（市政工程专业论文）城市给水系统能耗分析与节能技术研究(1).pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重迭盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：7 云彳歹签字日期：彻厂年牛月扣日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重鏖盔堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属子， 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名： 骷茗9 导师签名： 签字日期：忉年年月；口日签字日期：? 一口厂年弘月f 田日 中文摘要 摘要 城市给水处理厂是城市供水系统的核心部分，是关系到城市生存和发展重要的 基础设施。在这个系统的运行过程中，能量消耗大是它重要的特征，如何找出该系 统中哪些能耗是有效的，哪些是不可避免的，从而有针对性的提出节能方法，指导 工程实践，这对于水厂节能工作的开展具有重要的意义。 本研究以热力学分析为基础，结合水厂各处理单元的工作机理，建立了各处理 单元以及整个水厂的能量平衡分析模型，提出了能效评价的方法，并结合工程实例， 对取水泵站、水处理单元、送水泵站整个系统进行了能耗分析与应用研究。主要工 作和结论如下： ( 1 ) 本文列举了四座典型城市给水处理厂的能耗状况，并用图表对各处理单元 的实际能耗进行了分析：对各处理单元中不同构筑物的能耗进行了比较，从节能的 角度推荐了值得采用的构筑物型式。 ( 2 ) 结合絮凝过程的微涡旋理论，提出了絮凝池斓分析模型，根据此模型可对 絮凝池能量的输入情况进行分析和评价。本文提出的絮凝池胴效率计算公式，可作 为衡量絮凝池能耗的指标。j 甩效率越高，则能量的利用率越高。桶效率计算公式： 炯效率n 。= e 有馥，e 辘 = ( g 有效g 输 ) 2 ( 3 ) 通过对滤池过滤过程的分析研究，提出了过滤过程的炯分析模型，并在此 基础上进行了滤池过滤的优化研究；对反冲洗过程，也提出了垌分析模型，并结合 实例对气水反冲洗滤池和单纯水冲洗滤池进行了冲洗能耗的对比分析。 ( 4 ) 通过分析取水泵站的特点，提出了能量分析模型，并用该模型对涪陵第二 水厂的取水泵站在改造前、泵组切削叶轮后和变频调速改造后分别进行了能耗计算 和分析，从而为老取水泵站的节能改造和新建取水泵站的优化设计提供了方法。 ( 5 ) 在对送水泵站能耗的分析中，提出了送水泵站的能量分析模型，分析了用 水量变化系数和泵站能耗之间的关系，提出了大、小泵搭配的改进选泵方法。对送 水泵站中采用变频调速的几个关键技术问题进行了分析，并结合实例对送水泵站节 能改造前后的能耗情况进行了分析比较，从而为老送水泵站的节能改造和新建送水 泵站的优化设计提供了方法。 ( 6 ) 对整个水厂建立了煽平衡分析的灰箱模型，用此模型可以确定各处理单 元及整体的娴损失及其分布，找出能量损失的原因，为老水厂的节能改造和新建水 厂的优化设计提供方法。在整个水厂进行能耗分析的过程中，应用全局优化的观点 建模，并进行了遂宁市第二水厂节能改造的实例研究，该水厂一年多的运行结果表明， 水厂节能改造后比改造前节省电耗约2 0 ，节能效果明显。 重庆大学顶+ 学位论文 关键词：城市给水处理厂，泵站，能量分析模型，炯效率，能耗，节能技术。 英文摘要 a b s t r a c t u r b a nw a t e rt r e a t m e n tp l a n ti st h ei m p o r t a n tp a r to fu r b a nw a t e rs u p p l ys y s t e ma n d i sa l s oai m p o r t a n ti n f r a s t m c t u r er e l a t e dt ou r b a ns u b s i s t e n c ea n dd e v e l o p m e n t h i g h e n e r g yc o n s u m p t i o ni st h em o s ti m p o r t a n tc h a r a c t e ri nt h eo p e r a t i o no ft h i ss y s t e m s o h o wt of i n do u tw h a tk i n do fe n e r g yc o n s u m p t i o ni se f f e c t i v ea n dw h a tk i n do fe n e r g y c o n s u m p t i o ni su n a v o i d a b l e ，a c c o r d i n g l yp u tf o r w a r ds o m ee n e r g ys a v i n gm e t h o da n d g u i d ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e a l lo ft h ew o r kh