水泵節(jié)能技術在取水工程中的應用研究

李迎春 廣西電力職業(yè)技術學院動力工程系

在取水工程中，水泵是最普遍也是最重要的機電設備之一。但是，當前取水工程中水泵使用效率低、運行成本高等問題較多。雖然有的選用了節(jié)能型水泵，但選型匹配、運行方式存在問題，影響了節(jié)能效益的有效發(fā)揮。因此，加快水泵節(jié)能技術在取水工程中的應用顯得尤為緊迫和重要。

1.取水工程中的水泵高耗能問題

在取水工程中，水泵節(jié)能方面的常見技術問題，綜合分析來看，水泵運行高能耗是其主要原因。

通過仔細分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，水泵節(jié)能方面的常見技術問題主要包括以下內(nèi)容：一方面，水泵和管道之間不匹配。存在嚴重的“大馬拉小車”現(xiàn)象，我們常常可以發(fā)現(xiàn)，水泵一般是在“大流量、低效率、高功耗”中的不利工況下進行運作。另一方面，水泵連接運行方式的配置不是很合理。這個一般是針對復雜系統(tǒng)，在這個復雜系統(tǒng)中，水泵并聯(lián)或串聯(lián)運行配置與客觀實際中的需要并不合理，從而導致水送能耗出現(xiàn)大量增加。

同時，由于回路漏滲增加無效流量從而導致水泵能耗增加、系統(tǒng)回路的阻力出現(xiàn)了嚴重不平衡從而導致主機能耗和水泵能耗的額外增加，以及水泵質(zhì)量方面的偏差問題出現(xiàn)效率偏低從而導致能耗增加等等。

2.水泵運行效率的影響因素分析

水泵有n（轉數(shù)）、H（揚程）、Q（流量）、N（軸功率）、η（效率）、HS（允許吸上真空高度）等方面的工作參數(shù)，當n（水泵轉速）的數(shù)值恒定不變時，Q-H，Q-N，Q-η、Q-Hs之間的關系曲線稱為水泵性能四條關系曲線。一般而言，水泵共同特點是：當揚程（H）發(fā)生一定的變化時，水泵其他相關工作參數(shù)變量也隨之將發(fā)生相應的變化，基于相應設計工況，此時，水泵效率最高，但是，一旦水泵的水流量超過設計的流量標準的時候，水泵工作效率則會出現(xiàn)隨著水泵流量的變化而降低。水泵運行效率的制約因素主要包括兩個方面：

（1）水泵的泵內(nèi)損失對水泵效率的影響。水泵的泵內(nèi)損失主要包括機械損失、容積損失、水力損失等三個方面的內(nèi)容：機械損失主要是指常說的水泵輪盤損失，它包括了軸承內(nèi)和填料函內(nèi)摩擦損失，以及水泵的葉輸在水中工作運行中所引起的損失；容積損失主要指這樣的損失，水泵的從減漏環(huán)、平衡孔這個流程轉回到葉輪的進口處所泄漏的流量，以及從水封管、填料函滲出管殼這兩個外所泄漏的流量所早晨的水泵功率的消耗；水力損失主要是指這樣的損失，水流從水泵入口到出口之間泵內(nèi)所全面流過的部件內(nèi)部的摩擦阻力和旋渦損失。水泵的軸功率損失主要包括了機械、容積和水力等三種，而其所剩下的功率則為水泵的有效功率。那么，水泵對應就有機械、容積、水力等三種效率，泵的效率等于容積效率、機械效率和水力效率的乘積。

（2）水泵運行方式對效率的影響。一般來說，在供水系統(tǒng)的多泵共聯(lián)中，因為水泵內(nèi)部管道阻力的客觀存在，在多水泵組合運行中，每一個單體水泵運行特性與其在水泵單獨運行的特性并不相同，而這個不同取決于水泵在運行系統(tǒng)工況方面的諸多綜合性的因素，即：運行方式對水泵效率高低的影響非常大。同時，由于水泵具有的節(jié)能因素，既包括泵體本身，也包括泵體在內(nèi)的管網(wǎng)、電源、傳動裝置等整個系統(tǒng)，因此要從各個方面挖掘水泵在取水工程中的各種節(jié)能潛力。

