供水企業(yè)是通過水泵輸送自來水，完成電能→機(jī)械能→勢(shì)能的能量轉(zhuǎn)換過程，是城市的用電大戶，筆者對(duì)某水司進(jìn)行調(diào)查了解，發(fā)現(xiàn)近三年電費(fèi)占整個(gè)制水成本分別為24.5%、17.7%和21.4%，平均每年電費(fèi)支出高達(dá)4060萬元，同時(shí)供水企業(yè)又有著巨大的節(jié)能潛力，以該公司為例，能耗每下降一個(gè)百分點(diǎn)，就可節(jié)約成本40余萬元。筆者根據(jù)多年的電氣技術(shù)管理和節(jié)能工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)供水企業(yè)主要的節(jié)能技術(shù)和方法歸納總納，并進(jìn)行節(jié)能效果分析，以對(duì)供水企業(yè)節(jié)能工作和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理進(jìn)行探討。 1、變壓器節(jié)能 變壓器節(jié)能是指隨著變壓器設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝的提高，不斷生產(chǎn)出更低損耗的變壓器，通過設(shè)備更新達(dá)到節(jié)能的效果，具體反映在變壓器空耗損耗、負(fù)載損耗的降低，即效率的提高。 變壓器效率η為輸出的有功功率與輸入有功功率之比的百分?jǐn)?shù)，即： η=βS2Ncosψ2／βS2Ncosψ2+P0+β2Pf×100%　　　　　　（1） 式中： S2N——二次側(cè)額定容量； cosψ2——二次側(cè)功率因數(shù)，一般取0.8； β——負(fù)載系數(shù)，β=I2/I2N； P0——空載損耗； Pf——負(fù)載損耗。 由公式（1）可知，變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)，空載損耗與β無關(guān)，為一恒定值，負(fù)載損耗與β2成正比，，當(dāng)β=√P0/Pf時(shí)，η值最大，也即為最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)。以某水廠常用的800kVA容量的三種變壓器為例，進(jìn)行節(jié)能效果比較，畫出3種變壓器的η～β曲線，見圖1。變壓器降耗為新變更新舊變時(shí)同親負(fù)載時(shí)降低損耗的百分?jǐn)?shù)，即： △η=[（βS2Ncosψ2/η2-βS2Ncosψ2/η1）／（βS2Ncosψ2/η2）>×100% =（1-η2/η1）×100%　　　　　　　　　　　　　?。?） 式中　η1——新變效率； 　 η2——舊變效率。 若以新變S9型更新舊變S7、SL7型，取年平均負(fù)荷率β=0.5，則根據(jù)公式（1）、（2）計(jì)算，各變壓器效率和降耗率見表1。 根據(jù)圖1、表1可以看出，S7、S9型變壓器和SL7型變壓器相比有較好的節(jié)能效果，且負(fù)荷率越大，降耗率越大；而S9與S7型變壓器之間，損耗相差不大，甚至β>0.6時(shí)S9型比S7型損耗略大，經(jīng)以上分析可知，變壓器節(jié)能是通過采用更低損耗的變壓器來實(shí)現(xiàn)的。 2、高壓電機(jī)節(jié)能 目前國(guó)內(nèi)城市配電網(wǎng)多為10kV級(jí)和6kV級(jí)，在城市大中型水廠的設(shè)計(jì)選型或技術(shù)改造中，由于在技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析中展現(xiàn)了很大的優(yōu)越性，大中型高壓電機(jī)得到廣泛、迅速的應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)如下： ①減少配備10kV、6kV變0.4kV級(jí)變壓器及其低配系統(tǒng)投資（因配用低壓電機(jī)）。 ②減少因低壓電機(jī)容量小而需配更多數(shù)量的機(jī)泵。 ③減少因①、②條中變壓器、低配、更多的機(jī)泵必須配套的土地占用和建筑物占用及相應(yīng)投資。 ④減少供電環(huán)節(jié)，提高電氣安全可靠性，減少維修工作量。 在節(jié)能方面還有如下效果： ①避免了變壓器損耗（例：β=0.5時(shí)，S7-800/10損耗達(dá)1%）。 ②減少因配用低壓電機(jī)引起的線路損耗增多。 ③大中型高壓電機(jī)效率高，低容量的與同樣容量的低壓電機(jī)效率相當(dāng)，大中容量效率更高，特別是效率越大，效率越高，突破了低壓電機(jī)容量和效率的雙重極限。例如，選用高壓電機(jī)Y6303-61400kW電機(jī)，效率為96.5%，而要達(dá)到相同容量需配備5臺(tái)JS2-400M3-6280kW低壓電機(jī)，單臺(tái)效率只有93.4%，效率相差高達(dá)3.1%。 ④減少因多臺(tái)低壓電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)引起的效率下降。 3、無功功率補(bǔ)償節(jié)能 電流通過線路或變壓路時(shí)要產(chǎn)生線路電阻損耗或變壓器負(fù)載損耗，其有功功率損失： △P=3·P2R/U2cos2ψ　　　　　　?。?） 式中　 P——有功功率，kW； U——額定電壓，kV； R——線路或變壓器總電阻，Ω； cosψ——功率因數(shù) 從公式（3）中可知，在負(fù)載有功功率一定時(shí)△P與cos2ψ成反比，如果功率因數(shù)從cosψ1上升到cosψ2，則有功功率損失下降百分率： （△P%）=[（3·P2R/U2cos2ψ1-3·P2R/U2cos2ψ2）／3·P2R/U2cos2ψ1>×100% =（1-cos2ψ1/cos2ψ2）×100%　　　　　　　?。?） 如果功率因數(shù)從0.8補(bǔ)償?shù)?.9，根據(jù)公式（4）計(jì)算得（△P%）=21%，即線路或變壓器損耗下降21%，從以上分析可知，無功功率補(bǔ)償是通過提高功率因數(shù)，降低運(yùn)行電流從而降低線路或變壓器中損耗，達(dá)到節(jié)能效果。 4、水泵節(jié)能 供水企業(yè)負(fù)載主要是機(jī)泵，運(yùn)行效率更低的是水泵，水泵節(jié)能是水廠主要節(jié)能途徑，具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面。 4.1　水泵改型更新節(jié)能 近年來，城市發(fā)展和管網(wǎng)改造很快，管路阻力特性曲線不斷下移，供水量不斷增加，而水廠水泵不能同步改造，使很多水廠水泵工作揚(yáng)程下降，并遠(yuǎn)離高效區(qū)，大大降低水泵效率，造成大量電能浪費(fèi)。通過對(duì)水泵進(jìn)行改型更新，使水泵運(yùn)行在高效區(qū)，可以大幅提高水泵效率，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能目的。 水泵有效功率N=HQ/102（kW）　　　　　　?。?） 水泵軸功率P軸＝HQ/102η泵（kW）　　　　　（6） 式中　 H——水泵揚(yáng)程，m； Q——水泵流量，L/s； η泵——水泵效率，%。 下面以某水廠某泵為例，計(jì)算分析節(jié)能效果，圖2為原有Ⅰ型泵和新改型Ⅱ型泵的Q1～H1、Q1～η1曲線和Q2～H2、Q2～η2曲線，原有Ⅰ型泵額定揚(yáng)程55m，高效區(qū)揚(yáng)程59m～47.5m，實(shí)際運(yùn)行揚(yáng)程平均為42m，已遠(yuǎn)離高效區(qū)。此時(shí)從圖2可得，流量Q1=360L/s，效率η1=72%　代入公式（5）、（6）計(jì)算可得有效功率N1=148.2kW，軸功率P1=205.9kW；如改用新泵Ⅱ型泵，同樣流量即Q2=Q1=360L/s時(shí)，從圖2可得，揚(yáng)程H2=41m，效率η2=82%，代入公式（5）、（6）計(jì)算得，有效功率N2=144.7kW，軸功率P2=176.5kW，若以線性關(guān)系近似折算水泵有效功率相同時(shí)，Ⅱ型泵比Ⅰ型泵節(jié)能（軸功率）：　 　 節(jié)能效果： 　 也就是說，如果Ⅰ型泵改型更新為Ⅱ型泵，可以使水泵實(shí)際工況在高效區(qū)運(yùn)行，同時(shí)可降低能耗12.2%。 