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柳兵:二次供水设备的未来

  尊敬的各位院士,尊敬的各位领导,各位来宾大家下午好,我今天给大家带来的报告题目是二次供水设备的未来。

  随着我们国家这么多年的城镇化建设的积累,二次供水已经成为了我们国家城镇居民生活用水的最主要形式,今年也是城镇供水水质达标年,各区政府、包括供水企业为此做了大量的工作,但是我们确实也很鲜有的能够听见我们的各区政府,包括供水企业对居民的龙头水的水质是否也能达到国家的生活饮用水卫生标准呢?

  大家都知道,出厂水水质合格,但是经过管网的配水环节,经过二次加压环节,确实可能会对供水水质带来一定的影响,我们也确实看到,在二次供水这个终端环节里,去解决这个问题,也是一个切实可行的方向之一。非常可喜的是,在我们国家水体污染控制与治理科技重大排行当中,在十二五的规划当中,将新型二次供水设备的研制及产业化列为一项课题来进行研究。威派格也是非常荣幸地成为了这个课题的承办单位。在这个课题的研究过程当中,对于我们国家未来二次供水设备的功能的扩展,对于它很多的技术标准,提出了非常高的要求。我们也坚信,随着这个课题研究的进展,一定也会对我们国家未来二次供水设备的行业的发展带来积极的、有利的推动作用。

  我的报告题目一共分为三个部分,第一,我们国家二次供水设备的现状,第二,这次课题的主要目标,第三,课题的主要研究任务和研究方向。

  在2010年的时候我们对于我们国家的一些大中型城市的二次供水设施做了一些调研,从这个数据当中看的出来,每一百万的城市人口平均约拥有二次供水设施大概在两百到三百处,二次供水的比重目前是一个非常快速的上升趋势,二次供水已经成为了反应整个城市供水水平的非常重要的要素之一。到2010年底,我们国家现有的二次供水设施的存量大概有二十余万套。也是主要有几种形式的,像这种低位水池加变频供水、高低位水箱供水、气压供水到无负压供水,主要的城市供水是由这四种的二次供水的形式来组成的。但是在每一个城市中,因为城市的二次供水的管理内容不同,整个管网的情况不同,二次供水的主要形式也有很多不同。

  比如像在北京,目前现在七千余套的二次供水设施里约有百分之四十五是采用的我们这种无负压加压的形式,但有百分之四十的比例在用我们的低位水池加变频供水,还有百分之十五的比例在用我们的高位水池加气压供水这种供水方式。例如上海,可能是目前拥有我们全国城市最大数量的这种高位水箱供水模式,这种高位水箱在上海的城镇供水发挥了巨大的调蓄的作用。例如像江阴这种新兴的城市,大概两百多套的二次供水设备,约有百分之九十以上的比例都在采用这种无负压加压的方式。如果说按照每一套设备的装机容量二十千瓦去计,大概全国这二十余万套的存量每一年的耗电量约在180亿到200亿千瓦时。现在的二次供水设施里,我们经过调研看到,目前存在着流量、扬程远远超过用户的实际需求,这个设备运行很难根据我们的用户用水动态变化来进行有效精准的调控,同时现在所有的加压水泵当中所配备的异步变动机和我们的变频控制结合,尤其是在二次供水这种轻负载的特定情况下变频运行,我们的电机长时间运行效率都偏低,存在非常严重的浪费。

  目前二次加压供水的水质也面临着严峻的考验。我个人的观点去看的话,对于我们国家目前现在的二次供水水质影响最大的是我们国家对于二次供水整体的管理体系环节的缺失,导致在二次供水的设计、建造、验收、管理的环节过程当中无法进行有力的控制,这会对二次供水水质带来非常大的安全隐患,同时也有一些因为管路破裂导致漏水、管网的串流、污水的回灌引起的一些水质报告,也有来自于管网的一些沉淀物的泛起和管内壁所引起的水质浊度、色度、铁、锰等含量超标的问题。其次包括水中生物稳定性较高,余氯降低所引起的细菌、大肠杆菌的再度繁殖,包括现有的大批量的传统的二次供水设施,因为它的密闭性的问题,水之间的长流、滞留所引起的水质恶化,也成为了二次污染的一个重要的因素。同时现有的二次供水的管理内容、管理体系导致了一旦水质出现任何问题,我们是很难及时发现的,这些直接影响了居民的身体健康和生活质量,而成了一个被社会普遍关注的问题。

