e r m i n es u i t a b l ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，c o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ev a r i o u ss t r u c t u r e sa n dm e e tw i t ht h er e a l i t i e so ft h es i t u a t i o n ， a c h i e v i n gt h el o w e s te n e r g yc o n s u m p t i a n dm a t e r i a lc o n s u m p t i o n t h eo l dw a t e r w o r k sf o r e n e r g y - s a v i n ga n dt a p p i n gp o t e n t i a lt r a n s f o r m a t i o no fs t r u c t u r e so nt h et a n k , a sf a ra st h e r e a c t i o nt a n k sa n ds e d i m e n t a t i o nt a n k s ，i m p r o v e di m p o r ta n de x p o r tf l o wc o n d i t i o n sc a ni n c r e a s e h a n d l i n gc a p a c i t y ；t h ef i l t e r ，t h r o u g ht ot h er a p i df i l t e r ( s i n g l e - w a t e rb a c k w a s h i n g ) a n dv t y p e f i l t e r ( g a s - w a t e rb a c k w a s h i n g ) p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n ，b a c k w a s hw a t e ra l o n ew i l lt r a n s f o r m t h eg a sw a t e rf i l t e rb a c k w a s hi sa ni m p o r t a n tw a yo f s a v i n ge n e r g y k e y w o r d s ：w a t e r w o r k s ；e n e r g ys a v i n ga n dc o n s u m p t i o n - r e d u c i n g ；t e c h n o l o g y 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 引言 我国是一个发展中国家，多年来极其重视能源建设和发展，尤其是电力能源的发展。 但由于国民经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，电能的消耗更是与只俱增，在电 能的供求方面仍存在一定的缺口。 节能降耗，是供水行业普遍重视的课题。从科学的角度看，节能降耗就是在满足相同需 要或达到相同目的的前提下，减少能源和物料消耗量。节能降耗有狭义节能降耗和广义节 能降耗两种，降低直接看得见的能源实物消耗就是狭义节能降耗或直接节能降耗。节约任 何一种人力、物力、财力、运力或者时间，以及提高经济效益所引起的节能降耗叫做间接 节能降耗。广义节能降耗就是既包括直接节能降耗又包括间接节能降耗的完全节能降耗， 其最大特点是把直接节能降耗和间接节能降耗结合起来，把节能降耗和提高经济效益结合 起来。 对于供水企业来说，原水成本是外生成本，不属于可控成本的范围。而在投资已经完 成的运营阶段，固定成本在短期内也具有不变成本的特性，制水和售水成本中也有相当部 分也是相对稳定的。因此，在运营阶段重点是控制可变成本。据有关部门统计，泵的动力 消耗约占全国总发电量的2 0 左右，在供水行业中泵的能源消耗约占供水企业能源消耗的 8 0 - 9 0 。所以，做好经济运行工作，不仅可为国家的经济发展做出贡献，而且对降低企 业的成本也是非常必要的。