3.取水工程中水泵節(jié)能技術的基本原理

根據(jù)最佳工況運行原則，通過建立準確的水力數(shù)學模型和參數(shù)采集標準，基于客觀需求，量身定做高效節(jié)能泵或高效葉輪，從而解決循環(huán)水過流量引起能耗增加的現(xiàn)象，實現(xiàn)水泵的節(jié)能最大化。針對循環(huán)水系統(tǒng)中普遍存在的“大流量、低效率、高能耗”情況，比較常用的是“3+1”流體輸送高效節(jié)能技術。該技術利用精密儀器和先進檢測技術，深度檢測系統(tǒng)相關的工況和設備參數(shù)，分析高能耗原因，從而精確地找到設備與流體輸送之間的最佳工況點，從而做出最佳方案，消除因系統(tǒng)配置等方面造成的不合理高能耗，提高流體輸送效率。目前，主要有四大技術：

（1）水泵的設計與制造技術。采用目前比較常見且非常經(jīng)典的三元理論對水力模型和流道進行變分有限元三元流動分析，同時，通過采用CFD分析和試驗進行篩選和修正，開發(fā)包括了離心泵、混流泵和軸流泵等多種方式的高效水力模型。而在制造方面，多采用精密鑄造，提高表面質(zhì)量和型線尺寸精度、零件精度和表面光潔度。

（2）水泵的優(yōu)化分析技術。通過加強對泵系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、診斷分析和優(yōu)化改造技術。加強專業(yè)技術人員利用高精度儀器儀表進行水泵的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，通過現(xiàn)代化的計算軟件對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進行專業(yè)的診斷分析，從而提出水泵的優(yōu)化改造方案。

（3）水泵的優(yōu)化調(diào)度和改造技術。根據(jù)泵系統(tǒng)的相關設備參數(shù)和工藝要求，通過計算機軟件的實時監(jiān)控，提出在滿足水泵工藝要求下耗能最低的運行調(diào)度方案。

（4）水泵的運行故障診斷和維修保養(yǎng)技術。通過專業(yè)設備，實時監(jiān)控水泵等設備振動、軸承溫度、噪音、泄漏、軸承發(fā)熱和汽蝕等數(shù)據(jù)，對水泵的運行故障進行科學診斷，改善運行環(huán)境，確保設備安全運行。

研究數(shù)據(jù)表明：通過上述四個方面的技術，水泵節(jié)能能夠得到很好實現(xiàn)：系統(tǒng)節(jié)電15-60%，則設備維修費節(jié)省20-40%、使用壽命延長30-40%、保養(yǎng)減少20-30%。

4.取水工程中水泵節(jié)能技術的優(yōu)化思路

在取水工程的實踐中，解決水泵節(jié)能技術問題的方式有多種，那么取水工程中水泵節(jié)能技術的優(yōu)化思路也有多種，我們既可以選擇水泵葉輪切削、電機加裝變頻調(diào)速、供水系統(tǒng)改造和優(yōu)化等降低消耗中的一種，也可以在這些方式中選擇兩種或者兩種以上的組合式節(jié)能，避免或者減少由于水泵在取水工程中偏離高效工作區(qū)從而導致效率損失，實現(xiàn)取水工程中水泵節(jié)能優(yōu)化。

根據(jù)取水工程中不同系統(tǒng)的各自獨有特點，一般選擇最初從系統(tǒng)配置和優(yōu)化著手，檢測并消除因配置不合理等問題導致的水泵高能耗，然后，從供水系統(tǒng)的運行優(yōu)化著手，進一步降低因為相關的負荷變化較大而導致的取水工程系統(tǒng)的高能耗，最后從水泵的水力性能等方面優(yōu)化著手，選擇或者通過切削手段實現(xiàn)高度匹配的高效水泵或者葉輪，從而達到最佳節(jié)能效果。具體的實施方案如圖1，其實質(zhì)是：在進行整改系統(tǒng)不利因素的前提下，對高效節(jié)能泵或高效葉輪、自動控制系統(tǒng)進行二選一或者是全選。

圖1 取水工程中水泵節(jié)能技術優(yōu)化方案選擇

5.提升取水工程中水泵運行效率的措施

針對取水工程中現(xiàn)存的大量淘汰型水泵及落后電動機，逆止閥等配套裝置，節(jié)能需求非常大，采取各種水泵節(jié)能技術的措施主要包括以下六個方面。

（1）根據(jù)工況點設計泵站實現(xiàn)水泵節(jié)能。在取水工程中，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，水泵站供水量的設計依據(jù)是滿足用戶最高時的水量和水壓要求。因此，必須深入調(diào)查具體工程的實際供水特點，而供水企業(yè)則需要充分吸納技術人員的水泵運行實踐經(jīng)驗，找好在相關運行區(qū)域水泵運行常常可能出現(xiàn)的工況，并且以這個工況點來確定本區(qū)域所選水泵的高效區(qū)。