  面对今年的106项的水质新国标的实施,如何保障老百姓的终端水龙头的水质,同时也能达到新标准的要求,是我们目前所面临的一个非常重要而现实的问题。这是我们所看到的二次供水环节当中的内部材质的问题,包括外部的供水环境的问题,都会对供水水质带来很多的安全隐患,那也是针对目前传统的二次供水设施存在着以上大量问题,十二五国家水体污染控制与治理课题重大专项将新型二次供水设备研制及产业化列为课题进行研究,并且在2011年的下半年作为第一批的课题。这个课题所设置的主要目标是针对我国二次供水设施存在的安全隐患,大量二次供水设施面临着升级改造的迫切需求,要求研发具有显著节能效果和水质保障与改善功能的二次供水设备,并形成规模化的生产,对早日实现龙头水的水质达到生活饮用水的卫生标准提供技术和装备支持。

  如果这个主要目标能够预期实现的话,将会改变大家对二次供水设备的定义,对二次供水设备的很多看法,因为传统的二次供水设施的功能主要是集中在保证用户的水量和水压的问题。这里对于我们的要求有三项重点任务:一, 在研制和大幅降低能耗,提高效率,节能效果显著的保障供水安全,称它为二次供水设备,和我们现有的传统的变频和无负压供水设备相比,节能比例将提高百分之三十以上;二,通过本课题的研究研发制造对于水质有保障与改善功能模块化的二次供水集成设备,来实现龙头水的水质达到国家生活饮用水卫生标准;三,通过本课题的研究研制与二次供水集成设备相配套的水质与系统监测、监控的控制系统,来实现远程的水质在线监测、监控、信息互通和监控调度。

  在这个课题方面,对于这个课题提出的第一项重点任务高效节能方面,我们主要是通过三个方面来进行研究:一,我们将永磁同步电机的技术和二次供水设备相结合,来实现这种高效节能的目标;二,比较好的来去利用无负压的供水方式运用,来实现能源的有效结合;三,我们建立起全国的水业平衡的数学模型,来实现二次供水的精确调控,实现二次供水设备的过程节能。

  大家都知道,电机一共分为四个电机,I1是标准的效率,我们现在在通用的我们的异步电动机的效率水平,I2称之为高效率,I3是超高效率,I4是超超高效率,每一级的效率水平的提高,电机效率等级大概会提高到百分之二到五左右。美国是根据I3最新标准,在2010年度强制执行I3的标准,现有的电动机的平均效率大概在92%,欧盟国家从98年开始就大力推广节能电机,我们国家目前为止到2010年度的电动机的能效平均水平是I1的普通效率,电动机的综合平均效率大概在85%,和国外先进水平有着很大的差距。

  大家都知道,在稀土资源当中我们国家有着非常大的资源优势,稀土资源占到了世界探明储量的80%。进入90年代以后,稀土电机不仅仅是我们原来三航旅当中使用,工业化建设当中也在大批量的使用电机,已经迈向了大功率化的、高性能发展,不仅仅稀土材料是我们国家的资源优势,到现今为止,稀土电机的研发制造水平过程中我们国家的水平也步入了世界前列,包括最大的电机功率已经超过了一千千瓦,最高转速超过了三十万转,小电机实际上只有0.8个。

  我们把这种用永磁体来建立的磁场实现机械和电能转化的装置,称之为永磁同步电机,因为取消掉了原来的铁芯,不需要立磁电流,可以显著的提高功率因素。但最难能可贵的优势是在轻负载的时候依然能够保持非常高的效率,这样尤其适用于二次供水额定负载变化非常大的时候,有着非常好的优势特点,包括由这种变频器供电来调速的永磁电机在控制精度非常高的场合中也得到了非常广阔的运用。(图)上面这个红的性能曲线是我们的永磁电机的这种随着负载变化的功率因素的性能曲线,下面蓝的性能曲线是现在传统的异步电动机随着负载变化功率因素的变化曲线,大家可以看得见,永磁电动机基本上会保持在90.9%以上,而传统的异步电动机在处于轻负载的同时功率因素是一个非常快速下滑的曲线。