在很多企业中，矾耗、氯耗、电耗等还存在大量浪费和核算不 实的现象，尤其是大多数供水企业人员臃肿，人工成本居高不下。有关研究表明，规模、 技术条件相近的供水企业的成本管理水平差异是非常大的【l l o 从供水企业生产成本的主要环节来看，在确保供水安全运行的基础上，保证和提高供 水水质是控制成本的前提、降低物耗和能耗是降低成本的主要措施，管网、设备的维护费 用可通过加强管理来降低。除直接的生产环节之外，降低人工成本是供水企业成本管理的 主要途径。 1 2 课题的来源及研究的内容 1 2 1 课题的来源 中山中法供水有限公司是目前中山市最大的供水厂，同供水能力达5 0 万m 3 ，全厂1 9 8 6 年动工兴建，分四期建成。其水处理系统由南北两系统组成，南北共用原水泵房及加药加 氯系统。其中南系统现处理规模2 0 万m 3 d ，北系统处理规模1 4 万m 3 d 。该公司采取了诸 多节能降耗措施，取得了良好的经济和社会效益。由于其南北系统的净水工艺不同，为对 水厂净水工艺的优化提供了参考，同时也还存在一些问题急待解决。 1 2 2 研究的内容 研究内容主要有以下几点： 1 如何才能使水厂在满足生产的情况下使电耗最小化。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 2 如何使水厂在满足水质要求的情况下使矾耗、氯耗最小化。 3 通过对比分析，进行构筑物的优化选择。 4 加强综合管理，降低水厂能耗。 1 3 国内外研究现状及研究的意义 1 3 1 国外研究现状 国外对水厂节能降耗一向很重视。经过多年发展，其净水工艺技术已相对成熟，随着 形势的变化，对水厂节能降耗提出了新的要求。在进行水厂设计时，一般先做模型试验， 做几种工艺的比较，然后确定最佳工艺。这样经过试验考察而作出的选择，可在设计阶段 做好节能工作。 有研究认为自来水的异常嗅味是由水源的土腥味和霉味引起的，解决办法是投加粉末 活性炭或高锰酸钾，其他方法包括采用颗粒活性炭过滤、在水库中投加硫酸铜和预氯化1 2 l 。 如何保持管网水中消毒剂的余量，采用冲洗、增加投量、中途补加氯和改善加氯控制 等。还对管网的腐蚀及腐蚀物的沉淀问题进行了研究，解决办法是投加磷酸盐抑制剂、调 整p h 值或碱度及进行干管的冲洗。 研究认为异养菌的过量生长和硝化细菌的滋生导致氯耗增加的主要原因。对管道进行 冲洗是应对这一问题最佳方案，其次是增加加氯量，同时认为在硝化细菌滋生时可增加氯 氨比来控制1 2 j 。 法国某配水管网建立了两个加氯站，出厂水氯的浓度下降了1 3 ，仅为0 4 加6 m g l ， 每个加氯站的投加量为0 2 5 m g l ，就可以保证管网水余氯量要求，总三卤甲烷( r n m s ) 里下 降了2 0 。这种方法降低了整个管网的余氯量水平，工艺简单，有效地减少了消毒副产物 的生成【3 1 。 由于日本近年来部分水源地水质的不断下降1 4 j ，横滨各水厂均在常规处理方法上进行 了调整。采取砾石起伏程度测量及防止砾石起伏措施对滤池进行翻修，保证了滤池的正常 高效运行。向原水输送管道中加氯，杀藻效果明显，但会使胞体裂解释放毒素并可能伴随 消毒副产物的生成。因而，如何调整加氯量、消毒剂的选择、滤池滤料的选择替代等是今 后横滨各水厂研究的方向。 欧美发达国家大多数水厂的滤池采用气水反冲洗，滤池滤料采用无烟煤及石英砂1 5 1 。 由于采用多层滤料，滤池滤料流失问题一直是其研究的重点。控制反冲洗强度和保持较深 的滤料上层水深可有效控制滤料流失，而反冲洗强度自动控制仪表确保了对反冲洗强度的 控制。 在美国，清水池一般考虑充分利用地形，并在配水系统中有许多提升蓄水池，使得水 厂的清水池变小，泵房运行稳定，设备运行效果高、电耗低。由于美国水厂设备绝缘和防 水性能好，其泵房一般为露天形式，节省了大量投资1 6 1 。 国外水厂由于其设备方面的优势，自动化程度较高，节能降耗的研究主要集中在加药 武汉科技大学硕士学位论文 第3 页 和消毒方面，以保证水质，降低消毒副产物为f i r 提。 1 3 2 国内研究现状 目前国内对水厂节能降耗的研究主要集中在以下几个方面： 1 水泵的节能改造 水泵的节能改造，主要是通过改变水泵的运行工况点，使水泵始终运行于高效区间内， 且运行工况与管网实际所需一致i 刀。改变水泵的工况点，通常可通过两条途径来实现：一 是调速运行，即通过改变水泵的转速，来改变水泵的运行曲线，使水泵的出水压力与管网 实际所需一致，从而达到节能的目的【8 】。 