摘要:文章主要讨论了自来水厂节能降耗的两个重要途径:水泵节泵和变压器的节能方法。
关键词:自来水厂;水泵;变压器节能降耗
自来水厂是城市企业用电的大户，也是耗能大户。自来水企业中，自来水的制水成本(不包括原水成本)，其中动力费用所占的比重较大，约50%左右，而电力消耗占整个供水能源消耗的95%以上。节能降耗，对建设资源节约型社会具有重要的推动作用，同时也是提高企业经济效益的有效措施，企业做好节能降耗工作意义重大。因此，如何降低电耗成了供水企业的重中之重。
一、水泵节能
近年来，由于城市的不断发展和供水量增加，供水管网改造很快。在传统的自来水厂设计中，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。在实际运行中，很多给水厂的水泵工作扬程下降，远离高效区运行，大大降低水泵效率，造成电能的大量浪费。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。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;另一种途径是叶轮切割改造。
(一)调速运行
调速运行时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。变频调速是调速技术中最好的一种，它是解决能耗问题的最好方法之一，并得以在国内一些水厂应用，取得了很好的经济效益。
根据交流电动机工作原理中的转速关系:
n=60f(1-s)/p
从公式中得出:均匀改变电动机定子绕组的电源频率，就可以平滑地改变电动机的同步转速。
又由流体力学可知:
P功率=Q流量×H压力
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，功率P与转速N的立方成正比，若水泵的效率一定，当要求的调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降，这样就达到了通过调速节能的目的。
例如:一台水泵电机功率为55kW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16kW，省电48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875kW，省电87.5%。
变频调速具有以下优点:(1)转差率小，转差损失小，效率可高达90%~95%以上;(2)实现平滑的无级调速，精度高，调速范围宽(0~100%)，频率变化范围大(0~50Hz);(3)起动转矩大(可达额定值的1.1倍)，实现软启动减轻启动电流的冲击;(4)提高电网侧功率因数;(5)变频器可采用高速度的16位CPU与专用的大规模集成电路配合，用软件实现V/5自动调整，具有与计算机可编程控制器联机控制的功能，容易实现生产过程的自动控制;(6)安装容易，调试方便，操作简单;(7)不仅适用于水泵，风机类负荷的节能调速，而且也适用于旧设备的改造，对改善工艺条件，提高产品质量都有其明显作用。
变频器调控主要针对装置实际运行负荷偏低、设备负荷过剩较大的情况，变频调速减小流量满足工况需求，节能效果非常明显。但变频调速设备造价较高，改造投入大，且调速设备的维修技术要求高，因此，变频调速技术在水厂的节能改造中推广尚有一定难度。
(二)叶轮切割改造
切割叶轮是针对装置少数运行不合适的泵进行改造，使其符合运行工况。其原理是根据需要的运行参数，计算切割量，经过切割改变叶轮的外径，使水泵特性曲线按要求发生变化，从而使水泵运行于与管网实际所需一致的高效区间内，达到节能的目的。
根据泵的切割定律:
Q1/Q2=D1/D2;H1/H2=(D1/D2)2;Pa1/Pa2=(D1/D2)3
公式中Q1、H1、Pa1为未切割外径D1时的流量、扬程和轴功率;Q2、H2、Pa2为切割后外径D2时的流量、扬程和轴功率。
由此可以看出，叶轮切割后，电流降低，泵的轴功率将降低，便达到了节约电力的目的。需要注意的是，切割定律只能用在需要降低流量、扬程和轴功率的场合。同时，叶轮外圆的切割一般不允许超过表规定的数值，以免泵的效率下降过多。叶轮的最大切割量与比转数间的关系见下表:
在和切割前相同流量的情况下泵的扬程降低，同时泵的效率会下降。一般小比转速的泵切割量(要求最大不超过20%)要比大比转速的多。
叶轮切割是改变水泵性能的一种简单易行的方法。目前，大多数自来水厂水泵配置不尽合理，不仅水泵特性曲线不吻合，而且水泵的扬程偏高，水泵难以发挥较高的效率。在工艺要求流量提高，泵的电流总超、跳闸，在扬程够用的情况下，切割泵的叶轮是最简单的方法。因此，叶轮切割改造在水厂的改造中应用较为广泛。