  它的效率和功率因数也形成了一个重合的曲线。在轻负载的同时,传统的异步电动机的效率处在一个非常低的水平。(图)这个是我们刚刚通过第三方质量技术监督局的检测报告,我们做了三个电机的对比,第一个是我们稀土永磁电机在规定点的电机性能和电机数据的检测报告,第二个是我们取到的一个国内的做多级立式离心泵非常优秀的厂家在规定点的系统数据报告,第三个是我们采用了一台国际上的非常知名的进口品牌的水泵的性能数据报告,我们最后看到结论,在规定点流量当中,这是5.5KW的电动机,在规定点21吨流量时,结果是看得见的,国产水泵的电机效率大概在59.23%,进口泵品牌在61.25%,而配置了我们稀土永磁电机的电机效率达到63.72 %。 实际上按照现在的电机能效等级来划分,稀土永磁电机的配置要高两个档。

  我们上个周刚刚做完一个低负载的测试报告,在电机运行在35HZ低频率运转过程当中,我们出具的是自己做的测试,不是第三方的,现在的35HZ频率运行的同时,稀土永磁电机会比传统的异步电机效率整体提高19%,这是一个非常大的数据。 同时,因为我们国家的稀土永磁同步电机都已经有了比较成熟的技术,但水泵的应用基本上都是二级电机,在二级同步电机的应用案例非常少。本项目将稀土永磁同步电机比较好的适用于二次供水系统中,实现很多系统针对性方案的改造,实现比较好的综合效率。我们相信,在二次供水稀土永磁领域当中,尤其是将来在城镇的供排水领域当中都有着非常广阔的应用空间。(图)这个是我们去年参加的德国柏林水展,我们的样机当时还有很多研究数据没出来,在这个柏林水展过程当中,也引起了国外行业当中高度的关注。在水泵领域当中,这个电机技术应用行业当中,国外很多企业、品牌都在做,但是他们现在做的比较成熟的技术,一般都集中在1KW以下,而我们当时做的是11KW规格的。

  第二个是通过永磁电机,最后会实现整个过程节能保持在20%以上的比例。第二个,在无负压供水方式当中实现能源的有效利用,实际上,无负压供水方式近10年在大中型城市当中得到了比较广泛的应用,但是目前我们城市的管理部门,包括我们供水企业,对于这个设施还有很多不同的意见,这其实更多的是来源于大家认为这个设施可能会对市政管网所带来的压力冲击,但是目前很难有一些详细的数据给大家体现出来。(图)这个是我们去年8月份,在全国5个城市做了20余个样本的搜集,这个主要想展现给大家两点数据,第一个是上面这个性能曲线,是采集的最高峰的一个用水时段,在这个用水时段里,市政管网的压力24小时的压力曲线变化范围,下面这个数据是我们采集的二次供水设备在24小时运行频率的变化波动范围,通过这两个性能曲线的对比,我们可以从中看出几个问题:
  第一,当市政供水管网的压力处于比较低的时侯,大多处于夜间无人用水的时段或者在高峰用水时段。但在高峰用水时段,跟设备本身的运行频率非常高的时段来进行重合的同时,这个重合的阶段非常少,有一部分重合的同时,也仅仅能够看到会对市政管网产生1米左右的水头压降影响,如何测试试验点的压力,仅仅集中在设备的引入管上,如果在设备引入管产生1米左右的水头压降的同时,到市政管网产生的压降影响会更小,这是我们看到的第一个现象。
  第二个现象,在所有项里面,我们采集的标本都是运行一年以上的项目数据,从这些数据表格中看出,这15个数据统计只有3个项目的运行频率保持在45HZ以上的,就是我们涉及的高效点,剩余的所有项目大多数运行频率在35HZ,远远低于设置的高效点,而且这是运行一年以上的项目。同时我们也看得见,事实上,如果在前期入住率不足的时候,包括在前期运行的时候,设备此时的运行频率还会低于这些频率,我们看到所有现在运行的二次供水设备,都取消掉了最早用的小流量调节泵,小流量调节泵解决了前期入住率比较低的问题,但设计的高效点还有很多不能够达到额定负载的,对于满足我们设备节能的同时,还有很多设计方面需要思考的问题。
  第三个是我们全国大概有500套设备,都配备我们的工业电脑,我们在做的很多数据的采集最终要做一个水力平衡模型数据库。因为现有的所有二次供水设备,不管供南方还是北方的,它的大概控制逻辑都是比较相似的,或者供我们不同用户的用水性质,比如说公建也好,住宅也好,但是事实上不同地域的,南北方用水习惯差别是相当大的。不同项目、性质之间用水变化也是非常大的。基于此如果把全国500个二次供水设施带到工业电脑里边,我们会收集大量的用水标本,然后会建立不同地域的、不同用水性质的用水曲线,建立庞大的数据库,然后根据不同地域的二次供水设施曲线实现精准的有效调控。这是从节能角度在这三方向做的具体工作。