朱文华1 9 1 通过对水泵节能原理的分析，指出水泵调节运行时能耗的大小较大程度上取 决于流量控制的方式，并归纳了水泵采用变频调速的优点。通过研究适合稀土永磁无刷直 流电机的控制方案，提出了水泵节能的变频调速技术。 温州瑞安自来水公司的江南水厂采用变频调速对水厂进行改造( 投资约5 0 万元) ，改造 后水厂千吨水电耗由1 5 0 k w h d a m 3 降为1 0 5k w h d a m 3 ，取得了良好的节能效果1 1 。 陈运珍通过研究分析，认为变频器在水厂中运用除了可以节电，还可以平滑调节取 水流量和送水压力，满足制水、供水工艺要求。同时研究了水泵变频器的电压选择，认为 小于5 0 0k w 的水泵机组要尽量选用低压等级的变频器；5 0 0k w 至1 0 0 0k w 的水泵机组可 选用6 9 0v 变频器；大于8 0 0k w 以上的水泵机组可选用2 3 3 3 4 1 6 6 o ，6 6k v 等系列 的变频器。 湛江临东水厂二级泵房采用变频调速进行改造【1 2 】，采用变频调速设备后，其供水的单 位电耗平均降至0 1 6 4 9 k w h m 3 , 即每输送l m 水节约0 0 4 2 5 k w h ，每年可节电4 6 5 3 7 5 k wr h ， 这大大地减少了水厂的运行成本，达到了节能的目的。 戴立平【1 3 j 研究了变频调速技术在水厂滤池气水反冲洗系统运行中的应用。对于滤池风 机，能保持鼓风机的流量稳定在反冲洗强度要求的一定范围内，滤池反冲洗时的跑砂率减 少，形成的气泡均匀，冲池的效果提高。并在深圳市东湖水厂经2 年多使用测算，每天节 约反冲洗用水1 8 0 m 3 左右；对于反冲洗系统中的水泵，由于存在冲洗不同面积的大小滤池， 水量与冲洗要求不匹配的问题。进行变频调速改造，改造前运行功率为3 7 k w ，改造后为 3 1 k w ，节能效果明显。 另一种是改变水泵工况点的途径是叶轮切削改造，其原理是经过切削的叶轮，其特性 曲线会按一定规律发生变化。根据切削后的运行参数，计算切削量，改变叶轮的外径，使 水泵特性蓝线按要求发生变化，从而使水泵运行与管网实际所需一致的高效区间内，达到 节能的目的1 1 4 1 。 1 9 9 9 年全继萍对深圳大涌水厂新泵房进行叶轮切削改造，结果其供水单耗由4 1 8 3 3 k w h ( k m 3 m p a ) i 绛至- 3 6 7 6 8k w h ( k m 3 - m e a ) ，降幅达到了1 2 7 ，年实际节约电费1 0 3 1 3 万元【1 5 】，节能效果明显。 海口市米铺水厂对水泵进行叶轮切削改造，投资1 5 万元，每年节约费用约7 0 万元， 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 投资回收期7 天1 1 6 1 。 沈阳翟家水源水厂1 9 9 9 年对原水泵房进行叶轮切削改造，比上年单位电耗降低 0 0 8 0 k w h m 3 。同时该水厂在改造时还分析了采用变频( 投资约6 0 万元) ，更换泵机( 约3 0 万元) ，而进行叶轮切削仅需几万元旧。 水泵节能另一做法就是在水厂设计中，进行水泵选型时，对水泵的运行工况进行排列 分析，从水厂的投产初期、中期至达到设计规模，以及不同季节的供水量要求，和每日的 供水量曲线等，都应有较深入的了解，来选用水泵，达到既满足供水要求，又能节约能耗。 斩波内馈调速技术在水厂中也得到了一定的应用，节能效果比较理想。例如，沈阳水 业有限公司四水厂于2 0 0 0 年底采用斩波内馈调速技术对砂山水厂二机组进行了调速节能 改造，投资约6 0 万元，每年节约电耗约6 0 万元，收到了明显的节能效果i l s j 。 陆企亭，黄茂松，史以洪等【1 9 i 研制了应用于水泵节能防护的聚氨酯环氧复合涂层，涂 层具有优良的物理性能和抗磨蚀性能：拉伸强度t 3 0m p a ，断裂伸长率t 4 0 0 ，撕裂强 度= 1 0 0k n m ，回弹率t 2 5 ，与金属的粘接强度- - 3 5m p a ，抗磨损和抗磨蚀性能分别为 不锈钢的4 1 9 倍和2 1 8 倍。经过大型水泵的实际应用试验表明，复合涂层使用2 年后完 好无损，对水泵过流件起到防护作用，延长水泵的使用寿命，并有明显的节能效果，使旧 水泵节能3 8 。 