a v ei m p o r t a n tm e a n i n gf o re n e r g ys a v i n g d e v e l o p m e n ti nw a t e rp l a n t b a s e do ne s s e n t i a lp r i n c i p l e so ft h e r m o d y n a r n i c a la n a l y s i s ，t h i sr e s e a r c hi n t e g r a t e w o r k i n gm e c h a n i s mo fv a r i o u st r e a t m e n tu n i t si nw a t e rp l a n t t h e o r e t i ce n e r g y b a l a n c i n g a n a l y t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e df o rv a r i o u st r e a t m e n tu n i t sa n dt h ew h o l ep l a n t , e v a l u a t i n g a p p r o a c hf o re n e r g ye f f i c i e n c y o fw a t e rt r e a t m e n tp l a n ti s b r o u g h tf o r w a r d a si s i n s t a n c e db ya c t u a le n g i n e e r i n g ，t h i sr e s e a r c ha n a l y s e se n e r g yc o n s u m p t i o nf o rw a t e r i n t a k ep u m ps t a t i o n ，w a t e rt r e a t m e n tu n i t s ，d e l i v e r i n gw a t e rp u m ps t a t i o na n dt h ew h o l e p l a n t d e t a i l e dw o r ka n dm a j o rc o n c l u s i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) e n e r g yc o n s u m p t i o n & f o u rt y p i c a lu r b a nw a t e rt r e a t m e n tp l a n ti sa n a l y s e di n v i r t u eo fc h a r t e n e r g yc o n s u m p t i o no fv a r i o u sc o m p o n e n t si nt h et r e a t m e n tu n i t si s c o m p a r e d f r o me n e r g ys a v i n gv i e w ，t h ec o m p o n e n t st y p ei sr e c o m m e n d e d ( 2 ) a c c o r d i n g t ot h et h e o r yo f t i n ge d d y t h ee n e r g ya n a l y s i sm o d e lf o rf l o c c u l a t i n g t a n ki sg i v e ni nt h ep a p e r b a s e do nt h i sm o d e l ，t h ee n e r g yi n p u tf o rf l o c c u l a t i n gt a n kc a n b ea n a l y s e da n de v a l u a t e d t h ee n e r g ye f f i c i e n c yt h a ti sp u tf o r w a r db yt h i sp a p e rc o i lb e u s e dt os c a l ee n e r g yc o n s u m p t i o no f t h ef l o c c u l a t i n gt a n k t h eh i g h e re n e r g ye f f i c i e n c y ， t h eh i g h e re n e r g yu s i n gi n d e x t h ee n e r g ye f f i c i e n c yf o r m u l ai s ： e n e r g ye f f i c i e n c y r le 2 e e 位c t e e i n p u c 5 ( ge f f e c t i v e g i n p u t ) 2 ( 3 ) i nv i r t u eo fa n a l y t i cr e s e a r c ho nf i l t e r ，e n e r g ya n a l y s i sm o d e lf o rf i l t e r i sp u t f o r w a r d f u r t h e r , t h eo p t i m i z a t i o no f f i l t e ri sc a r r i e do u t f o rb a c k w a s h i n gp r o c e s so f f i l t e r ， e n e r g ya n a l y s i sm o d e li sp u tf o r w a r d t h ec o m p a r i s i o na n a l y s i so fe n e r g yc o n s u m p t i o n b e t w e e na i r - w a t e rb a c k w a s h i n gp r o c e s sa n ds i n g l ew a t e rb a c k w a s h i n gp r o c e s si sf i n i s h e d ( 4 ) i nv i r t u eo f a n a l y t i cr e s e a r c ho i lc h a r a c t e r i s t i co f w a t e ri n t a k e p u m ps t a t i o n ， e n e r g ya n a l y s i sm o d e lf o rw a t e ri n t a k ep u m ps t a t i o ni sp u tf o r w a r d t h i sm o d e li su s e dt o c a l c u l a t ea n da n a l y s ee n e r g yc o n s u m p t i o nf o rb e f o r ea l t e r a t i o n ，a f t e re x c h a n g i n gi m p e l l e r a n da f t e ra d j u s t i n gs p e e dc o m p a r a t i v e l y a c c o r d i n g l yt h em e t h o df o re n e r g y s a v i n g 重庆大学硕士学位论文 a l t e r a t i o no f o l dw a t e rp l a n ta n do p t i m i z a t i o nd e s i g no f n e ww a t e rp l a n ti sp u tf o r w a r d ( 5 ) i nv i r t u eo f a n a l y t i cr e s e a r c ho nd e l i v e r i n gw a t e rp u m ps t a t i o n e n e r g ya n a l y s i s m o d e lf o rd e l i v e r i n gw a t e rp u m ps t a t i o ni sp u tf o r w a r d t h er e l a t i o nb e t w e e nv a r i e d c o e f f i c i e n to fw a t e rq u a n t i t ya n de n e r g yc o n s u m p t i o ni sa n a l y s e d m e n d i n gm e t h o df o r c h o o s i n gp u m pi sp u tf o r w a r d s e v e r a lp i v o t a lt e c h n i cp r o b l e mo na d j u s t i n gs p e e d i s a n a l y s e d f u r t h e r w ea n a l y s ee n e r g yc o n s u m p t i o n f o rb e f o r e o p t i m i z a t i o n a r e r o p t i m i z a t i o nc o m p a r a t i v e l y a c c o r d i n g l yt h em e t h o df o re n e r g ys a v i n ga l t e r a t i o no fo l d w a t e rp l a n ta n do p t i m i z a t i o nd e s i g no f n e ww a t e rp l a n ti sp u tf o r w a r d ( 6 ) g r a y b o xm o d e lf o re n e r g yb a l a n c ea n a l y s i si nw h o l ew a t e rs u p p l yt r e a t m e n t p l a n ti sp u tf o r w a r d