從以上分析可以知道，水泵改型更新節(jié)能實(shí)質(zhì)上是通過提高水泵工況點(diǎn)效率來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際運(yùn)行工況離高效區(qū)越遠(yuǎn)，水泵改型后節(jié)能效果越大。 4.2　水泵調(diào)速節(jié)能 水廠機(jī)泵的選型，一般是按城市日最高、時(shí)最高的需水量來確定的，因此在大部分的時(shí)間內(nèi)機(jī)泵處于低負(fù)荷運(yùn)行，需要降低轉(zhuǎn)速改變運(yùn)行工況，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速n改變，水泵的性能參數(shù)都發(fā)生改變，其公式如下： [align=center]Q‘/Q=n‘/n　　　　　　　?。?） H‘/H=（n‘/n）2　　　　　　?。?） P‘/P=（n‘/n）3　　　　　　?。?）[/align] 式中Q（Q‘）、H（H‘）、P（P‘）分別表示水泵轉(zhuǎn)速n（n‘） 時(shí)的流量、揚(yáng)程和功率。 以Q～H（n）曲線（見圖3），來畫一組各轉(zhuǎn)速下的Q～H曲線和一組等效線，任取A點(diǎn)（Q,H），當(dāng)轉(zhuǎn)速n下降到n‘時(shí)，按公式（7）、（8）計(jì)算，可求得A‘（Q‘,H‘）點(diǎn)。同樣在Q～H（n）曲線上依次取B、C、D各點(diǎn)，當(dāng)n下降到n‘時(shí)，可求出相應(yīng)的B‘、C‘、D‘各點(diǎn)，把A‘、B‘、C‘、D‘這些點(diǎn)連接起來就得到Q‘～H‘（n‘）曲線。因此，隨轉(zhuǎn)速下降可得一組下移的Q～H曲線，把這組曲線上對(duì)應(yīng)的A、A‘、B、B‘、…分別連起來，就可得到一組等效線AA‘、BB‘、CC‘、DD‘、…。 水廠水泵調(diào)速一般以恒壓進(jìn)行調(diào)速，下面以某水泵為例（見圖3），來分析調(diào)速節(jié)能效果，圖3中，A點(diǎn)為設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，此時(shí)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速，流量QA=550L/s，揚(yáng)程HA=35m，效率ηa=88%，代入公式（6）計(jì)算得，軸功率PA=214kW。如果水量減少到80%，此時(shí)水泵工況點(diǎn)移到E點(diǎn)，即QE=440L/s，從圖3得，揚(yáng)程HE=39m，效率ηe=82%，代入公式（6）計(jì)算得，軸功率PE=205kW。 　　 若采用恒壓調(diào)速，流量為440L/s時(shí)，保持揚(yáng)程不變，此時(shí)工況點(diǎn)移到F點(diǎn)（F-A水平線為恒壓線）。流量QF=QE=440L/s，揚(yáng)程HF=HA=35m，經(jīng)過F點(diǎn)的等效線與Q～H交于G點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的效率ηg=84%，代入公式（6）計(jì)算得，軸功率PF=179kW，節(jié)能△P軸=PE-PF=26kW， 節(jié)能效果： 　 同樣道理，可以計(jì)算得各流量值時(shí)的節(jié)能效果，見表2。 由以上計(jì)算分析可以知道，恒壓調(diào)速是由兩個(gè)因素實(shí)現(xiàn)節(jié)能的，第一是提高水泵效率（以80% 流量調(diào)整為例，ηg>ηe），第二是減少了用閥門節(jié)流引起的壓力損失（HE-HF）。由此可見，恒壓調(diào)速具有雙重節(jié)能效果。從表2還可得出結(jié)論：對(duì)某臺(tái)水泵而言，流量越小，則恒壓調(diào)速節(jié)能效果越大。 