齐维贵，朱学莉l 刎研究了深水泵供水节能的智能控制技术，通过分析水泵变压调速供 水的节能原理，提出了用智能控制实现节能的方法，介绍了用单片微机开发的控制装置及 其在实际工程中取得的节能效果。 2 降低水厂的矾耗 水厂的矾耗一般占生产成本的1 0 左右，控制水厂的矾耗对水厂的节能降耗有重要意 义【2 1 1 。而且，如果投药量太高，使剩余铝的浓度比较高，而剩余铝与老年痴呆症相关，投药 过多不仅浪费，而且有一定的副作用。矾耗主要取决于源水水质、药剂品种、工艺运行效 果。 在不改变原来工艺的基础上，控制水厂的矾耗有几种办法：( 1 ) 选用适合本地区原水 水质的药剂，通过小试来确定最佳投量；( 2 ) 加预氧化药剂，但是时期不同，原水水质不 同，选择最佳的预氧化药剂及其投药量；( 3 ) 投加助凝剂，如p a m 、h c a 等；( 4 ) 研究低 成本混凝剂。 降低矾耗除了投加助凝剂外，很重要的一方面是尽力改善反应的水力条件，包括矾与水 的混合条件、反应条件。使用s c d 仪( 游动电流检测仪s c r e a m i n gc u r r e n td e t e c t o r ) 来控制 加矾泵，节约矾耗可达3 0 。还有一种就是改变沉淀工艺为气浮工艺，这要看原水水质的情 况，来确定适不适合气浮工艺，从很多试验来看，气浮工艺比较节省投药量1 2 2 l 。 翁晓姚，周雅珍【矧针对硫酸铝混凝剂的不足，通过实验室试验，对聚丙烯酰胺 ( p o l y a e r y l a m i d e ，p a m ) 助凝剂的品种、最佳加注量和最佳加注点进行了研究，并在此基础 上，在南市水厂进行生产性试验，生产性试验表明，聚丙烯酰胺对低温低浊水助凝处理效 果明显，并且对高负荷水量适应性较强。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 李明明、冯小卫研究了加矾系统对混凝机理的影响【2 4 】。认为提高混凝过程效能的重要 条件是使混凝剂快速而均匀地与源水混合，要求混合设备能在极短的时间内快速而均匀地 将药剂分散到整个水流之中，并认为通过采用的管道式混合器就可以达到这些要求。在改 造以后的加矾系统中，水射器加矾点位置前移，安装在混合器附近。由于水射器的抽吸作 用，故加矾管内的混凝剂溶液浓度可以保持与加矾间溶液池内的矾液浓度相同，投加矾液 p h 值小于等于4 5 ，决不会再出现a i ( o i - d 3 沉淀物的条件发生，从根本上杜绝了经常要疏 通加矾管现象。 李伟英等研究了自动控制加药系统在微絮凝过滤中的应用，通过中试试验并结合理论 分析p 】，对用于微絮凝过滤中的流动电流检测仪自动控制加药技术作了较为系统的分析和 研究。试验结果表明：在通常情况下( 源水浊度小于2 0 n t u ) ，该水库水流动电流设定值( s p ) 应为1 7 5 ；加药管线流行时间为5 0 - 6 0 s ；取样系统流量选用应恒定。 沈裘昌对通过控制反应池运行参数来优化反应池进行了研究l 弼，发现通过优化反应池 可有效降低水厂的矾耗。广西桂林瓦窑水厂二期工程反应池为穿孔旋流反应池，投产后由 于池体格数少( 只有6 格) 、流速小，混凝效果差，矾耗大。在技术改造过程中，在反应池 前3 格加装隔板，通过严格的核算控制过流截面，改变水的流速和延长水的流程，提高了 反应池前段的速度梯度，增大颗粒间的碰撞几率。改造后运行结果表明：矾耗比改造前降 低了3 0 一4 0 ，沉淀池出水浊度降低了2 3 n t u 。 广西桂林东江水厂一期工程反应池原为穿孔旋流反应池，但设计池体容积过小，反应 时间仅为1 5 m i n ( 给排水手册规定孔室反应池反应时间为1 5 2 5 m i n ) ，混凝效果不理想。在 不改变池体容积的情况下，将反应池改为栅条反应池( 给排水手册规定栅条反应池反应时 问为1 0 1 5 m i n ) 后，混凝效果则大为改善。优化反应池的运行控制参数对于提高混凝效果， 降低矾耗具有重要的意义。 大连市第三水厂自动加药系统运行中存在加药不稳定，偏高或偏低等问题。通过分析其 软件控制系统，发现部分程序不合理，修改并重新编制了一些新程序；其次分析微机控制 加药系统的参数，发现有些参数与实际不符，查找参数偏高或偏低的原因，改变了原水浊度 仪的取水样位置，原水流量计重新换位置安装，重新设计模拟小斜管并重新选取模拟小斜 管的取水样位置，改变出厂水浊度仪、余氯仪的取水样位置等，这些措施使控制系统的各 项参数符合实际，从而改进了自动加药系统，使加药合理化、准确化，降低了水厂的药耗 【矧。 