i nv i r t u eo f t h i sm o d e l ，e n e r g yl o s sf o rv a r i o u st r e a t m e n tu n i t sa n dt h e w h o l ep l a n tc a nb ea s c e r t a i n e d ，t h er e a s o nf o re n e r g yl o s sc a nb ef o u n do u t a c c o r d i n g l y t h em e t h o df o re n e r g ys a v i n ga l t e r a t i o no f o l dw a t e rp l a n ta n do p t i m i z a t i o nd e s i g no f n e w w a t e rp l a n ti sp u tf o r w a r d nv i r t u eo fw h o l ec o n s i d e r a t i o na n dp r o d u c i n gt e s t ，e x a m p l e r e s e a r c ho n2 t hw a t e rt r e a t m e n tp l a n ti ns u i n i n gc i t yi sc a r r i e do u t ，t h er e s u l ti n d i c a t et h a t e l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o na f t e ra l t e r a t i o nr e d u c e sa b o u t2 0p e r c e n tt h a nb e f o r e a l t e r a t i o n t h ee f f e c to fe n e r g ys a v i n gi se v i d e n t k e y w o r d s ：u r b a nw a t e rt r e a t m e n tp l a n t ，p u m ps t a t i o n ，e n e r g yb a l a n c ea n a l y t i cm o d e l ， e n e r g ye f f i c i e n c y ，e n e r g yc o n s u m p t i o n ，e n e r g ys a v i n gt e c h n o l o g y 1 绪论 1绪论 水是一种有限且不可替代的基础性资源，它直接影响生产力的发展和城市的 兴衰，因此受到世界各国的高度重视。而城市供水设施是城市建设与发展的重要 基础设施之一。 1 1 我国城市供水发展的现状和主要问题 我国的城市供水工程始于1 9 世纪7 0 年代，自1 8 7 9 年旅顺引泉供水，1 8 8 3 年 上海杨树浦水厂投产，至1 9 4 9 年，中国供水事业发展缓慢。至1 9 4 9 年为止，我 国只有7 2 个城市约9 0 0 万人喝上自来水，日供水能力仅2 4 0 万m 3 , 管道长度仅 6 5 8 9 k m 。1 9 4 9 年后，特别是在2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代大发展时期，供水事业 得到蓬勃发展和提高【l 】。尤其是近几年，随着中央政府对基础设施投资的进一步加 大，我国的城市供水出现了建设面大、规模大、工艺新、速度快的特点，但由于 历史的原因，城市供水发展中显现出的一些问题值得认真分析和思考哪口l 。 1 1 1 城市供水发展现状 首先从中国城市供水能力看，根据近年的统计数字：2 0 0 2 年，中国城市自来 水生产能力2 ，3 5 x1 0 4 万删，年末管道长度为3 1 2 1 0 5 k m 【4 】城市供水能力已是 最高日供水量的1 2 8 倍，人均目生活用水量为2 1 3 l 从d ，比1 9 9 0 的1 7 5 ，7l 从d 增长了2 2 。 我国城市综合人均日用水量( 包括城市生产和生活用水等) 自1 9 9 0 年至1 9 9 8 年 从6 7 1 o l 降至5 5 6 3 l ，下降了1 7 1 。但仍为欧洲1 5 国1 9 9 1 年平均值的2 1 4 倍 f 2 】q 这充分说明，我国城市节约用水还有很大潜力，特别是工业生产用水和其它公 共用水。 1 1 2 城市供水水质有待进一步提高 中国城镇供水协会统计资料表明【2 1 ，纳) , , 1 9 9 8 年供水水质有效统计的5 3 8 个城 市中，管网水浊度、细菌、余氯和大肠杆菌水质综合合格率超过9 9 的城市3 5 7 个； 合格率在9 5 9 9 的城市1 6 7 个；小于9 5 的城市1 4 个。不同水质综合合格率城 市占统计城市数的百分比见图1 1 。 