基于管網(wǎng)特征模型的水廠綜合節(jié)能設(shè)計(jì)與運(yùn)行.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-基于管網(wǎng)特征模型的水廠綜合節(jié)能設(shè)計(jì)與運(yùn)行張戎1游慶元1陳超明21惠州市自來水總公司2.南海市自來水公司桂城水廠摘要：提高現(xiàn)有供水管網(wǎng)運(yùn)行水平降低能耗及漏損，須依據(jù)供水管網(wǎng)SCADA數(shù)據(jù)建立管網(wǎng)特征摸型，基于此作水廠和管網(wǎng)運(yùn)行仿真，生成泵高效運(yùn)行曲線參數(shù)作CFD設(shè)計(jì)制造新葉輪依據(jù)，制造符合要求后換裝于原泵體內(nèi)。在供水泵站設(shè)置變頻器及控制系統(tǒng)，組成綜合節(jié)能技術(shù)在桂城水廠試運(yùn)行千噸水節(jié)電率7.62%。其中不合CFD設(shè)計(jì)要求的新葉輪重做達(dá)到要求后，可實(shí)現(xiàn)11%的節(jié)電率（仿真目標(biāo)值）。關(guān)鍵詞：管網(wǎng)特征曲線；SCADA；壓力預(yù)測(cè)控制；CFD設(shè)計(jì)；仿真；綜合節(jié)能；-水廠綜合節(jié)能主要有二個(gè)途徑：一是建立出廠壓力預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，依據(jù)流量預(yù)測(cè)設(shè)定出廠壓力并滿足管網(wǎng)所需水量壓力；二是建立描述水廠管網(wǎng)特征數(shù)學(xué)摸型，基于此仿真生成泵高效運(yùn)行曲線及參數(shù)1為CFD設(shè)計(jì)制造新葉輪提供依據(jù)，以提高泵運(yùn)行效率（通用泵包括高品質(zhì)泵未依據(jù)管網(wǎng)特征而設(shè)計(jì)，在水廠運(yùn)行效率并不高）。1基于管網(wǎng)運(yùn)行特征的水廠綜合節(jié)能系統(tǒng)綜合節(jié)能系統(tǒng)見圖1:由3部分組成：依據(jù)SCADA數(shù)據(jù)仿真生成控制模型和泵高效運(yùn)行曲線參數(shù)；CFD設(shè)計(jì)制造新葉輪；變頻器及控制系統(tǒng)。其中控制模型由5個(gè)子模型組成，見圖2.圖1水廠綜合節(jié)能系統(tǒng)圖2控制模型組成2綜合節(jié)能系統(tǒng)建模及應(yīng)用2007年9月綜合節(jié)能系統(tǒng)在南海市桂城水廠試運(yùn)行。南海市有兩座水廠向同一管網(wǎng)（700km2）供水：桂城水廠設(shè)計(jì)日供水量38104m3，最高日供水量46104m3，2006年供水泵房供水1.3108m3、用電2370104kWh，千噸水電耗182.3kWh，配水單位水量電耗3.68kw.h/Km3.m,小于建設(shè)部【1994】574號(hào)規(guī)定4.0kw.h/Km3.m，管理水平已較高；第二水廠一二期供水50104m3/d。管網(wǎng)56個(gè)測(cè)壓點(diǎn)每15min采集一次數(shù)據(jù)，SCADA數(shù)據(jù)齊全。2.1管網(wǎng)運(yùn)行特征曲線模型與出廠壓力預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)依據(jù)最近12個(gè)月SCADA數(shù)據(jù)，用混合遺傳算法建立管網(wǎng)運(yùn)行特征曲線描述出廠水量、出廠壓力、管網(wǎng)水頭損失三者之間最優(yōu)關(guān)系；曲線須經(jīng)仿真核驗(yàn)滿足管網(wǎng)末端壓力及年供水量目標(biāo)。曲線摸型易在線實(shí)現(xiàn)：PLC程序調(diào)圖3出廠壓力預(yù)測(cè)控制簡圖用出廠流量參與計(jì)算，根據(jù)管網(wǎng)特征曲線（亦稱出廠壓力設(shè)定曲線）計(jì)算出廠壓力設(shè)定值，并與出廠壓力反饋值比較后實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)頻率，滿足管網(wǎng)瞬間水量及壓力，構(gòu)成壓力預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)（圖3）。