3 降低氯耗 氯化消毒是沿用多年且仍然在给水处理中普通采用的消毒技术。但近二十年来，人们 逐渐发现，在氯化消毒的同时与水中某些有机和无机成分反应，生成一系列卤代有机副产 物，其中大部分对人体健康构成潜在的危胁i “。特别是传统的预氯化工艺，高浓度的氯与 原水中较高浓度的有机污染物直接反应，生成的氯化副产物的浓度会更高，因而氯化消毒 副产物是影响饮用水水质的一个重要因素。控制氯耗是降低氯化副产物的重要方法之一， 所以很多水厂提出了在达到相同消毒效果的前提下降低消毒剂消耗和消毒副产物生成量 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 的目标。采取改进加氯系统、改变药剂投加方式和对水厂构筑物进行优化等措施可降低水 厂氯耗。 李柱，张根良等对“三点加氯系统”进行了生产性实验研刭硎，得出在原水水质不稳 定的情况下，采取“第三点补氯( 总氯反馈自动控制) ”措施来保证出厂水余氯的稳定，一 方面确保提供优质自来水，另一方面也避免了因盲目增加投氯量造成的浪费，节省了生产 成本。 李奇，杨兵等研究了串级控制在加氯系统中的应用l 捌，并以北河口水厂滤后水加氯系统 为研究对象，分析了原人工控制的不足之处，提出了串级控制加氯系统结构，建立了相应 的过程模型，并加以实际应用。在不增加新仪表等设备投入的同时，降低了生产成本，显 著提高了控制效果，有较好的实用价值和推广价值。 陈萍涮3 1 】等对饮用水中消毒副产物的形成及影响因素研究时发现，投氯量与h a a s 和 t h m s 等消毒副产物的形成均呈正相关，在保证水质前提下应尽量降低加氯量。 4 优化工艺组合1 3 2 1 ，控制产水过程中的自耗量。改造旧工艺，研究新工艺、新技术， 提高自动化程度，建立一套行之有效的管理体系，实现减员增效。 内蒙古扎赉诺尔水厂为提高供水水剧3 3 】，延长滤池运行周期，将原有的平流沉淀池末 端沉淀区改造成斜管沉淀池，沉淀池改造后，其出水浊度在1 2 n t u 以内，反冲洗时间基 本不变，反冲洗次数由原每月4 0 次缩短到2 4 次，节水效果明显。 王伯叻分析了v 型滤池积泥和跑砂的原因及对策i x ，发现气水同冲强度不均匀是跑 砂、反冲洗效果不佳及滤层积泥的现象主要原因。通过配水系统的改造，提高表面扫洗孔 中心的位置以及加强滤池运行管理，使滤池运行了多月未发生积泥和跑砂现象，出水水质 也有明显改善，保证了供水水质。 张剑对十堰市二水厂单层砂滤改成双层滤池滤料后的节电和降低氯耗效果进行了研 究【3 5 1 。针对水厂反冲洗周期短，水耗、电耗、氯耗过大的实际情况，对滤池滤料进行改造。 将单层石英砂滤料改造成为双层滤料，上层无烟煤( d = 1 2 1 8 m m ，h = 2 0 0 m m ) ，下层石英 砂= 0 8 1 2 m m 。h = 5 0 0 m m ) 。二水厂滤池改造后，滤池运行效果明显改善。在浑水期、高 藻期间，反冲洗周期平均达到3 0 h ；在非浑水期、高藻期间，随机反冲洗周期平均达到7 0 h ， 年节约水耗1 9 6 万m 3 ，电耗3 4 万k w h ，氯耗1 9 6 5 k g ，节能降耗效果明显。 深圳蛇口水厂【矧对其t 型滤池单水反冲洗改造为气水反冲洗，冲洗强度为1 6 u s m 2 ， 后改为气水联合三阶段反冲洗，其中水冲强度为5 u s m 2 ，气冲强度为1 5 u s m 2 。滤后水 水质达标率为1 0 0 ，反冲洗水量为改造前的三分之一，大大节约反冲洗水量。由于水反 冲洗强度降低，反冲洗泵功率是原有的4 0 左右，节约了电耗：并提高了滤池的截污能力， 延长滤池的工作周期，缩短了反冲洗时间，生产成本降低幅度较大，经济效益显著。 国内水厂节能降耗研究主要集中在：水泵的节能采用叶轮切削和变频技术进行节能改 造较多，主要变频设备以国外进口的较多，其它技术使用较少；在加药和加氯方面，自动 化是近年研究重点。在水厂工艺优化方面，针对具体问题进行挖潜改造的较多，但对水厂 工艺进行比较研究的较少。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 1 3 2 研究的意义 以前，节能问题一直没有引起人们足够的重视。随着经济的高速发展，能源问题已经 越来越突出，并成为制约中国经济发展的“瓶颈”。