重庆大学颂士学位论文 图1 1 我国水质合格率城市的比率分布 f i g1 1t h eu r b a np r o p o t i o n so fe g li g i b l er a t eo fw a t e r q u a l i t yi nc h i n a 我国目前许多城市的自来水厂是2 0 世纪7 0 9 0 年代修建的，但现在仍在继续使 用，由于当时的设计标准偏低，水厂对出水水质要求不高，很难满足目前新的生活 饮用水水质标准，而且运行成本高，电耗高，因此急需从提高水质和降低运行成本两 方面进行技术改造。特别是在当今社会，经济不断发展，有毒、有害污染物种类不 断增加，水质检测手段不断提高，人们对身体健康越来越重视的情况下，进一步 提高城市饮用水水质和降低运行成本就成了城市供水行业面i 临的重要任务之一。 1 1 3 我国城市供水漏损控制有待提高 根据统计资料计算【2 j ，1 9 9 5 年我国不同供水规模城市其管长比漏损量的分类统 计结果见图1 2 。 图1 2 表明，管长比漏损量有随着城市供水规模增加而增加的趋势。 国际供水协会对世界各国2 5 个城市管长比漏损量平均统计结果见图13 i2 1 。 一j 堕堡 图1 3 表明，西欧、北欧和南欧国家供水管长比漏损量最低，仅为 o 5 0 0 6 0 m 3 ( h n h ) ；亚洲地区最高，平均为3 7 5 m 3 ( 枷厅) ；世界城市平均值为 1 3 m 3 ( 枷h ) 。根据建设部1 9 9 7 年有关统计资料计算圈，我国平均管长比漏损量为 1 9 3 m3 ( m h ) ：为世界平均值的1 5 倍，为欧洲一些国家的4 倍。 上述这些统计数字表明，我国城市供水漏损量有待采取措施予以改善。 1 1 4 供水企业经营成本高 统计表明【2 】，我国供水企业中亏损企业占的比例在1 9 8 6 年仅4 ；到1 9 9 0 年， 上升到1 6 ，1 9 9 7 年竞达到3 2 。究其原因，除了水价和管理等因素外，运行成 本过高是一个主要的原因。建设部颁布的我国城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发 展规划【】的核心内容是“二提高，三降低”，其中的“三降低”，把降低能耗放在 了首位，足见其重要性。建设部在我国城市供水行业2 0 1 0 年技术进步发展规划【6 】 中再次明确提出：供水企业技术进步的核心是积极采取实用的先进技术与经验， 以较低的投资和运行成本，有效地完成提高水质和保证供水的要求。在供水企业 的成本中，电耗一般占4 0 - - 7 0 ，且每年呈递增趋势( 见图1 4 和图1 5 ) 。因此 降低能耗是提高企业经济效益的重要环节。 重庆大学硕士学位论文 1 2 我国能源及城市供水系统能耗概况 在过去2 0 年里我国能源消费量已翻了一番1 8 1 ，2 0 0 3 年全国能源消费 量为1 6 8 亿吨标准煤，占世界能源消费总量的1 1 3 ，目前已是世界第二 大能源消费国。到2 0 15 年，我国能源消费量将达到2 1 7 亿吨标准煤，是 现在能源消费量的1 3 倍；因此，中国未来能源供需的缺口将越来越大， 在采用先进技术、推进节能、加速可再生能源开发利用以及依靠市场力量 优化资源配置的条件下，2 0 1 0 年仍然缺能约8 ，到2 0 4 0 年将短缺2 4 左右悼1 。国民经济的发展和人民生活水平的提高都只能走高效利用能源的 节能之路。 我国节能潜力巨大。一是产品能耗高。中国主要用能产品的单位产品 能耗比发达国家高2 5 9 0 ，二是产值能耗高。中国产值能耗是世界 上最高的国家之一。产值能耗高即单位能耗创产值低，根据2 0 0 1 年的数 据表明【8 】，我国创造每万美元g d p 所消耗的能源为7 2 4 t 标准油，而能源经 济效率最高的同本为1 ，3 1 t 标准油，美国为2 3 3 t 标准油，韩国为5 4 4 t 标 1 绪论 准油，印度为6 0 5 t 标准油，德国为1 4 6 t 标准油，世界平均值为4 3 0 t 标 准油。经测算，通过产业结构调整、产品结构调整、降低高能耗行业的比 重、增加高附加值产品的比重以及居民生活用能优质化等措施，近期国民 经济产值能耗节能潜力达3 亿吨标准煤左右。因此我国“十五”期间总的 节能潜力约为4 亿吨标准煤，2 0 1 5 年我国节能潜力约为9 亿吨标准煤。 供水系统是城市的耗能大户，在整个给水工程的用电量中，9 0 以上的电量是 用来维持水泵的运转。就一般的城市水厂而言，泵站消耗的电费通常占自来水成本 的4 0 7 0 ；就全国水泵机组的电能消耗而言，它占全国电能总耗的2 0 以上 9 1 。在 美国每年生产出的电约有7 被给水厂消耗掉了【l0 j ：以1 9 9 8 年计，我国自来水生 产和供应业总共消耗了5 4 1 7 3 万t 标准煤【l ”，我国供水系统的电耗均值约为o ，4 0 k w h m 3 ；而同一时期美国供水管理机构( a w s ) “z j 对其下属的1 0 0 家水厂的调查 表明，美国供水系统的电耗均值约为o 5 0k w b j m 3 , 具体分布见表1 1 ： 表1 1 水厂单耗分布情况 t a b l e1 1 s p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o n o f w a t e r tp l a n t s i n a w s i 水厂数( 个) 3 0 5 51 5 i 比能耗( k w h m 3 ) o 0 8 o3 90 3 9 - 4 ) 8 1 0 8 1 1 1 9 从比能耗上看，我国与美国供水系统相差不大，但美国的给水处理基本上均 采用深度处理，且水厂污泥全部进行了脱水处理：而我国绝大部分水厂都未对污泥 进行处理，这说明我国供水行业在节能方面存在着较大的潜力。 