節能技術在取水泵改造中的應用

胥媛

（北京京源水務有限公司，北京100049）

某水務公司取水站統籌整合京西南地區供水資源，保障北京西南地區供水安全。年供原水約1.4億立方米，主要供水設備為8臺離心泵。由于設備投用時間較早，運行中一直存在效率低、能耗高等問題。為聚焦“雙碳”目標，公司主動尋求節能降耗路徑。

1 早期節能改造分析

水泵耗電量在社會總用電量中所占比重很大，該領域進行的各種節能技術研究也一直為世界各國所重視。據我國第三次工業普查數據，水泵用電量占社會總用電量21%。節能工作一直是國家經濟發展的一項長期戰略方針，也是企業降低成本的有效手段。因此推進節能技術進步，降低單位產值能耗和單位產品能耗是一項重要工作。

由于設計工況與實際工況不符使水泵無法高效運行，造成能源浪費。企業自2015年開展合同能源管理項目，針對取水站4號泵進行了高效節能葉輪改造。

1.1 改造思路

改造前對水系統泵組的運行數據和設備參數進行分析，判別水系統泵組是否存在高能耗及原因，并找出設備與流體輸送的最佳工況點，設計出最佳水泵參數（包括流量、揚程等）。這樣設計出的節能葉輪運行參數與工況所需參數較為吻合，節能水泵運行保持在最佳工況點附近，運行電耗降低。

1.2 改造結果

取水站單開4#泵，雙管運行，通過記錄泵后壓力計算揚程，流量通過某山水廠配合實時記錄出水流量。詳見表1及表2。

表1 4#泵改造前數據

表2 4#泵改造后數據

按照現有技術規程，取水站送出水的壓力為0.20～0.32 MPa，而4#泵供水壓力在0.2 MPa時供水流量為5 854 m3/h，可知改造后4#泵的供水能力有所下降，如圖1所示。從改造前后泵的性能曲線對比來看，在4#泵供出相同流量的前提下，揚程有所下降。

圖1 實測4#泵改造前后性能曲線對比

1.3 存在問題

（1）盡管水泵高耗能問題有所改善，但切削葉輪后水泵無法滿足滿負荷運行工況，造成該設備只能在特殊工況下使用，極大限制了運行調度。

（2）從項目投資情況來看，按照合同能源管理約定，對方收取節能效益的80%作為改造報酬，此方式周期長達60個月，雙方需投入大量精力進行結算；且由于雙機組運行無法精準測量單臺泵的出水量和結算量，節能效益核算易產生糾紛。

2 三元流葉輪及碳化硅陶瓷涂層相結合的節能技術

該節能減排計劃提出后，通過對多種節能技術進行綜合比選，最終確定采用三元流葉輪注注：“三元流葉輪”是指以“三元流動”理論為依據而設計、改造或制造的葉輪，其葉片更適應流體的實際流動情況，在實際應用中效率更高、能耗更低。及碳化硅陶瓷涂層技術相結合對水泵進行節能改造。該方法針對水泵本體進行改造，在提升水泵運行效率的前提下，不改變設備性能，避免早期改造后出現的水泵無法滿足滿負荷工況的情況。

取水泵站自團成湖取水后通過離心水泵為某市屬自來水集團提供原水，下游用戶用水量較為穩定，常年運行2臺大功率水泵保障下游供水，其中2#和7#為主力泵組，1#和8#為備用泵組。

根據以往經驗，由于現有設備設施計量不完善，不能準確提供單臺水泵的流量及用電數據，易導致在節能率確認階段產生糾紛。因此，該改造項目將主力泵組2#和7#兩臺水泵作為一組，同時約定以水泵配用電機的額定功率630 kw作為節能測量基準。

2.1 改造方法

（1）2#及7#泵設備參數

改造前，兩臺泵至今已分別運行38年和46年。常年運行的大功率水泵能耗較高，年均耗電量1 044萬kW·h。

（2）工藝流程

第一步：泵體內壁脫鹽脫脂，去除內壁的可溶性污染及油脂，增加涂層的粘結強度。

第二步：修補泵內壁的凹凸、破損、磨損處及葉輪的汽蝕破損和穿孔。增加泵體及葉輪的厚度及間隙，密封環與葉輪的間隙調整到最精準范圍內，最大限度的減少流體回流現象。

第三步：應用“三元流動”理論[1]，把葉輪內部的三元立體空間無限分割，通過對葉輪流道內各工作點的分析，建立完整、真實的葉輪內流動數學模型[2]。

此次改造在水泵原有葉輪上進行。將葉輪內部三元立體空間無限分割，對葉輪流道內的各工作點分析，建立完整、真實的葉輪內流動數學模型，準確的分析葉輪流道情況。該方法反映流體的流場、壓力分布，也最接近實際[3]。通過模擬流體流動的實際情況，修整扇葉和蓋板的曲率和斜率，調整出最佳的葉輪結構，使流體在葉輪中實現三元流動，從而更好的滿足工況要求，提升流動效率，降低能量損失，節能率可達到5%～20%。

與傳統加工方法不同，在該葉輪加工過程中，為了實現高精度修復，使用冷焊接技術進行修復補全。該方法可有效避免傳統焊接所產生的熱變問題，實現測試數據與實際情況的成功轉化。