水司調(diào)度中心規(guī)定試運(yùn)行桂城水廠供水范圍末端點(diǎn)壓力為0.27Mpa、0-6時(shí)為0.280.33MPa（用戶儲(chǔ)水）；4#、5#超負(fù)荷區(qū)間（圖4）出廠壓力0.520.54Mpa、且末端壓力不低于試運(yùn)行前；桂城水廠日供水量不少于試運(yùn)行前，-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-年供水量不少于1.3108m3，不影響第二水廠供水。因此，壓力設(shè)定曲線任意點(diǎn)出廠壓力須推斷末端壓力符合規(guī)定，以保證供水量。圖4桂城水廠試運(yùn)行出廠壓力設(shè)定曲線圖5壓力曲線修改調(diào)試調(diào)度中心在試運(yùn)行前后均依據(jù)出廠壓力流量及末端壓力監(jiān)測(cè)指導(dǎo)運(yùn)行：桂城水廠試運(yùn)行頭幾天，水廠控制室屏幕末端壓力實(shí)測(cè)遙傳值低于規(guī)定約0.01-0.02Mpa（在0#-3#區(qū)間），日供水量比試運(yùn)行前少1-2%。調(diào)度中心即要求設(shè)計(jì)人員在編程計(jì)算機(jī)上修改壓力設(shè)定曲線（圖5）直至符合規(guī)定。試運(yùn)行期間上位機(jī)顯示隨總流量變化，相應(yīng)壓力沿出廠壓力設(shè)定曲線移動(dòng)，設(shè)定壓力和實(shí)測(cè)壓力之間跟蹤良好、響應(yīng)快，運(yùn)行平穩(wěn)。2007年9月運(yùn)行記錄表明：出廠壓力及末端壓力均符合規(guī)定；4#、5#區(qū)間末端壓力略高于試運(yùn)行前；日供水量與試運(yùn)行前差別甚微，未影響第二水廠供水；試運(yùn)行平均壓力0.478MPa比2006年平均壓力0.489MPa（SCADA數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值）降低0.011MPa，此項(xiàng)千噸水節(jié)電率2.48%，預(yù)計(jì)減少漏失量2%、減少爆管幾率。2.2頻率控制與泵開停模型。泵群運(yùn)行與管網(wǎng)輸配水能力及需水量相關(guān)，須基于管網(wǎng)運(yùn)行特征曲線仿真確定調(diào)速泵臺(tái)數(shù)及應(yīng)如何運(yùn)行、定速泵何時(shí)投入運(yùn)行，使投入最少節(jié)電最多。2.2.1頻率控制與泵開停模型初定各方案各流量區(qū)間的起點(diǎn)、終點(diǎn)，應(yīng)用混合遺傳算法搜索選擇參數(shù)進(jìn)入總效率目標(biāo)函數(shù)計(jì)算，確定各區(qū)間最合理的起點(diǎn)、終點(diǎn)及調(diào)速泵最低、最高轉(zhuǎn)速與泵群組合2-3，進(jìn)入仿真比較選擇最優(yōu)可行方案（此項(xiàng)千噸水節(jié)電率為2%-3%）如圖6所示。2.2.2方案比較桂城水廠供水泵站總共11臺(tái)機(jī)組，統(tǒng)計(jì)2006年運(yùn)行日志有49組泵群組合，年運(yùn)行400小時(shí)以上有10組（是初定方案參考依據(jù)）。平均啟停1011次/天。調(diào)速運(yùn)行有兩個(gè)方案。方案一：用1臺(tái)32SA調(diào)速，方案二：用1臺(tái)32SA和1臺(tái)24SA調(diào)速（表1），桂城水廠試運(yùn)行采用方案一、節(jié)電多于方案二。方案二4#區(qū)間泵群可滿足8時(shí)至17時(shí)出廠水量1720020270m3/h變化要求，即白班無需更換機(jī)組。應(yīng)水司要求2009年已將方案二交給水司評(píng)估（若按GB/T3216-2005一級(jí)精度圖6頻率控制與泵開停建摸流程表1調(diào)速方案比較表2調(diào)速方案二制造試驗(yàn)新葉輪，一臺(tái)32SA調(diào)速可實(shí)現(xiàn)方案二要求、節(jié)電不少于方案一。但一級(jí)精度新葉輪投資大一些）。