面对资源紧缺，节能已经显得尤为必 要和迫切。党的十六届五中全会明确提出：要加快建设资源节约型、环境友好型社会，促 进经济发展与人口、资源、环境相协调。国家“十一五”规划也明确提出：未来5 年，单 位g d p 能耗降低2 0 。这是我国首次将节能约束性指标纳入国民经济和社会发展的五年 规划。因此，进行节能降耗的研究具有十分重要的现实意义。 长期以来，我国供水行业基本上实行政府垄断经营的管理体制，使很多传统供水企业 存在诸多问题，主要体现在：人员过多、效率低下、设施自动化程度低、实际生产运行中 能耗、药耗过高等，由于时间、技术、资金等各方面的原因未能及时解决。因此，在水厂 的生产运行中具有很大的节能降耗潜力。 给水厂从设计到投入使用后，需要在实际生产过程中不断改进才能取得更为理想的水 处理效果。这就需要根据水厂的实际运行资料的反馈，来指导水厂的设计工作。 在市场经济条件下，水厂搞节能降耗，降低生产运行成本，是市场经济的必然要求。 在水厂运行成本中，电耗、药耗、氯耗等是非常重要的组成部分，如何采取措施，降低三耗 从而降低水厂生产成本，更好地实现节能降耗，提高经济效益，具有重要的理论和实践意 义，也是当前一个重要的研究课题。 研究水厂的节能降耗技术具有以下意义： 1 通过对水厂构筑物的优化选择，指导水厂的设计和技术改造： 2 通过对水厂电耗、矾耗、氯耗等的分析研究，指导水厂的运行、改造； 3 提高水厂的自动化水平，达到提高工作效率、节约人力，实现节能降耗增效的目 的。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 水厂节电技术 2 1 1 水厂用电概况 第二章水厂节能降耗技术 水厂是能耗大户，电耗主要消耗在各种水泵的运行上。水泵机组用电量在世界范围内 约占2 0 2 5 ，在我国约为2 1 ，水厂取水泵、配水泵是水厂生产过程中耗电量大的主要 设备。同时，各种电动阀门、滤池反冲洗设备、投药泵等设备也是水厂耗电的重要组成部 分。尽管近年水资源费、人工费增长幅度较大，但大多数供水企业的平均电耗仍然占总生 产成本的2 0 3 0 1 ”j 。 水厂各构筑物及设备电耗情况见表2 - 1 表2 - 1水厂用电情况分析表 构筑物耗电设备电耗情况 取水头无 原水泵房电机及水泵、电动阀大 反应池很少 沉淀池刮泥机、电动阀较少 滤池电机及水泵、电动阀、自较多 控等 清水泵房电机及水泵、电动阀 大 消毒间电机及泵、混合器等较少 加药间混合设备、加药泵较少 管道电动阀门较少 其它照明、自控设备等较多 从表2 - 1 的分析来看，水厂的主要电耗为各类水泵及配套电机的运行电耗，其中，原 水泵房与清水泵房电机及水泵电耗又占其中9 0 以上。因此，要控制水厂电耗，重点应放 在泵房。同时，也必须加强滤池及加药间电耗的控制。 2 1 2 存在的问题 水厂电耗主要是各类水泵，因此主要讨论水泵电耗问题。 1 在传统的净水厂设计中，进行送水泵选型时，首先考虑水泵应满足最不利工况点 的要求，即以供水管网的最高日最高时用水量和压力来计算水泵的设计流量和设计扬程。 根据此法选型的水泵满足了最不利工况点的要求，却忽略了对能耗的考虑。因为在净水厂 的实际运行中，水泵在最不利工况点运行的时间相对较少，绝大部分时问是在平均流量和 平均扬程工况附近运行，甚至长期在低扬程大流量工况运行，这样水泵有可能长时间偏离 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 高效区i 、日j 运行，此时水泵的轴功率已接近甚至超出配用的电机功率，而且水泵效率低，还 容易发生汽蚀。在实际生产中，为了确保水泵的安全运行，也为了使水泵运行于高效区间 内，只能通过关小出水阀门来改变管道特性曲线，从而改变水泵的运行工况点。此举使水 泵安全运行于高效区i b j 内，却致使大量的能量消耗在阀门上，造成电能很大的浪费。并且 许多老水厂水泵使用时i 日j 长、设备陈旧、磨损较严重。这些情况在很多新老水厂都存在i ”j 。 2 水泵出水管网跟不上发展要求，导致出水阻力过大，浪费电耗。 2 1 3 节电技术 城市供水企业是耗能大户，平均电耗占制水成本的2 0 3 0 ，其中9 0 以上的电量又 消耗在水泵电机上。研究机泵的节能技术非常重要，一般应选择高效的机泵，并使水泵工 况处于高效区，采用合适的调速装置，使水泵的扬程、水量能适应管网的变化；加强管网 的优化设计、调度和管理，特别对对水源和多泵站的管网更应实现优化调度，考虑电价分 时段计费问题，充分利用电费低价时段。 