对北京水源八厂的成本核算调查见图1 6 m 1 ，图中动力费用占6 5 6 。因此， 我国给水厂，尤其是工艺较为陈旧的老厂，能耗较大，运行成本高，节能问题十 分突出。 图l6 北京水源八厂单位制水成本分配 f i g 1 6t y p i c a le x p e n s e sp r o p o t i o n s o fe i g h t hw a t e rp t a n ti n b e i j i n g 重庆大学硕士学位论文 综上所述，现有的城市供水系统普遍存在着供水可靠性差，能耗高，运行成 本高的问题，这严重影响了城市和供水行业的发展。进入2 l 世纪后，随着国民经 济快速发展和城镇化的进程，人民生活水平将会有大的飞跃，这将促使给水行业 n a - 步发n ，给水行业对电能的需求将会增大。因此，研究和探索城市给水厂 节能技术及其工程途径具有重要的现实意义。 1 3 国内外研究现状 目前国内外对城市给水厂能耗的研究基本上都集中在泵站工程方面，而对给 水处理方面的能耗研究相对较少。从总的来看，对水厂能耗方面的研究大大落后 于与工艺相关的机理和运用的研究。其原因可能是对于水处理过程中的能耗分析 涉及化学热力学，物理化学，能源工程学及水处理工艺学，属多学科的综合和交 叉加之水处理工艺系统的复杂多样，水质随不同地域和季节的动态变化大，因此 对其相应理论的建构存在一定的难度。此外，由于在选择工艺系统时，与水质有 关的处理效率通常是设计者考虑最多的关键因素，而与能耗相关的运行费用只是 作为一般因素来对待。 1 3 1 泵站的能耗分析与优化 净水厂水泵机组所消耗的电能通常占水厂总耗电量的9 0 以上，由于各种条 件的限制，我国泵站工程普遍存在效率不高，能源单耗大，制水成本高等问题， 致使泵站工作效益较低，因此进行能耗方面的研究意义较大。国内外对泵站系统优 化运行主要通过两条途径：一是对泵站进行工艺优化，其实质就是水泵的优选，通 过优化后提高泵站机泵效率，达到节能目的；另一途径是对泵站进行运行优化调 度，其实质是在城市用水量和供水量发生变化的情况下，使泵站运行始终处于较 优的工作状态，以达到节能目的。 ( 1 ) 泵站工艺优化 国外水泵优选方法包括启发式方法，如采用高效的水泵组合方式或是用储水 池来削弱高峰流量对泵站的冲击性，进行这类研究的有c h a o ( 1 9 7 9 ) 和j a c o b s ( 1 9 8 0 ) 等i l ”。还有更严谨的方法：用数学方法优化选择水泵。如l i n d e l le o r m s b e e ( 1 9 9 4 ) 的动态规划算法d g ( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) 【14 1 。 c h e n ( 1 9 8 8 ) 认为，在没有水塔的供水系统中，动态规划算法d g ( d y n a m i c p r o g r a m m i n g ) 适用于选出可以提供最优连续流量的水泵，而l i t t l e 和 m c c r o f d d e n ( 1 9 8 9 ) 贝1 发展出一种d g 算法来选择水泵最优组合。这一算法的e l 标函 数中既包括能耗项，也包括高峰流量项。 t i m o t h yd h i r r e l ( 1 9 8 9 ) ”5 j 提出利用图解法进行水泵的优选，该法在考虑用水 量变化的基础上确定水泵的流量和扬程，但它不适合于复杂泵站。 1 绪论 b u l a n i c k i 和j r r a n c e ( 1 9 9 3 ) 等人用多个约束条件来选择水泵。每一个约束条 件都对选泵进行一次筛选，只有符合所有约束条件的水泵，才被列入优选结果f 1 6 】。 这种方法被称为优化枚举法。该法也可以找到全域最优解，但是计算时间太长。 国内学者采用的选泵方法主要是整数规划法和图解法。整数规划法是将流 量时间曲线分成不同的供水阶段。用枚举法为每一阶段选适合的泵，再将各阶 段的水泵型号可能的情况进行排列组合，列出所有可能方案，再比较这些方案的 年费用值，年费用值最小的就是最优解。该法计算量太大，所有方案都要计算年 费用值。图解法是根据系统特性曲线和水泵的特性曲线，找到高效段符合系统水 量水压的水泵。这种方法的优点是计算简单，容易理解，很方便，但仅适用于简 单泵站的水泵选取。 ( 2 ) 泵站工程的优化调度 国外采用的水泵优化调度方法比较多。d r e i z i n 等人于1 9 7 1 年提出了动态规划 算法d g ( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) ，后来发展出来的泵站实时运行算法大都是该方法 的应用。