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淺談二次供水設備的未來

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2016/7/8     瀏覽次數:    

       尊敬的各位院士,尊敬的各位領導,大家好,我今天給大家帶來的報告題目是二次供水設備的未來。

  隨著我們國家這么多年的城鎮化建設的積累,二次供水已經成為了我們國家城鎮居民生活用水的最主要形式,今年也是城鎮供水水質達標年,各區政府、包括供水企業為此做了大量的工作,但是我們確實也很鮮有的能夠聽見我們的各區政府,包括供水企業對居民的龍頭水的水質是否也能達到國家的生活飲用水衛生標準呢?

  大家都知道,出廠水水質合格,但是經過管網的配水環節,經過二次加壓環節,確實可能會對供水水質帶來一定的影響,我們也確實看到,在二次供水這個終端環節里,去解決這個問題,也是一個切實可行的方向之一。非常可喜的是,在我們國家水體污染控制與治理科技重大排行當中,在十二五的規劃當中,將新型二次供水設備的研制及產業化列為一項課題來進行研究。威派格也是非常榮幸地成為了這個課題的承辦單位。在這個課題的研究過程當中,對于我們國家未來二次供水設備的功能的擴展,對于它很多的技術標準,提出了非常高的要求。我們也堅信,隨著這個課題研究的進展,一定也會對我們國家未來二次供水設備的行業的發展帶來積極的、有利的推動作用。

  我的報告題目一共分為三個部分,第一,我們國家二次供水設備的現狀,第二,這次課題的主要目標,第三,課題的主要研究任務和研究方向。

  在2010年的時候我們對于我們國家的一些大中型城市的二次供水設施做了一些調研,從這個數據當中看的出來,每一百萬的城市人口平均約擁有二次供水設施大概在兩百到三百處,二次供水的比重目前是一個非常快速的上升趨勢,二次供水已經成為了反應整個城市供水水平的非常重要的要素之一。到2010年底,我們國家現有的二次供水設施的存量大概有二十余萬套。也是主要有幾種形式的,像這種低位水池加變頻供水、高低位水箱供水、氣壓供水到無負壓供水,主要的城市供水是由這四種的二次供水的形式來組成的。但是在每一個城市中,因為城市的二次供水的管理內容不同,整個管網的情況不同,二次供水的主要形式也有很多不同。

  比如像在北京,目前現在七千余套的二次供水設施里約有百分之四十五是采用的我們這種無負壓加壓的形式,但有百分之四十的比例在用我們的低位水池加變頻供水,還有百分之十五的比例在用我們的高位水池加氣壓供水這種供水方式。例如上海,可能是目前擁有我們全國城市最大數量的這種高位水箱供水模式,這種高位水箱在上海的城鎮供水發揮了巨大的調蓄的作用。例如像江陰這種新興的城市,大概兩百多套的二次供水設備,約有百分之九十以上的比例都在采用這種無負壓加壓的方式。如果說按照每一套設備的裝機容量二十千瓦去計,大概全國這二十余萬套的存量每一年的耗電量約在180億到200億千瓦時。現在的二次供水設施里,我們經過調研看到,目前存在著流量、揚程遠遠超過用戶的實際需求,這個設備運行很難根據我們的用戶用水動態變化來進行有效精準的調控,同時現在所有的加壓水泵當中所配備的異步變動機和我們的變頻控制結合,尤其是在二次供水這種輕負載的特定情況下變頻運行,我們的電機長時間運行效率都偏低,存在非常嚴重的浪費。

  目前二次加壓供水的水質也面臨著嚴峻的考驗。我個人的觀點去看的話,對于我們國家目前現在的二次供水水質影響最大的是我們國家對于二次供水整體的管理體系環節的缺失,導致在二次供水的設計、建造、驗收、管理的環節過程當中無法進行有力的控制,這會對二次供水水質帶來非常大的安全隱患,同時也有一些因為管路破裂導致漏水、管網的串流、污水的回灌引起的一些水質報告,也有來自于管網的一些沉淀物的泛起和管內壁所引起的水質濁度、色度、鐵、錳等含量超標的問題。其次包括水中生物穩定性較高,余氯降低所引起的細菌、大腸桿菌的再度繁殖,包括現有的大批量的傳統的二次供水設施,因為它的密閉性的問題,水之間的長流、滯留所引起的水質惡化,也成為了二次污染的一個重要的因素。同時現有的二次供水的管理內容、管理體系導致了一旦水質出現任何問題,我們是很難及時發現的,這些直接影響了居民的身體健康和生活質量,而成了一個被社會普遍關注的問題。