1 设计阶段的泵站节能 规范规定泵站设计水量的确定是满足用户的最高日最高时水量、水压的要求，如果简 单地依据该条件确定水泵的工况，就会造成能源的浪费，因为一年中出现最高同最高时的 情况很少，很多时间水泵不能在高效区运行，因此应深入调查供水区域的供水特点，并认 真吸收供水企业技术人员的实际运行经验，找好该区域经常出现的运行工况，以该工况点 确定所选水泵的高效区。同时为了满足管网水量水压的变化，从水厂的投产初期、中期至 达到设计规模，以及不同季节的供水量要求，选择不同扬程的水泵组合或采用调速水泵1 3 训， 才能达到既满足供水要求，又能节约能耗。 2 水泵调速设施的应用 由于城市供水管网的水量是变化的，而且有时变化幅度很大，因此供水系统也就必须 随之进行水量的调节。调节流量一般有三种方式：一是改变阀门的开度来调节流量，这样 大量能量消耗在阀耗上，一般不宜采用；二是配置大小流量的水泵调节流量，使水泵运行 或接近高效区内：三是采用变速调节，这种方式不一定能节能，但方便管理。采用调速设 施节能改造需对能耗、投入的方案进行优化比较，达到以降低能耗，提高经济效益。 目前工程上采用的调速技术有下面三种：变频调速、串级调速、斩波内馈调速技术。 ( 1 ) 变频调速【删 变频调速的基本原理是根据交流电动机工作原理中的转速关系，具体可由式2 - 1 表 示： n = 6 0 f ( 1 s ) p( 2 1 ) 式中：n 一转速： f 一水泵电机的电源频率； s 一转差率； d 一电机的极对数。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 由上式可知，均匀改变电动机定子绕组的电源频率f ，就可以平滑地改变电动机的同 步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少。这就是水泵 变频调速的节能作用。 目前，国内在水泵控制系统中使用变频调速技术，大部分是在开环状态下，即人为地 根据工艺或外晃条件的变化来改变变频器的频率值，以达到调速目的系统主要由四部分组 成：1 ) 控制对象；2 ) 变频调速器：3 ) 压力测量变送器( p 1 ) ；4 ) 调节器( p ) 。 系统的控制过程为：由压力测量变送器将水管出口压力测出，并转换成与之相对应的 和2 0 m a 标准电信号，送到调节器与工艺所需的控制指标进行比较，得出偏差。其偏差值 由调节器按预先规定的调节规律进行运算得出调节信号，该信号直接送到变频调速器，从 而使变频器将输入为3 8 0 v 5 0 i z 的交流电变成输出为肌3 8 0 v 0 枷0 h z 连续可调电压与频 率的交流电，直接供给水泵电机。 采用变频调速进行节能的主要节能方式有：变频节能、功率因素补偿节能、软启动节 能等。 1 ) 变频节能 由流体力学可知，流量q 与转速n 的一次方成正比，压力h 与转速n 的平方成正比， 而p ( 功率) = q ( 流量) h ( 压力) ，则功率p 与转速n 的立方成正比。如果水泵的效率一定， 当要求调节流量下降时，转速n 可成比例的下降，而此时轴输出功率p 则以立方关系下降。 即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。 功率因数补偿节能 无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低，导致电网有功功 率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，由公式p = s c o s o ，q = s x s 矾，其中s 一视在功率，p 一有功功率，q 一无功功率，c o s * - 功率 因数，可知c o s o 越大，有功功率p 越大，普通水泵电机的功率因数在0 6 加7 之间，使 用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，c o s * - 1 ，从而减少了无功损耗， 增加了电网的有功功率。 