例如：s t e r l i n g 和c o u l b e e k ( 1 9 7 5 ) d e m o y e r 和h o r w i t z ( 1 9 7 5 ) 、s a b e t 和 h e l w e g ( 1 9 8 5 ) 都曾经用d g 法来构造算法，应用于相对简单的系统；而c a r p e n t i e r 和 c o h e n ( 1 9 8 4 ) z e s s l e r ( 1 9 8 4 ) 贝1 将实时控制策略应用于较复杂的系统。还有用离散 的最优化算法降低水泵运行费用的，例如h o l l a n d ( 1 9 7 5 ) 、g o l d b e r g ( 1 9 8 9 ) w a n g ( 1 9 9 1 ) 等人( 1 9 9 4 ) 所采用的基因算法( g a ) ，d o u g h e r t y 和m a r r y o t t ( 1 9 9 1 、1 9 9 3 ) 等人( 1 9 9 2 ) i 入的煺火算法。a ，b as a k a r y a ( 2 0 0 2 ) 在优化运行中还考虑了水质的影 响。这些研究者们将新的算法运用于大城市复杂供水泵站的优化。这些算法虽然 适用范围广，但由于所需要的计算时间太长，不适于在线控制的实际应用。 s p e z e s h k 等人( 1 9 9 6 ) 提出了适合在线控制的方法：适应性搜索最优化方法 a s a ( a d a p t i v es e a r c ha l g o r i t h m ) 。a s a 通过用系统特性系数搜寻全域最优解获得次 优起始状态的方法来缩短求解时间。每一次循环都将泵和管道特性系数更新一次， 而且加入一系列新的最优泵，从而产生一个新的更高效的泵组合形式。这一方法 的一个主要优点是，可以实时求解；可以处理大型的、复杂的系统；而且便于使 用，因这一切都由程序来完成。该方法的缺点是不能产生全域晟优解，因为目标 函数是非凸结构的。 p a u lwj o w i t t 等人( 1 9 8 9 ) 将线性规划运用于制定水泵2 4 小时内的最优运行时 间安排。将所有水泵的耗电量设为各台水泵的运行时间、水量、扬程的线性函数， 系统的特性系数、各水泵的极限流量、扬程作为约束条件，求函数的最小值。k e i t h wl i a l e 和b r i a nj m c c m d d e n 在此基础上发展了混合整数线性规划法 m i l p ( m i x e d i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ) 。他们建立了个相应于使用时问安排 t o u ( t i m eo f u s e ) 的最优化模型。模型的目标函数是规定每一种泵或泵组合的运行 重庆火学硕：i 学位论文 小时数，使得总的能量消耗( 其中包括商业能源，需要性消耗以及发电机运行消耗) 最小。模型的约束条件是满足供水系统的平均，最大、最小需水量以及相应扬程 要求。 国内的运行优化方法有动态规划法、非线性规划法和线性规划法等。动态规 划法需要将状态变量离散化。离散点越多，精度越高，但是计算时间越长。由于 水泵的特性曲线成线性，所以用非线性规划较难实现，而且难得到全局最优解。 综合国内外研究情况可知，泵站优化调度属于经济运行问题，通常采用等微 增率法和动态规划法求解。等微增率法是一种传统的优化方法，通常要求优化问 题的目标函数具有连续性，可微性和单峰性，但它仅给出最优化问题的必要条件， 并且在泵站机组特性曲线较复杂、机组台数较多的情况下，其求解往往很困难。 动态规划法用于泵站优化调度的优点是它可以针对实际运行中工况时刻变化的特 点，进行分阶段作出决策，从而使整个过程达到最好的活动效果。但它需要在各 机组的所有抽水范围内一一比较，才能求得最优策略，许多不可能是最优策略的 机组组合也要计算，这就大大增加了工作量，国内外学者已提出了不少方法进行 改进，如离散微分动态规划方法( d d d p ) 1 引，逐步优化算法( p o a ) i l9 1 ，动态规划法 逐次渐进法( d p s a ) 1 2 0 1 等。但这些扩展方法也有缺点，如很难保证收敛到全局最优 解。由于给水处理厂泵站系统能量定量方法明确，因此优化方法丰富，也说明泵 站系统的节能方法并不单一，应根据实际情况进行。笔者认为，将能量工程的分 析方法引入该研究领域非常必要。 l3 2 给水处理厂能耗的审计与管理 国外学者对给水厂能耗管理作了大量研究。美国t h o m a smw a l s k i 2 1 】提出水厂 的能量优化可能和其它工况的要求冲突，这些工况包括( 1 ) 满足用户用水的需求。 ( 2 ) 事故时用水的要求。比如火灾或因为泵站不能运转而导致供水中断等。在储水 池中的水量不宜过大，也不宜过小。储水量太大会增加建设投资费用，并且造成泵站 能量浪费；反之，则会降低事故时水量保证的可靠度。因此既要减少能量浪费，又要保 证可靠度。( 3 ) 水质的保证。主要是指水池中的水和管网中的水要保证流动状态， 以避免水质恶化。 能耗调查研究是节能途径和手段的基础。在这方面，美国的h a r i s h a r o r a 2 2 1 受a w s ( a m e r i c a n w a t e rs y s t e m ) 管理机构的委托，对其下属的约1 0 0 个水厂进行了 能量调查和审计。