2.2.3調(diào)速泵數(shù)量確定原則若用3臺(tái)調(diào)速（2臺(tái)32SA+1臺(tái)24SA）則只有4個(gè)區(qū)間，啟停次數(shù)更少，但年節(jié)電只有227104kwh，這是因?yàn)楦邏鹤冾l器效率0.96自身電耗大、調(diào)速曲線工況點(diǎn)比額定轉(zhuǎn)速曲線對(duì)應(yīng)點(diǎn)效率下降。如方案二的2#區(qū)-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-間起點(diǎn)：32SA轉(zhuǎn)速比0.808、流量0.904m3/S、揚(yáng)程42.02m，CFD計(jì)算此點(diǎn)葉輪轉(zhuǎn)矩M=8072.，此點(diǎn)效率為：9.81904442.020.73680720.80874223.14/60gqM與額定轉(zhuǎn)速（742r/min）曲線對(duì)應(yīng)點(diǎn)效率0.773相比下降4.8%。方案一試運(yùn)行顯示，32SA調(diào)速泵千噸水電耗（172.5kwh）高于32SA定速泵（159.3kwh）8.2%。故調(diào)速泵并非越多越好。2.2.4調(diào)速頻率控制方案一只用1臺(tái)32SA調(diào)速，由PID控制頻率，各區(qū)間起點(diǎn)、終點(diǎn)頻率由系統(tǒng)仿真確定。方案二是多臺(tái)調(diào)速，PID只控制一臺(tái)頻率，其余采用多檔頻率設(shè)定（參見圖1）。如用3個(gè)開關(guān)接于變頻器控制信號(hào)輸入端子1、2、3，用開關(guān)組合設(shè)定7檔頻率（4個(gè)開關(guān)接于4個(gè)端子設(shè)定15檔頻率）。開關(guān)組合編程及頻率定義由仿真確定。表3方案二5區(qū)間頻率設(shè)定圖7系統(tǒng)仿真及CFD設(shè)計(jì)流程2.2.5各區(qū)間各檔頻率設(shè)定頻率設(shè)定以出廠總流量為依據(jù)，以方案二5區(qū)間為例，當(dāng)20268m3/h總流量20628m3/h，設(shè)定24SA調(diào)速比為0.881不變，PID控制32SA調(diào)速在0.9230.928變動(dòng)；當(dāng)20628m3/h總流量20988m3/h,設(shè)定24SA調(diào)速比0.900不變、PID控制32SA調(diào)速在0.9280.935變動(dòng)(表3)。由表3可知24SA頻率設(shè)為8檔、頻率效率低于32SA。各區(qū)間各檔處在壓力設(shè)定曲線的位置不同，因而各區(qū)間檔數(shù)、每檔調(diào)速比不同。表3由仿真確定2.3CFD設(shè)計(jì)制造試驗(yàn)新葉輪建立壓力預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)所取得的節(jié)電率只達(dá)到5%6%。須基于管網(wǎng)特征曲線仿真生成新葉輪曲線及參數(shù)、水力設(shè)計(jì)初定葉片參數(shù)，進(jìn)入CFD生成三維葉片、生成網(wǎng)格、計(jì)算求解非線性偏微分方程組得流體流動(dòng)過程參數(shù)及葉輪各流面壓力與流速、確定葉片安放角及葉片形狀各參數(shù)4-6，以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)仿真曲線及參數(shù)要求。有新葉輪參與運(yùn)行，千噸水節(jié)電率方能達(dá)到10%15%（視原有泵運(yùn)行效率而有不同）。須解決3個(gè)問題：仿真須為CFD設(shè)計(jì)提供新葉輪曲線及參數(shù)；仿真核驗(yàn)CFD設(shè)計(jì)符合要求后進(jìn)入制造環(huán)節(jié)；水廠現(xiàn)場試驗(yàn)直至新葉輪符合CFD設(shè)計(jì)要求（圖7）。CFD商用軟件1970年代出現(xiàn)在美國，近年應(yīng)用于流體機(jī)械設(shè)計(jì)。CFD軟件的應(yīng)用有利于離心泵設(shè)計(jì)及節(jié)能改造設(shè)計(jì)7。