3 1 软启动节能 由于电机为直接启动或i d 启动，启动电流等于和7 倍额定电流，这样会对机电设备 和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动 时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后， 利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电 网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。 但) 串级调速 串级调速由调速装置等效地在电机转子回路中串入等效电势，通过改变装置中逆变器 的逆变角来改变等效电势大小实现转速调节，同时将转子的转差功率反馈回电网而达到高 效调速节能的目的1 4 n 。串级调速具有以控制低电压进而控制高压电机，以控n d , 功率进而 控制大功率电机且系统结构简单，节电率高的特点，对于需要低同步转速调速( 额定转速下 武汉科技大学硕士学位论文 第l l 页 调) 的水泵和风机特别适合。尤其对高压大容量电机更有技术实现容易和经济效益好的优 势。 ( 3 ) 斩波内馈调速技术1 4 2 1 内馈调速是根据功率控制调速理论创建的新型交流调速系统，通过将转子的部分功率 ( 即电转差功率) 移出来，以电能的形式反馈给电机定子上安装的内馈绕组，来实现的功率 控制。转子反馈给内馈绕组的功率越多，电动机的机械功率越少，转速就越低；反之，转 子反馈给内馈绕组的功率越少，电动机的机械功率越多，转速就越高。 与变频调速相比，内馈调速采用的是转子控制，因此避开了定子控制的高压问题。两 者同属于高效率的电磁功率控制。目前，内馈调速在国内得到较为广泛的应用，沈阳砂山 水厂采用内馈调速，节能效果明显，一年便收回投资。 3 提高水泵的效率，实现节能 传统的送水泵选型方法仅是以管网最不利工况点作为水泵的设计流量和设计扬程进 行选泵，致使水泵长时间偏离高效段运行，造成电能极大的浪费。所以，在老水厂的改造 中，水泵的节能改造是重头戏，其中，叶轮切削改造技术是水泵节能改造技术中最简便可 行，最有效的一种方法，在水厂的改造中得以广泛应用。在水厂的改造中，无论是水泵选 型，还是实施叶轮切削改造，均应根据供水管网的实际所需，以管网用水的平均流量、平 均压力作为水泵的设计流量和设计扬程进行选泵或叶轮切削计算，同时兼顾大小流量两个 工况点均处于水泵的高效区间内。这样，通过改造，水泵的实际运行效率将大大提高，降 低能耗，具有显著的经济效益，实为供水企业节能增效的重要举措。 ( 1 ) 叶轮切削 水泵叶轮切削技术：切削叶轮就是把水泵叶轮的外径切削的小一些，切削后水泵的性 能特征曲线随之变化。根据需要计算切削量，使切削后水泵性能更符合运行的要求。实践 证明1 4 3 i ：在一定条件下，叶轮经过切削后，其性能参数的变化与切削前后轮径间存在式2 2 所示的关系： 罟一罟，吾= c 虽) 2 等= g ，3 ( 2 - 2 ) 其中q 。、d t 、”、n 1 分别为切削后的水泵流量、叶轮直径、扬程、轴功率： q 、d 、h 、n 分别为切削前的水泵流量、叶轮直径、扬程、轴功率。 如果叶轮的切削量控制在一定限度内时，则切削前后水泵相应的效率可视为不变。此 切削限量与水泵的比转数有关，比转数计算公式见式2 3 。表2 - 2 列出了常用的叶轮切削限 量。 表2 - 2叶轮切削限量 比转数n 。 6 01 2 02 0 03 0 03 5 03 5 0 以上 最大允许切削量( ) 2 01 51 1 9 7o 每切削1 0 ，效每切削4 ，效率下 效率下降值 率下降1 降1 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 甩，3 6 i 5 而n x - q ( 2 - 3 ) 以。1 ，r 式中：n 广比转数 n 一转速( r m i n ) h 一扬程( m ) o - - - 流：i ( m 3 h ) 。 叶轮切削量分析：根据水厂生产实际需求，要水泵在b 点工作，流量为q b ，扬程为 h b ，b 点位于该泵的( q 哪曲线的下方，如图2 - 1 所示。使用切削方法，使水泵的新特性 曲线通过b 点。 【j 、 泼川一 倚 o - h ( d i | 7 、。7 一h7 ( d7 ： 忒 h = 咿 u 图2 1 叶轮切削曲线图 由切削律争一参一k 得h = k q 2 ( 即切削抛物线方程) 将b 点的q b 、h b ，代入切削抛物线方程，求出l ( d 值； 绘切削抛物线曲线，与( q 聊曲线交于a 点( q ，h a ) ，由(