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農村安全飲用水解決方案

    摘要:當前深水井采用變頻調速控制的非常廣泛,由于存在生活用水小流量期間的“費電”問題,不少村鎮在改用變頻供水模式后,千噸水能耗指標較高。本文結合新密市超化鎮東店村深水井小流量變頻恒壓穩壓供水系統,介紹了深水井小流量變頻供水系統的方案設計及運行情況。
一、前言
    當前,我國已初步具備了建設新農村的條件:一方面,經過改革開放以來的快速發展,綜合國力顯著增強,有了支持保護農業、加大農村基礎設施建設投入的經濟基礎;另一方面,近年來,在起點較高的基礎上,黨中央、國務院為改善農村生產生活條件出臺了一系列更直接更有力的政策措施,特別是農村“六小工程”建設進展順利,成效顯著,為新農村建設積累了有益的經驗。新密市超化鎮東店村變頻供水工程的實施就是當地新農村建設的一個亮點。
    新密市超化鎮東店村位于超化鎮政府東800米,現有人口900多戶。當地煤炭資源豐富,同時也是全國耐火材料的生產集中地。隨著經濟的快速發展,尤其煤炭資源的開發,也對當地人民群眾的飲水問題造成一定影響,可飲用水層水位日益降低。新密市各級政府非常重視東店村的飲水問題,結合該村的實際問題,國家劃撥專項資金,村子自籌部分資金,各戶收取到戶水表費、入戶費,總共投資約100萬元,建成現在日最大供水量800噸的深水井變頻調速供水系統。

二、深水井變頻供水設備簡介
    隨著變頻調速技術的發展和人們對生活飲用水品質的要求不斷提高,變頻供水設備已廣泛應用于城市住宅小區的生活二次加壓供水系統。近年來,深水井潛水泵采用變頻調速控制的也已非常廣泛,由于不需再建水塔,設備占地小,建設周期短,另外水質無二次污染,水泵軟啟動軟停車,故障率低,設備大修周期延長,使用壽命提高。
    但是,變頻恒壓供水系統在實際應用中若選型及控制不當,不但達不到節能目的,反而“費電”,尤其深水井變頻系統問題更為突出。為此,不少村鎮在采用變頻供水模式后,感到并不像傳統宣傳的那樣“用變頻就節電”,使得對變頻模式產生“懷疑”和“信任危機”,甚至有些地方人畜飲水項目干脆不采用變頻供水模式。難道國家一直在推廣的變頻節電技術真的有問題嗎?其根本原因在于變頻供水系統存在的小流量能耗問題。

