李迎春 廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)力工程系

在取水工程中，水泵是最普遍也是最重要的機(jī)電設(shè)備之一。但是，當(dāng)前取水工程中水泵使用效率低、運(yùn)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(yùn)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(shù)在取水工程中的應(yīng)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(shù)問題，綜合分析來看，水泵運(yùn)行高能耗是其主要原因。

通過仔細(xì)分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，水泵節(jié)能方面的常見技術(shù)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(yán)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(jìn)行運(yùn)作。另一方面，水泵連接運(yùn)行方式的配置不是很合理。這個(gè)一般是針對復(fù)雜系統(tǒng)，在這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中，水泵并聯(lián)或串聯(lián)運(yùn)行配置與客觀實(shí)際中的需要并不合理，從而導(dǎo)致水送能耗出現(xiàn)大量增加。

同時(shí)，由于回路漏滲增加無效流量從而導(dǎo)致水泵能耗增加、系統(tǒng)回路的阻力出現(xiàn)了嚴(yán)重不平衡從而導(dǎo)致主機(jī)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(dǎo)致能耗增加等等。

2.水泵運(yùn)行效率的影響因素分析

水泵有n（轉(zhuǎn)數(shù)）、H（揚(yáng)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(dāng)n（水泵轉(zhuǎn)速）的數(shù)值恒定不變時(shí)，Q-H，Q-N，Q-η、Q-Hs之間的關(guān)系曲線稱為水泵性能四條關(guān)系曲線。一般而言，水泵共同特點(diǎn)是：當(dāng)揚(yáng)程（H）發(fā)生一定的變化時(shí)，水泵其他相關(guān)工作參數(shù)變量也隨之將發(fā)生相應(yīng)的變化，基于相應(yīng)設(shè)計(jì)工況，此時(shí)，水泵效率最高，但是，一旦水泵的水流量超過設(shè)計(jì)的流量標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候，水泵工作效率則會(huì)出現(xiàn)隨著水泵流量的變化而降低。水泵運(yùn)行效率的制約因素主要包括兩個(gè)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(jī)械損失、容積損失、水力損失等三個(gè)方面的內(nèi)容：機(jī)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(yùn)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(gè)流程轉(zhuǎn)回到葉輪的進(jìn)口處所泄漏的流量，以及從水封管、填料函滲出管殼這兩個(gè)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(jī)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(yīng)就有機(jī)械、容積、水力等三種效率，泵的效率等于容積效率、機(jī)械效率和水力效率的乘積。

（2）水泵運(yùn)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?yàn)樗脙?nèi)部管道阻力的客觀存在，在多水泵組合運(yùn)行中，每一個(gè)單體水泵運(yùn)行特性與其在水泵單獨(dú)運(yùn)行的特性并不相同，而這個(gè)不同取決于水泵在運(yùn)行系統(tǒng)工況方面的諸多綜合性的因素，即：運(yùn)行方式對水泵效率高低的影響非常大。同時(shí)，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(dòng)裝置等整個(gè)系統(tǒng)，因此要從各個(gè)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(shù)的基本原理

根據(jù)最佳工況運(yùn)行原則，通過建立準(zhǔn)確的水力數(shù)學(xué)模型和參數(shù)采集標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)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(shù)。該技術(shù)利用精密儀器和先進(jìn)檢測技術(shù)，深度檢測系統(tǒng)相關(guān)的工況和設(shè)備參數(shù)，分析高能耗原因，從而精確地找到設(shè)備與流體輸送之間的最佳工況點(diǎn)，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(shù)：

（1）水泵的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。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(jìn)行變分有限元三元流動(dòng)分析，同時(shí)，通過采用CFD分析和試驗(yàn)進(jìn)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(shù)。通過加強(qiáng)對泵系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、診斷分析和優(yōu)化改造技術(shù)。加強(qiáng)專業(yè)技術(shù)人員利用高精度儀器儀表進(jìn)行水泵的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，通過現(xiàn)代化的計(jì)算軟件對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)。根據(jù)泵系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備參數(shù)和工藝要求，通過計(jì)算機(jī)軟件的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提出在滿足水泵工藝要求下耗能最低的運(yùn)行調(diào)度方案。

（4）水泵的運(yùn)行故障診斷和維修保養(yǎng)技術(shù)。通過專業(yè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控水泵等設(shè)備振動(dòng)、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(yùn)行故障進(jìn)行科學(xué)診斷，改善運(yùn)行環(huán)境，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

研究數(shù)據(jù)表明：通過上述四個(gè)方面的技術(shù)，水泵節(jié)能能夠得到很好實(shí)現(xiàn)：系統(tǒng)節(jié)電15-60%，則設(shè)備維修費(fèi)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(shù)的優(yōu)化思路