  面對今年的106項的水質新國標的實施,如何保障老百姓的終端水龍頭的水質,同時也能達到新標準的要求,是我們目前所面臨的一個非常重要而現實的問題。這是我們所看到的二次供水環節當中的內部材質的問題,包括外部的供水環境的問題,都會對供水水質帶來很多的安全隱患,那也是針對目前傳統的二次供水設施存在著以上大量問題,十二五國家水體污染控制與治理課題重大專項將新型二次供水設備研制及產業化列為課題進行研究,并且在2011年的下半年作為第一批的課題。這個課題所設置的主要目標是針對我國二次供水設施存在的安全隱患,大量二次供水設施面臨著升級改造的迫切需求,要求研發具有顯著節能效果和水質保障與改善功能的二次供水設備,并形成規模化的生產,對早日實現龍頭水的水質達到生活飲用水的衛生標準提供技術和裝備支持。

  如果這個主要目標能夠預期實現的話,將會改變大家對二次供水設備的定義,對二次供水設備的很多看法,因為傳統的二次供水設施的功能主要是集中在保證用戶的水量和水壓的問題。這里對于我們的要求有三項重點任務:一, 在研制和大幅降低能耗,提高效率,節能效果顯著的保障供水安全,稱它為二次供水設備,和我們現有的傳統的變頻和無負壓供水設備相比,節能比例將提高百分之三十以上;二,通過本課題的研究研發制造對于水質有保障與改善功能模塊化的二次供水集成設備,來實現龍頭水的水質達到國家生活飲用水衛生標準;三,通過本課題的研究研制與二次供水集成設備相配套的水質與系統監測、監控的控制系統,來實現遠程的水質在線監測、監控、信息互通和監控調度。

  在這個課題方面,對于這個課題提出的第一項重點任務高效節能方面,我們主要是通過三個方面來進行研究:一,我們將永磁同步電機的技術和二次供水設備相結合,來實現這種高效節能的目標;二,比較好的來去利用無負壓的供水方式運用,來實現能源的有效結合;三,我們建立起全國的水業平衡的數學模型,來實現二次供水的精確調控,實現二次供水設備的過程節能。

  大家都知道,電機一共分為四個電機,I1是標準的效率,我們現在在通用的我們的異步電動機的效率水平,I2稱之為高效率,I3是超高效率,I4是超超高效率,每一級的效率水平的提高,電機效率等級大概會提高到百分之二到五左右。美國是根據I3最新標準,在2010年度強制執行I3的標準,現有的電動機的平均效率大概在92%,歐盟國家從98年開始就大力推廣節能電機,我們國家目前為止到2010年度的電動機的能效平均水平是I1的普通效率,電動機的綜合平均效率大概在85%,和國外先進水平有著很大的差距。

  大家都知道,在稀土資源當中我們國家有著非常大的資源優勢,稀土資源占到了世界探明儲量的80%。進入90年代以后,稀土電機不僅僅是我們原來三航旅當中使用,工業化建設當中也在大批量的使用電機,已經邁向了大功率化的、高性能發展,不僅僅稀土材料是我們國家的資源優勢,到現今為止,稀土電機的研發制造水平過程中我們國家的水平也步入了世界前列,包括最大的電機功率已經超過了一千千瓦,最高轉速超過了三十萬轉,小電機實際上只有0.8個。

  我們把這種用永磁體來建立的磁場實現機械和電能轉化的裝置,稱之為永磁同步電機,因為取消掉了原來的鐵芯,不需要立磁電流,可以顯著的提高功率因素。但最難能可貴的優勢是在輕負載的時候依然能夠保持非常高的效率,這樣尤其適用于二次供水額定負載變化非常大的時候,有著非常好的優勢特點,包括由這種變頻器供電來調速的永磁電機在控制精度非常高的場合中也得到了非常廣闊的運用。(圖)上面這個紅的性能曲線是我們的永磁電機的這種隨著負載變化的功率因素的性能曲線,下面藍的性能曲線是現在傳統的異步電動機隨著負載變化功率因素的變化曲線,大家可以看得見,永磁電動機基本上會保持在90.9%以上,而傳統的異步電動機在處于輕負載的同時功率因素是一個非常快速下滑的曲線。