三、變頻供水設備的小流量“費電”問題
    根據流體力學理論,當水泵調速時,水泵電機軸功率P和流量Q、壓力H與轉速N之間的關系為:
                                           Q1/Q2= N1/N2                                     (1-1)
                                           H1/H2=(N1/N2)2                                 (1-2)
                                           P1/P2=(N1/N2)3                                  (1-3)
    即水泵的流量與其轉速成正比,揚程(壓力)與其轉速的平方成正比,軸功率與其轉速的立方成正比。按以上關系,在其它運行條件不變的情況下,通過下調電機的運行速度,其電耗是與轉速成立方關系降低的,節電效果應非常明顯。例如如果工況只需要50%的水量,則可以將電機的轉速調節為額定的一半,此時電機消耗的功率僅為額定的12.5%,即理論上節能可達87.5%。
    但以上結論只是理論分析,而且以上關系滿足的前提是水泵的總效率η恒定,實際上當調速范圍很大時,水泵的總效率η變化(降低)較大,根據水泵電機軸功率P和流量Q、揚程(壓力)H之間的關系:
                                          P=K?H?Q/η                                   (1-4)
其中K為常數,η為水泵的總效率。一般當水泵調速70%以下時,水泵效率η急劇降低,而且,實際的供水系統并不是開環狀態,而是恒壓閉環控制系統,速度調節范圍不能很大,否則就滿足不了設定壓力的要求,所以,實際的變頻恒壓閉環供水控制系統小流量甚至“零流量”時水泵轉速并不很低,管路壓力設定越高,“零流量”頻率越高。根據經驗知道,對多層供水系統“零流量”頻率約為25~30Hz,對高層、深水井供水系統“零流量”頻率約為30~35Hz,若水泵揚程(選型不當)富裕量小,“零流量”頻率會更大。
    所以水泵在70%以下調速時,其電機軸功率P降低平緩,并不是完全與轉速成立方的關系降低,這一點已由實踐得以證實??梢哉f公式(1-1)~(1-3)僅當速度調節范圍不大時成立,因此相對于水塔、高位水箱等的工頻供水模式,當水泵速度調節范圍很大時,變頻供水模式就存在小流量“費電”問題。
    隨著人民生活水平的提高,一般生活供水系統都要求24小時不間斷供水,村鎮供水系統同樣有此要求。而對于純生活供水系統,供水高峰主要集中在早中晚三個時段約8個小時,其余時間供水量較?。ㄉ踔料嗖詈艽螅?,若水泵功率較大,盡管采用變頻器調速,但由上知調速泵在小流量下運行效率很低,因而造成小流量供水時間段內較大的能量浪費。一般潛水泵功率較大,因而深水井變頻系統小流量“浪費”問題更為突出。假如深水井潛水泵功率為30KW,小流量頻率按30Hz計算,每天夜間近6個小時內約有50~70KWh電能被“浪費”,實際白天也有近8個小時用水量較小,綜合考慮,保守估計一年就多耗費30000~40000KWh!因此,不少村鎮在使用變頻供水模式后,感到電能消耗很大。下面就結合東店村的變頻供水系統,介紹使用恒壓穩壓變頻供水的方案解決小流量供水的耗能問題。

四、變頻控制設備調試運行情況
    變頻控制設備調試按以下步驟進行:
1)、先檢查潛水電機絕緣情況,結果應符合廠家說明書要求。
2)、連接變頻柜電源主進線,空轉運行變頻器,檢查變頻器顯示及變頻器參數設置,并先設置小流量頻率為50Hz。
3)、連接潛水電機電纜。關小出水總閥,將雙向閘刀投向工頻側,起動水泵,用鉗形表檢測三相運行電流,觀察三相電流是否平衡,逐步打開總閥,觀察電流變化及其他情況是否正常。
4)、停機后,檢查壓力表傳感器連線,調整電節點壓力表上下限,按實際需求設置,本工程可設置為0.24MPa~0.50MPa。
5)、關小出水總閥,帶負荷運行變頻控制設備,利用變頻器面板上升、下降鍵調整恒壓設定值,使總管出口水壓恒定為0.3MPa(按實際需要設定)。適當調節總閥,觀察壓力變化及響應情況,如需要還要對變頻器內部PID參數進行整定(參看相關說明)。
6)、關死出水總閥,測試本系統的“零流量”頻率f0,根據該頻率值設置小流量頻率fL,一般比“零流量”頻率高3~5Hz。
7)、稍稍打開出水總閥,模擬小流量供水工況,觀察由變頻恒壓模式進入小流量變頻穩壓模式情況。逐步打開出水總閥,觀察小流量變頻穩壓模式返回變頻恒壓模式的切換運行情況。
8)、記錄相關運行參數,可編程設置和變頻器參數,備案歸檔。有關變頻器參數設置見表1。
實際調試過程順利,達到設計要求,這里不再詳細介紹,至今設備已正常運行近2個月,實際運行試驗表明,按當前供水規模,沒有小流量功能時平均日耗電400KWh,有小流量功能時平均日耗電200KWh。

五、結論
    在當前開展的新農村建設中,各級政府非常關注和加大農村基礎設施建設投入,尤其切實解決農民群眾的飲水問題,新密市超化鎮東店村變頻供水工程的實施就是當地新農村建設的一個亮點,通過近兩個月的正式運行,證明了深水井并配套變頻調速小流量恒壓供水方案的可行性。系統的成功運行,也為各地新農村建設中的人畜飲水工程建設積累了有益的經驗。

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