第四步：為水泵內腔噴涂陶瓷涂層材料，利用其固有的超疏水性和耐磨特性，提升并持續保持水泵節能效果，同時延長零部件的使用壽命。

常見的通過減少水利損失，降低水泵能耗的方法對比見表3。

表3 減少水利損失降低水泵能耗的方法對比

該改造所使用的HP2011 Cer-Clide超滑疏水陶瓷涂層，具有“超疏水性”，有效克服了流體的“粘滯性”特性，使泵輸送的液體在泵內流動時，降低水力、容積和機械損失，具體特性參數見表4。

表4 特性參數測試結果

碳化硅陶瓷涂層內不含水及有機溶液，配合BTS專利型噴涂系統，智能控制涂層厚度和形狀，為水泵內壁提供緊密保護層。涂層中不會產生氣泡，進而避免了針孔腐蝕及層下腐蝕，保證在一定程度的流體沖刷、腐蝕等工況下不會發生脫落現象。通過材料的疏水性和抗磨損特性提升并持續保持水泵效率，同時利用其犧牲保護特性，可延長零件使用壽命。

（3）針對2#和7#水泵本體進行節能改造，設備外觀變化僅為涂鍍于水泵內腔的碳化硅陶瓷涂層。

2.2 測量方法

改造前，在兩條出水管線上分別安裝兩臺流量計，用以改造前后數據的計量。

由于供應水量處于持續波動狀態，瞬時測量法可能存在較大誤差，因此采用區間測量法。通過連續測量一定周期內累計電量、累計流量，計算單位水量耗電量。該方法可有效反映節能率，避免水量波動、測量周期時長等干擾因素引起的誤差。

通過對比改造前后的單位水量耗電量，得到改造節能率。

3 項目節能量測算

3.1 項目節能量測算的依據和基礎數據

測算依據：2#和7#水泵節能改造前耗能為電能，單位耗能具體體現為水泵配用電機送水時所消耗的用電度數及度電/噸水（kw·h/t）。

通過對水泵本體技術改造提高水泵運行效率，在保證水泵輸出流量和壓力不變的情況下，降低水泵配用電機的功率，降低水泵耗電量10%以上。

3.2 改造前后數據記錄

改造前測量周期從2021年9月23日16時至2021年10月9日8時，具體數據詳見表5。改造后測量周期從2021年12月8日8時至2021年12月23日8時，具體數據詳見表6。

表5 改造前監測數據

表6 改造后監測數據

3.3 節能率計算

根據改造前后實際數據測量結果，噸水電耗從0.097 84下降到0.087 59，根據節能率計算公式可以得出：

節能率＝（改造前單耗-改造后單耗）/改造前單耗×100%＝

（0.097 84-0.087 59）/0.097 84×100%＝10.47%

由此可見，改造達到降低水泵耗電量10%以上的節能目標。

3.4 節能減排收益計算

1）節能效益：

改造后水泵年節約用電：

630×2×8 600×10.47%＝1 134 529.2 kw·h

2）減排效益：

標準煤與電能的換算：

1 134 529.2 kw·h×0.000 27 t標準煤/kw·h＝306.32 t標準煤

CO2與電能的換算：

1 134 529.2 kw·h×0.000 592 t CO2/kw·h＝671.64 tCO2

此次改造為我公司節約標煤306.32 t/a、減少二氧化碳排放671.64 t/a。

3）經濟效益：

按照運行電費0.7元/kw·h進行計算，可節約電費：

1 134 529.2×0.7＝79.42萬元/a。

3.5 實際節能效果展示

經過4個月常規運行，2#泵及7#泵耗能量明顯下降，詳見表7。

表7 水泵年均單位電耗變化 kw·h/m3

由于1-4月為低水位期，單位水耗電已發生明顯下降，曲線對比如圖2所示。

圖2 2#及7#泵改造前后月度電量單耗曲線對比

6 結論

取水泵站2#、7#泵組的改造達到了預期的節能效果。三元流葉輪與碳化硅陶瓷涂層技術相結合后取得的節能效果明顯，該節能技術的優勢已得到充分體現。

（1）該項技術是針對水泵本體進行改造，在不改變電機、泵體、泵軸、管線等設備設施的情況下進行，工期短、影響范圍小、改造方便、易實施，實用性強。

（2）三元流葉輪技術實用性和靈活性強，應用前景好。供排水行業水泵運行普遍存在水泵設計工況與實際工況不吻合的情況，使水泵無法高效運行，造成能源浪費。三元流葉輪模型搭配冷焊技術應用，通過修整扇葉和蓋板的曲率等工藝流程對水泵葉輪進行設計優化，使泵葉輪輸水效率提高是該項水泵節能技術的創新之處。

（3）專利型碳化硅陶瓷涂層技術可有效降低流體阻力損失，長周期提升水泵運行效率，同時增強水泵抗耐磨性。

（4）一般情況下改造后葉輪槽道更寬，水流速減小，且內壁進行了涂層處理，可避免氣蝕或減緩氣蝕現象發生。

（5）三元流葉輪及碳化硅陶瓷涂層相結合的節能技術降低水泵能耗效果顯著。