二、变压器节能
据统计，我国的发电总量的70%左右消耗在电动机上，风机、水泵消耗我国发电总量的40%左右。在自来水行业，变频器主要应用于取水泵房、送水泵房。变压器节能是指随着变压器设计技术和制造工艺的提高，不断生产出更低损耗的变压器，通过设备更新达到节能效果，具体体现为变压器空耗损耗、负载损耗的降低，即效率的提高。变频器除了可以节电，还可以平滑调节取水流量、送水压力，满足制水、供水工艺要求。变压器的主要损耗分为空载时的损耗和负载时的损耗。
(一)降低空载损耗
变压器损耗中的空载损耗，即铁损，主要发生在变压器铁芯叠片内，主要是因交变的磁力线通过铁芯产生磁滞及涡流而带来的损耗。在变压器的损耗中，铁损所占比重很高，而其中的空载损耗更为突出。为降低变压器的空载损耗，目前在设计变压器时采取的主要措施是改变变压器铁心结构和运用新的铁心材料。
1.更新铁心材料。最早用于变压器铁芯的材料是易于磁化和退磁的软熟铁，为了克服磁回路中由周期性磁化所产生的磁阻损失和铁芯由于受交变磁通切割而产生的涡流，变压器铁芯是由铁线束制成，而不是由整块铁构成。制作变压器铁芯的材料经历了由加入少量硅或铝的铁片到用0.35mm厚的硅钢片，再到现在较为先进的非晶态磁性材料，如2605Sc、2605S2。非晶合金铁芯变压器，具有低噪音、低损耗等特点，其空载损耗仅为常规产品的1/5，且全密封免维护，运行费用极低。
2.改变变压器铁芯结构。叠片式变压器铁心采用全斜无孔不叠上铁轭工艺，卷铁心结构则采用心柱为圆截面或接近圆截面结构。硅钢片用计算机控制下料尺寸，做成圆截面，并且用防渗碳技术对成型铁心进行退火处理工艺，以消除应力。S11是目前推广应用的低损耗变压器。S11型变压器卷铁心改变了传统的叠片式铁心结构。硅钢片连续卷制，铁心无接缝，大大减少了磁阻，空载电流减少了60～80。连续卷绕充分利用了硅钢片的取向性，空载损耗降低20～35。晶合金材质的铁心可采用长方形截面、上轭可打开的结构。
(二)降低变压器负载时的损耗
除了节约变压器空载时的损耗外，还可通过漏磁走向的控制降低变压器负载时的损耗。可采用新型绕组结构、新型导线。根据不同电压等级的绝缘水平采用新型绕组结构，并选用组合导线，如自粘型换位导线、带油道型换位导线。导线的材质选用无氧铜，并根据漏磁的大小来选择导线的尺寸。此外，通过在绕组上下端和箱壁上加装磁屏蔽结构，防止无效换位等手段可降低变压器负载时的杂散损耗。高温超导变压器用超导线材取代了现有的电磁线(铜导线或铝导线)，不仅能降低变压器的损耗，还可以改善整个电力系统的抗短路性能。
(三)调配变压器运行的最佳负荷率
变压器工作在最佳效率时的负荷率为0.5～0.61，如变压器运行在最佳负荷率以下，其效率随负荷率减小下降很快;从最佳负荷率至额定值，其效率缓慢下降至额定效率。变压器的最佳效率，应根据负荷的具体情况合理地配置变压器，对原配置不合理的变压器进行合理的调配，使变压器尽可能工作在最佳负荷率区间，从而提高变压器的运行效率，进而实现节能的目的。
(四)选用节能型变压器
选用节能变压器可以降低变压器空载损耗和负载损耗，提高效率。变压器的效率为输出的有功功率与输入有功率之比。变压器效率η为输出的有功功率与输入有功功率之比的百分数，即:
η=βS2Ncosψ2/βS2Ncosψ2+P0+β2Pf×100%
公式中:
S2N为二次侧额定容量;cosψ2为二次侧功率因数，一般取0.8;β为负载系数，β=I2/I2N;P0为空载损耗;Pf为负载损耗。
由公式可知，变压器负载运行时，空载损耗与β无关，为一恒定值，负载损耗与β2成正比，当β=P0/Pf时，η值最大，也即为最经济运行点。所以，选用更低损耗的变压器是实现变压器节能的重要途径。
三、结语
自来水厂作为用电大户从实际出发制定节能措施是非常必要的。自来水厂开展节能降耗和降低运行成本的工作，既是国民经济持续发展的需要，也是面向市场经济的必然举措。水泵和变压器的能耗占了自来水厂能耗(电)的大部分，根据各自来水厂的情况，对水泵采用变频调速器调速运行或进行叶轮切割改造等节能措施，同时，通过各种途径降低变压器的空载能耗和负载能耗，能大幅降低自来水的耗电量，达到节能降耗的效果。此外，我们还需要认识到，自来水厂节能是一个综合性课题，也需要综合的手段来开展节能工作，不断提高能源忧患意识和节能意识，形成人人讲节约、事事讲节约、处处讲节约的良好风尚。
参考文献
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