他们对各水厂采用的节能措施( 包括对多水源水厂供水系统进行 规划，改进管理，更换机泵，安装节能灯，安装变频驱动器，安装高效电机，在 用水低峰期使用备用电机等) 进行调查。计算了每项措施的节能量，每年节约的费 用，该项措施的一次性投资，偿还期等，并最终评价出该项措施的经济性。这样 可推断出整个a w s 的能耗和节能水平。并以此作为可靠的基础数据，指导水厂的 节能技术改造。 为了便于管理，最终还需要建立一套易于水厂操作的能耗指标以便对水厂的 能耗水平进行评价。我困供水企业长期以来普遍实行的是k w h 千m 3 和k w h 千 i l l 3 - m p 两种指标1 2 ”，经过多年的运行，暴露出诸多弊端。在新指标研究方面，美 国的t p e l l ia n dh u h i t z l 2 4 提出了结构性指标和质量指标来评价供水系统的能耗。 结构性指标用于评价用户的空间分布和水源位置对总能耗的影响。质量指标用于 评价供水系统的效率( 泵的效率，高位水池的位置和管网中的漏损) 对总能耗的影响 等。 1 3 3 给水处理过程中的能耗分析 迄今为止，国内外对城市给水处理能耗的系统研究很有限，这一领域的进展 滞后于与水质特性相关的机理和应用研究。纵观近1 0 多年来国内外的进展，给水 处理的有关研究主要集中在处理厂工艺的优化方面。 钟淳昌【25 】分析了给水处理中的各种能耗。给水处理构筑物节能通常是节约水 头损失，故往往又与净水效果相关连：有时多一些水头损失，可以提高处理水质。 因此在这种情况下节能应该说是综合性的，而不能单纯看某一方面。他对净水厂 的各处理单元能耗的衡量方法作了分析，并从能量的观点分析了各反应处理设备 的能耗情况，提出了在不同情况下适宜采用的构筑物形式，同时提出了一些节能 措施。研究结果主要是根据经验得出的，研究重点在定性方面，但在定量分析和 理论研究方面尚待深入。 目前我国的中小水厂多数采用比较简单的水力混合方式，大规模的水厂常采用 机械搅拌混合装置f 2 “。水力混合装置无法随原水的变化而调节，当原水水质、处理 水量变化时，这些装置往往不能满足工艺处理要求，从而导致给水水质下降。欧、美、 日净水厂通常采用快速机械搅拌( g = 7 0 0 1 0 0 0 s i , t l m i n ) ，混合快速、均匀，且机械 搅拌能随原水水质、加药量和药剂种类的变化而作相应的调整。赵树君【2 ”用管式 微涡初级混台设备( 混合时间3 3 0 s ) 取代原混合效果欠佳的静态混合器；通过增大 g 值，提高水流中颗粒的碰撞和传质速率，使混合时间缩短而混合效率提高，使后续 絮凝设备能高效率运行，从而大幅降低处理出水的浊度，提高了单位设备的水处理 能力。 水处理中的絮凝是一个复杂的物理化学和流体力学作用过程。其效果由原水 水质、药剂投加和水力条件三因素所控制，当原水水质一定且药剂投加合理时， 决定因素则是絮凝池的水力条件。水力条件除受着水流边界条件制约外，主要是 输入水流的能耗分布情况。李镜明【2 8 】对机械絮凝池的工况进行了连续流模型试验， 并将试验结果归纳整理，然后在哈里斯絮凝动力学方程的基础上，提出了g 值分都 的数学模式及其应用方法。黄其龙等【2 9 j 以哈利斯( h a r r i s ) 的絮凝理论为基础，计及 重庆大学硕士学位论文 絮体的破碎，首先提出了絮凝池的残余浊度变化速度方程。并运用因次分析推导 出能耗分配的数学模型。并用高岭土配制的悬浊液进行了絮凝模型试验，其结果 经计算机模拟后表明：数学模型较好地反映了絮凝的耗能过程。武道吉等【j u j 在综 合前人的基础理论和研究成果的基础上，对比和分析了各种絮凝控制指标，提出 最佳絮凝控制指标为g 值，在此基础上阐述了絮凝工艺的设计、运行要点和主要参 数的选用。通过研究不难发现近年来国内外对高效絮凝的研究十分重视，而高效 絮凝的实现通常采用两种方法实现：一种是增加扰流装置以提高能耗的有效利用 率；另一种是把能耗合理地分配到反应池的各档中去。展望该研究领域，定量研 究絮凝过程有效能耗的分布，是指导高效絮凝池研究的方向。 我国给排水工作者曾对各类沉淀池与澄清池运行的电耗进行过比较i j ”。电机 驱动按实耗功率计算，水力形式的换算成所需水泵与电机功率，比较结果见表1 2 。 袁1 2 各种池型的电耗比较 t a b l e11e l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o nc o m p a r i s o nf o rv a r i e dp l a n t s 池型水量( 万水头损折算为功机电设备实耗 总功率 按万m 3 d 计算的总 m d 1 失( m )率( k w l功率( k w l ( k w ) 功率( k w ) 平流式沉6 00 4 039 0 03 9 0 0 ，6 5 淀池 加速澄清 1205 009 71 0 0 1 6 0i 9 7 1 6 3 2 1 4 池2 5 7 真空脉冲 3 005 82 8 427 2 4 4 855 6 1 8 6 2 4 4 澄清池73 2 斜管沉淀6 0o4 54 3 8o4 3 80 7 3 池 悬浮澄清1o0 7 011 4ol1 411 4 池 从表1 2 可知，平流式沉淀池消耗的动力最少，其次是斜管沉淀池，