  从水质保障和改善方面,课题当中要求具有水质保障和改善功能,实际上是给我们提出了两个不同的基础。第一个是从出厂水质合格,到输配水管网对水质没有影响,我们对水质如何保障。现在可以看到我们的无负压供水设备对水质保障起到了非常好的作用。但现在无负压供水方式的结构还是比较简单的,我们在这个过程中会扩大无负压供水设备的系统研究,到现在为止我们做的罐式调节的、箱式调节的、高位调蓄调节的这几种不同形式来适应不同管网的需求、不同用户需求。

  在面对一些出厂水水质不达标的,或者在输配水管网过程中可能对水质有影响的条件下,我们主要是在利用以超滤膜为核心、多种水处理方案组合来实现水质改善的功能。超滤膜对于水质保障的问题我就不再谈了。大家对这方面都有着非常好的认识,这种超滤膜虽然是水处理非常好的技术,但是在跟我们的二次供水结合过程中带来的集成技术问题也需要去解决。譬如在无负压设备使用时,因为无负压设备中间没有缓冲水箱,而超滤膜在进行反冲洗的同时还要保证用户持续不间断的供水来做这种工艺的选择,包括现在所有的无负压供水设备的前端安装倒流防止器,这样会让设备后端形成一个闭式系统,会对管网产生静压回传的问题,也需要我们去解决静压回传对膜组件损坏的问题。这个是我们工厂的实验设备,在与膜组件的对接当中,在做很多这方面的技术研究。

  关于未来水质监测和系统在线监测问题,通过本课题的研究,要求研制与二次供水集成设备相配套的水质与系统监测、监控和预警等控制系统,实现远程水质在线监测、可调控。非常惊喜的看到的卫生部发布的《2012年国家饮用水卫生监督监测工作方案》中提到重点开展集中式供水、二次供水、学校供水的水质监测,尤其提到了将城市二次供水纳入到国家饮用水卫生监测网络当中。包括北京在08年奥运会过程当中,也在两个奥运项目当中实现了7项常规水质的在线监测,当时的水质监测投入非常大,在这个课题当中实现在线检测,当然还要考虑它的经济性问题,设施在利用过程当中导致的功能增加的同时造价的增加也会导致推广难度的问题。我们在这个监测技术中选择的颗粒物计数仪作为水质在线监测的一个重要方向,颗粒物计数仪实际上是国家“十一五”水专项中的子课题,也实现了国产化,但是目前主要应用与水厂水质分析当中,我们开发如何来应用于二次供水设备的小型化产品来去降低使用成本。再者,颗粒物计数仪在前端膜组件的集成过程中,对于膜的破损引起的跳变也会实现预见性的监测。最终,监测系统要与传统的运行参数、流量、压力,包括水质的在线监测,形成融合的在线监测平台,最终对我们国家不同类型用户的用水习惯、用水定额、用水变化分析也会带来实际意义的参考。

  这个是我们当时做的概念性的产品,是应用于未来的二次供水设备所做出的概念性产品,这是我们去年参加的济南水大会,当时也引起了仇部长等很多领导的高度关注,我们也相信通过这个课题的实施,一定会早日使我国居民“龙头水”水质达到新的生活饮用水卫生标准,为我们国家的二次供水设备的更新换代提供技术和装备支持,为我们国家的节能减排在二次供水行业的实现做出我们的贡献!我的课题汇报完毕,谢谢大家!



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