在取水工程的實(shí)踐中，解決水泵節(jié)能技術(shù)問題的方式有多種，那么取水工程中水泵節(jié)能技術(shù)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(jī)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(dǎo)致效率損失，實(shí)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(dú)有特點(diǎn)，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(dǎo)致的水泵高能耗，然后，從供水系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化著手，進(jìn)一步降低因?yàn)橄嚓P(guān)的負(fù)荷變化較大而導(dǎo)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(shí)現(xiàn)高度匹配的高效水泵或者葉輪，從而達(dá)到最佳節(jié)能效果。具體的實(shí)施方案如圖1，其實(shí)質(zhì)是：在進(jìn)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(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行二選一或者是全選。

圖1 取水工程中水泵節(jié)能技術(shù)優(yōu)化方案選擇

5.提升取水工程中水泵運(yùn)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(dòng)機(jī)，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(shù)的措施主要包括以下六個(gè)方面。

（1）根據(jù)工況點(diǎn)設(shè)計(jì)泵站實(shí)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(shè)計(jì)依據(jù)是滿足用戶最高時(shí)的水量和水壓要求。因此，必須深入調(diào)查具體工程的實(shí)際供水特點(diǎn)，而供水企業(yè)則需要充分吸納技術(shù)人員的水泵運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，找好在相關(guān)運(yùn)行區(qū)域水泵運(yùn)行常?？赡艹霈F(xiàn)的工況，并且以這個(gè)工況點(diǎn)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(shí)現(xiàn)水泵選型節(jié)能。根據(jù)取水工程中的實(shí)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(dāng)中，必須要綜合考慮對于那些不變工況下的水泵揚(yáng)程和流量等方面的具體情況，一定要仔細(xì)分析并且慎重對待，嚴(yán)格控制富裕量，如5-10%即可，不要把這個(gè)量放得過高。

（3）采用葉輪切削改造技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。切削葉輪是一種簡便、經(jīng)濟(jì)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(diǎn)作為水泵選型的依據(jù)。在這種選擇下進(jìn)行選泵，水泵流量和揚(yáng)程的參數(shù)與實(shí)際節(jié)能需要存在較大差距，從而導(dǎo)致水泵常常處于非高效運(yùn)行階段，浪費(fèi)電能。實(shí)施葉輪切削改造技術(shù)，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(jìn)行選泵或葉輪切削計(jì)算，同時(shí)，在這種情況下，平均值的使用兼顧了大小兩個(gè)工況點(diǎn)同時(shí)處于水泵運(yùn)行的高效區(qū)內(nèi)。通過葉輪切削改造技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了水泵的降能，提升經(jīng)濟(jì)效益。以長沙中聯(lián)泵業(yè)有限公司生產(chǎn)的6SA-6SA型單級(jí)雙吸離心泵為例，葉輪車削后的泵效率能夠達(dá)到75%左右。

（4）采用水泵運(yùn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)水泵節(jié)能。由于供水泵運(yùn)行時(shí)需要電網(wǎng)調(diào)峰，機(jī)組運(yùn)行時(shí)負(fù)荷變化頻繁，容易引發(fā)各種故障，使現(xiàn)場維護(hù)量增加，造成各種資源的浪費(fèi)，并且當(dāng)用戶需水量減少時(shí)，即系統(tǒng)特性曲線改變時(shí)，送水泵站的工況點(diǎn)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(yùn)行考慮采用選則合理水泵，采用合理的方法對水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，使水泵盡量在高效區(qū)運(yùn)行，提高水泵工作效率從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

（5）通過變頻調(diào)速實(shí)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(diǎn)。同時(shí)，變頻調(diào)速還能實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，并且能夠相對減少電網(wǎng)電流沖擊和運(yùn)行設(shè)備的機(jī)械沖擊，從而達(dá)到延長設(shè)備使用壽命的目的，是目前最為理想的調(diào)速方案。在實(shí)際節(jié)能改造中，應(yīng)該綜合考慮用戶經(jīng)濟(jì)條件、節(jié)能指標(biāo)和設(shè)備運(yùn)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(shè)備改造更有明顯節(jié)能效益。

（6）通過進(jìn)行管網(wǎng)改造實(shí)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(shè)管道等。比如，在供水過程中，多級(jí)加壓使供水環(huán)節(jié)多次增加，在這樣的過程中，無疑會(huì)增大管網(wǎng)損失。同時(shí)，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(shí)，常常會(huì)出現(xiàn)控制不當(dāng)反而造成水量流失。因此，在實(shí)際供水中水泵揚(yáng)程有余量，則可取消多級(jí)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(jié)束語

在取水工程中，水泵使用效率低、運(yùn)行成本高等問題嚴(yán)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(yùn)行效率的影響因素，根據(jù)水泵節(jié)能技術(shù)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(diǎn)運(yùn)行、采用水泵運(yùn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)、通過對水泵的變頻調(diào)速，并結(jié)合管網(wǎng)改造等措施的聯(lián)動(dòng)實(shí)施，可以達(dá)到取水工程水泵節(jié)能的最大化，從而實(shí)現(xiàn)取水工程運(yùn)行達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益。