5、供水經(jīng)濟(jì)運(yùn)行節(jié)能 要根據(jù)城市供水管網(wǎng)平差，確定管網(wǎng)若干基本測(cè)壓點(diǎn)及壓力標(biāo)準(zhǔn)值，確保這些測(cè)測(cè)壓點(diǎn)的壓力值不小于標(biāo)準(zhǔn)值就能滿足城市供水需求，在此基礎(chǔ)上制定并優(yōu)化城市各制水廠出廠水壓力控制值范圍與城市需水量成對(duì)應(yīng)關(guān)系，使各水廠以基本測(cè)壓點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)值為控制目標(biāo)進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行，既保證城市供水，又減少多余的壓力浪費(fèi)，使全水司1000m3水耗降至最低，從而實(shí)現(xiàn)供水經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。這種節(jié)能方式效果可以從單臺(tái)泵的單位電耗～揚(yáng)程曲線來分析，以圖3中泵的Q～H曲線為例，根據(jù)水泵的流量Q，可由圖3查出對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程H和效率η，代入公式（6）求得軸功率P軸，再求出單位電耗F=P軸/[Q>（這里單位電耗只包括出水泵房水泵電耗有關(guān)。單位電耗計(jì)算中的“[Q>”的單位是1 000m3/h），如表3中每降低單位揚(yáng)程單位電耗下降百分?jǐn)?shù)： 式中　Fi——對(duì)應(yīng)揚(yáng)程Hi的單位電耗 將表中數(shù)據(jù)畫成F～H、△F～H曲線，從圖4可以發(fā)現(xiàn)，單位電耗隨著揚(yáng)程下降而下降，也就是說，如果降低水泵運(yùn)行揚(yáng)程，1000m3水單位電耗也隨之下降，從表3中可知，在額定揚(yáng)程（H=35m）處，揚(yáng)程下降1m，可降低單位電耗3.3%，揚(yáng)程越高時(shí)節(jié)能效果越大。這也可從調(diào)速節(jié)能中得到驗(yàn)證，圖3中如果流量Q=440L/s時(shí)，恒壓調(diào)速HF=35m改為HH=30m，可以減少壓力損失HF-HH=5m和水泵效率ηg=0.84提高到ηi=0.86，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能的效果。 同樣，如果降低水廠或全公司出廠水運(yùn)行揚(yáng)程（或壓力），就能降低整個(gè)水廠或全公司的1000m3水單位電耗，達(dá)到全面節(jié)能的效果。 6、結(jié)束語 供水企業(yè)節(jié)能（主要是節(jié)電）是一個(gè)綜合性課題，也需要綜合的手段來開展節(jié)能工作，變壓器節(jié)能，高壓電機(jī)節(jié)能和無功補(bǔ)償節(jié)能可以結(jié)合供水發(fā)展規(guī)劃或企業(yè)設(shè)備技改計(jì)劃在進(jìn)行水廠設(shè)計(jì)或設(shè)備技改時(shí)予以考慮，對(duì)節(jié)能效果明顯的也可單獨(dú)考慮，同時(shí)，還可以通過設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行節(jié)能，特別是變壓器節(jié)能中經(jīng)濟(jì)運(yùn)行往往比更新節(jié)能效果更好；水泵改型更新節(jié)能潛力巨大，節(jié)能效果好，投資回收快，可針對(duì)運(yùn)行工況偏離高效區(qū)的水泵進(jìn)行測(cè)算實(shí)施更新；水泵調(diào)速節(jié)能效果非常好，但一次投資較大，要針對(duì)水量變化大或供水量明顯偏小的水泵，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后確定實(shí)施；供水經(jīng)濟(jì)運(yùn)行節(jié)能則是通過管理節(jié)能，效果是全局性的，但前提是進(jìn)行管網(wǎng)平差和課題研究。