  它的效率和功率因數也形成了一個重合的曲線。在輕負載的同時,傳統的異步電動機的效率處在一個非常低的水平。(圖)這個是我們剛剛通過第三方質量技術監督局的檢測報告,我們做了三個電機的對比,第一個是我們稀土永磁電機在規定點的電機性能和電機數據的檢測報告,第二個是我們取到的一個國內的做多級立式離心泵非常優秀的廠家在規定點的系統數據報告,第三個是我們采用了一臺國際上的非常知名的進口品牌的水泵的性能數據報告,我們最后看到結論,在規定點流量當中,這是5.5KW的電動機,在規定點21噸流量時,結果是看得見的,國產水泵的電機效率大概在59.23%,進口泵品牌在61.25%,而配置了我們稀土永磁電機的電機效率達到63.72 %。 實際上按照現在的電機能效等級來劃分,稀土永磁電機的配置要高兩個檔。

  我們上個周剛剛做完一個低負載的測試報告,在電機運行在35HZ低頻率運轉過程當中,我們出具的是自己做的測試,不是第三方的,現在的35HZ頻率運行的同時,稀土永磁電機會比傳統的異步電機效率整體提高19%,這是一個非常大的數據。 同時,因為我們國家的稀土永磁同步電機都已經有了比較成熟的技術,但水泵的應用基本上都是二級電機,在二級同步電機的應用案例非常少。本項目將稀土永磁同步電機比較好的適用于二次供水系統中,實現很多系統針對性方案的改造,實現比較好的綜合效率。我們相信,在二次供水稀土永磁領域當中,尤其是將來在城鎮的供排水領域當中都有著非常廣闊的應用空間。(圖)這個是我們去年參加的德國柏林水展,我們的樣機當時還有很多研究數據沒出來,在這個柏林水展過程當中,也引起了國外行業當中高度的關注。在水泵領域當中,這個電機技術應用行業當中,國外很多企業、品牌都在做,但是他們現在做的比較成熟的技術,一般都集中在1KW以下,而我們當時做的是11KW規格的。

  第二個是通過永磁電機,最后會實現整個過程節能保持在20%以上的比例。第二個,在無負壓供水方式當中實現能源的有效利用,實際上,無負壓供水方式近10年在大中型城市當中得到了比較廣泛的應用,但是目前我們城市的管理部門,包括我們供水企業,對于這個設施還有很多不同的意見,這其實更多的是來源于大家認為這個設施可能會對市政管網所帶來的壓力沖擊,但是目前很難有一些詳細的數據給大家體現出來。(圖)這個是我們去年8月份,在全國5個城市做了20余個樣本的搜集,這個主要想展現給大家兩點數據,第一個是上面這個性能曲線,是采集的最高峰的一個用水時段,在這個用水時段里,市政管網的壓力24小時的壓力曲線變化范圍,下面這個數據是我們采集的二次供水設備在24小時運行頻率的變化波動范圍,通過這兩個性能曲線的對比,我們可以從中看出幾個問題:
  第一,當市政供水管網的壓力處于比較低的時侯,大多處于夜間無人用水的時段或者在高峰用水時段。但在高峰用水時段,跟設備本身的運行頻率非常高的時段來進行重合的同時,這個重合的階段非常少,有一部分重合的同時,也僅僅能夠看到會對市政管網產生1米左右的水頭壓降影響,如何測試試驗點的壓力,僅僅集中在設備的引入管上,如果在設備引入管產生1米左右的水頭壓降的同時,到市政管網產生的壓降影響會更小,這是我們看到的第一個現象。
  第二個現象,在所有項里面,我們采集的標本都是運行一年以上的項目數據,從這些數據表格中看出,這15個數據統計只有3個項目的運行頻率保持在45HZ以上的,就是我們涉及的高效點,剩余的所有項目大多數運行頻率在35HZ,遠遠低于設置的高效點,而且這是運行一年以上的項目。同時我們也看得見,事實上,如果在前期入住率不足的時候,包括在前期運行的時候,設備此時的運行頻率還會低于這些頻率,我們看到所有現在運行的二次供水設備,都取消掉了最早用的小流量調節泵,小流量調節泵解決了前期入住率比較低的問題,但設計的高效點還有很多不能夠達到額定負載的,對于滿足我們設備節能的同時,還有很多設計方面需要思考的問題。
  第三個是我們全國大概有500套設備,都配備我們的工業電腦,我們在做的很多數據的采集最終要做一個水力平衡模型數據庫。因為現有的所有二次供水設備,不管供南方還是北方的,它的大概控制邏輯都是比較相似的,或者供我們不同用戶的用水性質,比如說公建也好,住宅也好,但是事實上不同地域的,南北方用水習慣差別是相當大的。不同項目、性質之間用水變化也是非常大的。基于此如果把全國500個二次供水設施帶到工業電腦里邊,我們會收集大量的用水標本,然后會建立不同地域的、不同用水性質的用水曲線,建立龐大的數據庫,然后根據不同地域的二次供水設施曲線實現精準的有效調控。這是從節能角度在這三方向做的具體工作。