2.3.1新葉輪設(shè)計(jì)制造試驗(yàn)試運(yùn)行投入10套新葉輪（泵廠成套組裝包括軸、零件）從葉輪曲線仿真到CFD設(shè)計(jì)制造均按圖7流程進(jìn)行。試運(yùn)行有5臺(tái)泵運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)值差距較大（泵廠未按圖7流程作試驗(yàn)），2007年10月與長沙水泵廠現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證：3臺(tái)32SA泵汽蝕余量參數(shù)和2臺(tái)24SA泵效率未達(dá)設(shè)計(jì)要求。另5套新葉輪符合設(shè)計(jì)要求見表4（GB/T3216-2005回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵水力性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)定二級(jí)精度容差系數(shù)允許范圍：效率=5%）。表4五臺(tái)合格水泵數(shù)據(jù)表5各機(jī)組運(yùn)行參數(shù)記錄表6子模型分項(xiàng)參數(shù)記錄-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-2.3.2新葉輪運(yùn)行記錄2007年9月23日運(yùn)行記錄見表5、表6（以2006年千噸水用電量為0%比較）。32SA實(shí)際NPSHr大于設(shè)計(jì)值產(chǎn)生汽蝕，上位機(jī)顯示每小時(shí)多用電31.2kw.h。23日二臺(tái)32SA共運(yùn)行42小時(shí)，多用電1310kw.h，千噸水節(jié)電率8.2%，未達(dá)到仿真值11%（2008年初汽蝕損壞了新葉輪）。24SA實(shí)際效率比設(shè)計(jì)值低11%，上位機(jī)顯示每小時(shí)多耗電110kw.h（約15%）。23日二臺(tái)24SA共運(yùn)行9小時(shí)多耗電990kw.h，千噸水節(jié)電率-3.5%。未達(dá)到仿真值12.07%。五臺(tái)合格泵23日共運(yùn)行39小時(shí)，千噸水節(jié)電率10%。23日運(yùn)行合計(jì)千噸水節(jié)電率7.62%。3小結(jié)壓力預(yù)測(cè)控制、頻率控制、新葉輪設(shè)計(jì)皆基于管網(wǎng)運(yùn)行特征曲線作仿真建模，組成綜合節(jié)能系統(tǒng)，提高現(xiàn)有管網(wǎng)運(yùn)行水平，實(shí)現(xiàn)機(jī)泵最優(yōu)控制運(yùn)行。新葉輪節(jié)能比重最大（表6）。合格新葉輪24SA（葉輪直徑=620mm）效率偏差為負(fù)（表4），今后須依據(jù)GB/T3216-2005第4.1條，按正的容差系數(shù)制造試驗(yàn)，確保新葉輪運(yùn)行效率等于或高于設(shè)計(jì)值。5套不合格葉輪若按圖7流程作試驗(yàn)直至符合要求，則預(yù)計(jì)千噸水節(jié)電率11%，年節(jié)電量262104kwh，按桂城水廠電價(jià)0.73元/kwh計(jì)算,每年節(jié)電費(fèi)190萬元，變頻器PLC新葉輪共投入195萬元，約1年可收回硬件投資。CFD設(shè)計(jì)制造誤差有可能偏離實(shí)際，如32SA新葉輪汽蝕。今后招標(biāo)合同應(yīng)按GB/T3216-2005：回轉(zhuǎn)動(dòng)力泵水力性能驗(yàn)收試驗(yàn)8規(guī)定作現(xiàn)場試驗(yàn)新葉輪，符合要求后投入運(yùn)行。考文獻(xiàn)：1游慶元.城市供水最優(yōu)化與控制仿真技術(shù)中國供水節(jié)水報(bào)，2004年9月-11月2張承慧,裴榮輝，石慶升,等.城市變頻調(diào)速給水泵站的優(yōu)化配置.山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2007,37(2):97-102.3龍新平,朱勁木,劉梅清,等.基于性能曲面擬合的泵站優(yōu)化調(diào)度分析.水利學(xué)報(bào)，2004（11）:27