（2）通過控制富裕量實現(xiàn)水泵選型節(jié)能。根據(jù)取水工程中的實際需要，選用匹配的水泵，避免“小馬拉大車”或“大馬拉小車”。在水泵的選型當中，必須要綜合考慮對于那些不變工況下的水泵揚程和流量等方面的具體情況，一定要仔細分析并且慎重對待，嚴格控制富裕量，如5-10%即可，不要把這個量放得過高。

（3）采用葉輪切削改造技術實現(xiàn)節(jié)能。切削葉輪是一種簡便、經(jīng)濟的節(jié)能措施。在傳統(tǒng)的送水泵選型中，一般選擇管網(wǎng)的最不利工況點作為水泵選型的依據(jù)。在這種選擇下進行選泵，水泵流量和揚程的參數(shù)與實際節(jié)能需要存在較大差距，從而導致水泵常常處于非高效運行階段，浪費電能。實施葉輪切削改造技術，一般是以管網(wǎng)用水的流量和壓力等參數(shù)的平均值來作為水泵選型依據(jù)，進行選泵或葉輪切削計算，同時，在這種情況下，平均值的使用兼顧了大小兩個工況點同時處于水泵運行的高效區(qū)內(nèi)。通過葉輪切削改造技術，從而實現(xiàn)了水泵的降能，提升經(jīng)濟效益。以長沙中聯(lián)泵業(yè)有限公司生產(chǎn)的6SA-6SA型單級雙吸離心泵為例，葉輪車削后的泵效率能夠達到75%左右。

（4）采用水泵運行經(jīng)濟調(diào)節(jié)實現(xiàn)水泵節(jié)能。由于供水泵運行時需要電網(wǎng)調(diào)峰，機組運行時負荷變化頻繁，容易引發(fā)各種故障，使現(xiàn)場維護量增加，造成各種資源的浪費，并且當用戶需水量減少時，即系統(tǒng)特性曲線改變時，送水泵站的工況點也發(fā)生了變化，水泵流量發(fā)生改變，影響水泵工作效率，在運行考慮采用選則合理水泵，采用合理的方法對水泵進行調(diào)節(jié)，使水泵盡量在高效區(qū)運行，提高水泵工作效率從而實現(xiàn)節(jié)能。

（5）通過變頻調(diào)速實現(xiàn)水泵節(jié)能。變頻調(diào)速具有調(diào)速效率和功率因數(shù)較高，調(diào)速范圍相對較寬泛，調(diào)速的精度相對較高等優(yōu)點。同時，變頻調(diào)速還能實現(xiàn)軟起動，并且能夠相對減少電網(wǎng)電流沖擊和運行設備的機械沖擊，從而達到延長設備使用壽命的目的，是目前最為理想的調(diào)速方案。在實際節(jié)能改造中，應該綜合考慮用戶經(jīng)濟條件、節(jié)能指標和設備運行要求選擇改造方案。液力耦合器屬于低效調(diào)速方式，有明顯節(jié)能效果，且投資少、見效快、資金回收周期短，對于老設備改造更有明顯節(jié)能效益。

（6）通過進行管網(wǎng)改造實現(xiàn)節(jié)能。通過管網(wǎng)改造降低管網(wǎng)損失，其具體方法是降低管網(wǎng)阻力、增設管道等。比如，在供水過程中，多級加壓使供水環(huán)節(jié)多次增加，在這樣的過程中，無疑會增大管網(wǎng)損失。同時，在取水工程用戶中，并不是所有用戶需要加壓供水，比如低樓層的用戶，在水壓增高時，常常會出現(xiàn)控制不當反而造成水量流失。因此，在實際供水中水泵揚程有余量，則可取消多級加壓，不需加壓的用戶盡量一次上水管網(wǎng)；盡可能地縮短管路距離，拆除多余的彎管、閥門、變徑管，采用微阻緩閉止回閥等，以減少局部損失；條件許可的情況下，盡量增大管路內(nèi)徑以降低流速；定期清洗管道，防止管內(nèi)污垢使管徑變小。

6.結束語

在取水工程中，水泵使用效率低、運行成本高等問題嚴重影響水泵節(jié)能效益和取水工程效益的有效發(fā)揮。通過分析取水工程中的水泵耗能與運行效率的影響因素，根據(jù)水泵節(jié)能技術的基本原理和優(yōu)化思路，可以得知：在取水工程通過合理水泵選型，保持水泵在合適的工況點運行、采用水泵運行經(jīng)濟調(diào)節(jié)、通過對水泵的變頻調(diào)速，并結合管網(wǎng)改造等措施的聯(lián)動實施，可以達到取水工程水泵節(jié)能的最大化，從而實現(xiàn)取水工程運行達到較好的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益。