  從水質保障和改善方面,課題當中要求具有水質保障和改善功能,實際上是給我們提出了兩個不同的基礎。第一個是從出廠水質合格,到輸配水管網對水質沒有影響,我們對水質如何保障。現在可以看到我們的無負壓供水設備對水質保障起到了非常好的作用。但現在無負壓供水方式的結構還是比較簡單的,我們在這個過程中會擴大無負壓供水設備的系統研究,到現在為止我們做的罐式調節的、箱式調節的、高位調蓄調節的這幾種不同形式來適應不同管網的需求、不同用戶需求。

  在面對一些出廠水水質不達標的,或者在輸配水管網過程中可能對水質有影響的條件下,我們主要是在利用以超濾膜為核心、多種水處理方案組合來實現水質改善的功能。超濾膜對于水質保障的問題我就不再談了。大家對這方面都有著非常好的認識,這種超濾膜雖然是水處理非常好的技術,但是在跟我們的二次供水結合過程中帶來的集成技術問題也需要去解決。譬如在無負壓設備使用時,因為無負壓設備中間沒有緩沖水箱,而超濾膜在進行反沖洗的同時還要保證用戶持續不間斷的供水來做這種工藝的選擇,包括現在所有的無負壓供水設備的前端安裝倒流防止器,這樣會讓設備后端形成一個閉式系統,會對管網產生靜壓回傳的問題,也需要我們去解決靜壓回傳對膜組件損壞的問題。這個是我們工廠的實驗設備,在與膜組件的對接當中,在做很多這方面的技術研究。

  關于未來水質監測和系統在線監測問題,通過本課題的研究,要求研制與二次供水集成設備相配套的水質與系統監測、監控和預警等控制系統,實現遠程水質在線監測、可調控。非常驚喜的看到的衛生部發布的《2012年國家飲用水衛生監督監測工作方案》中提到重點開展集中式供水、二次供水、學校供水的水質監測,尤其提到了將城市二次供水納入到國家飲用水衛生監測網絡當中。包括北京在08年奧運會過程當中,也在兩個奧運項目當中實現了7項常規水質的在線監測,當時的水質監測投入非常大,在這個課題當中實現在線檢測,當然還要考慮它的經濟性問題,設施在利用過程當中導致的功能增加的同時造價的增加也會導致推廣難度的問題。我們在這個監測技術中選擇的顆粒物計數儀作為水質在線監測的一個重要方向,顆粒物計數儀實際上是國家“十一五”水專項中的子課題,也實現了國產化,但是目前主要應用與水廠水質分析當中,我們開發如何來應用于二次供水設備的小型化產品來去降低使用成本。再者,顆粒物計數儀在前端膜組件的集成過程中,對于膜的破損引起的跳變也會實現預見性的監測。最終,監測系統要與傳統的運行參數、流量、壓力,包括水質的在線監測,形成融合的在線監測平臺,最終對我們國家不同類型用戶的用水習慣、用水定額、用水變化分析也會帶來實際意義的參考。

  這個是我們當時做的概念性的產品,是應用于未來的二次供水設備所做出的概念性產品,這是我們去年參加的濟南水大會,當時也引起了仇部長等很多領導的高度關注,我們也相信通過這個課題的實施,一定會早日使我國居民“龍頭水”水質達到新的生活飲用水衛生標準,為我們國家的二次供水設備的更新換代提供技術和裝備支持,為我們國家的節能減排在二次供水行業的實現做出我們的貢獻!我的課題匯報完畢,謝謝大家!

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