水泵机组能耗分析与节能运行控制

成朝晖

（珠海水务集团有限公司，广东 珠海519000）

1 影响水泵机组能耗的相关因素

泵站实际运行当中，影响机组能耗的因素较多，有电网的供电质量问题，也有站内负荷分配与运行调度、水泵设计选型与运行调节控制等问题。针对不同的因素，采取相应的应对措施，能有效降低能耗，提高运行效率。

1.1 电源三相不平衡对水泵机组能耗产生的影响

在水厂的二级（清水）泵房，大多还采用380 V的低压机组，而用电系统负荷却非单一的三相电机，单相负载仍占有相当的比例，因而极有可能引起供电电源三相不平衡。对三相供电系统，按对称分量法可分解为正序、负序、零序分量，正序分量产生正向旋转磁场，对应为正向转矩；负序分量产生反向旋转磁场，相应为反向制动转矩；零序分量具有相同相角，不产生附加转矩，但会发生电磁振荡，引起发热、温度升高，并在星形连接的电机中性点与供电系统零线之间产生电位差，出现中性点移位现象。由于负序分量的存在，其反向力矩使得电机的输出功率大打折扣，不能产生满额定转矩；同时，电机轴承在不同的转矩分量作用下，可能发生机械损坏；电机的定、转子尤其是转子会出现过热，加速绝缘老化等。相应地，水泵能耗会变大，使机组效率降低，水泵的配套电机还得降低容量等级使用。

1.2 电源谐波对水泵机组能耗产生的影响

电源低压系统由于存在一些采用可控硅、PC开关电源、变频器等电子功率变流器的负载，会使电源系统产生高次谐波，而高次谐波会对电机会产生附加损耗，造成电磁噪音、振动和过电压。

1.3 泵站设计选型对水泵机组能耗产生的影响

水泵在设计选型时，由于对管路各种损失的计算通常采用最不利的运行工况，且为安全保险而选用偏大的摩擦阻力系数、安全系数，最终会造成选用的水泵扬程偏高，使得水泵额定扬程比实际运行扬程大得多。水泵在过低扬程运行时，可能引起配套电机过载，水泵运行偏离高效区等，不利于节能。

2 改造实例

唐家水厂位于珠海市东北部唐家湾地区，原水取自凤凰山水库，是唐家湾地区目前唯一的水厂，一期工程制水流程设计生产能力12万m3／d，由于唐家湾地区以高新产业园区及高等教育学院等绿色产业为主，同时人口也不多，所以1997年投产后，供水量增长缓慢，近3年来年均增长率仅为0.92%，供水量不大，但送水泵房机组能耗多年来一直较高，机组效率持续降低。为了加强节能降耗，提高机组效率，特对唐家水厂送水泵房机组运行情况进行分析，并提出改造方案。

2.1 水厂近3年机组运行数据分析

唐家水厂近3年来日均供水量62 480 m3／d，最大为85 453 m3／d，最小为41 489 m3／d。唐家湾地区近几年供水形势平稳，水厂仍有较大生产裕量，集团公司在保证供水的前提下，加强了调度经济运行管理，使得供水管网不断优化，管网总需求压力逐渐降低，管网总能耗下降。目前，水厂存在机组单位能耗偏高、效率偏低的现象，为配合管网调度经济运行与节能降耗，有必要对水厂机组的运行状况进行分析。

2.2 唐家水厂二泵房机组现状

唐家水厂送水泵房现有5个机位，已安装5台机组（其中1＃机组原采用变频器控制，1999年变频器故障后，一直停机未运行），日常生产根据压力的变化，采用2＃、3＃、4＃、5＃4台机组相互搭配的方式运行。机组参数如表1所示。

表1 唐家水厂二泵房机组参数

通过对比现有水泵参数与实际压力需求可知，唐家湾地区供水压力不高于0.43 MPa，但1＃、2＃、4＃、5＃机组额定扬程均为48 m，从实际运行情况来看供水总管压力基本在0.4 MPa左右，唐家水厂送水泵房现有5台机组水泵运行工况均已远离高效区（3＃机组额定扬程43 m，但由于额定流量偏小，实际运行中压力偏低，运行工况也已远离高效区），水泵特性与管网管道特性已不匹配，这就是机组单位电耗偏高、效率偏低的主要原因。为了节能降耗，保证供水需求，需对送水泵房现机组按实际需求进行更换改造。

2.3 新机组选型

2.3.1 参数确定

根据近3年出厂总管年平均压力及流量分布情况统计，唐家水厂目前出厂总管平均压力在0.37～0.43 MPa范围内，考虑到未来唐家湾地区发展及输水主干管扩建等因素，出厂总管压力将不会升高，而是稳中略降，所以新泵扬程不宜高也不宜低，选在40 m较合适。

唐家水厂全天出厂水流量基本在以下3个区间：

（1）1 200～1 500 m3／h，主要在凌晨供水低谷时段（约6 h，压力0.41 MPa左右）。

（2）2 300～2 700 m3／h，主要在下午及高峰低谷转换时段（约8 h，压力0.40 MPa左右）。

（3）3 400～3 800 m3／h，主要在上午、晚上供水高峰时段（约10 h，压力0.39 MPa左右）。

从流量及时段来分析，新泵流量宜选1 400 m3／h、3 600 m3／h两个级别，通过不同水泵组合搭配及水泵自身的调节性，可以满足各时段流量的需求。

2.3.2 搭配方案

根据新泵流量及实际供水需求状况，新泵的搭配方案如表2所示。

表2 新水泵机组搭配方案

对照分析以上4个方案的优缺点，从实用性考虑，方案Ⅱ和方案Ⅳ较有优势；再进一步考虑前期投入及以后的运行维护费用和为未来发展留有空间等方面，方案Ⅳ更有优势。

2.4 机组改造后的节能效果

新机组改造按方案Ⅳ进行节能计算，选定水泵参数（选某合资公司相同参数某型号水泵进行节能测算）如下：流量1 400 m3／h，扬 程 40 m，轴 功 率 180 k W，额 定 效 率 85%（ASP350-450 A）；流量3 600 m3／h，扬程40 m，轴功率445 k W，额定效率88.2%（SFWP50-600S1）。

对唐家水厂实际工况进行测算对比，结果如表3所示。

表3 唐家水厂实际工况测算对比

如果采用新机组，各时段流量及轴功率均按各区间平均数来计算。那么在供水量相同的条件下，配套电机效率按93%计，全年将比旧机组节电50万k W·h，全年用电量将下降13.8%。可节约电费（按0.74元／k W·h计）：500 000×0.74＝370 000元。

若按方案Ⅳ，只换水泵（按某合资公司报价）不换电机，仍用原电机，费用如下：3台水泵总价64万，安装调试及相关附件费15万，3台机组改造费用共79万。改造完成投入运行后，2年即可收回投资成本。

通过以上分析得出结论：唐家水厂送水泵房机组节能改造采用方案Ⅳ是合适的，也是有必要的。最终，唐家水厂送水泵房机组节能改造工程在2013年圆满完成。为了确保唐家湾地区的供水水压，按照实际用水情况将水泵最佳效率点的扬程上调了2 m，定为42 m，也对所选水泵进行了适当修改。根据近一年的跟踪统计，节能效果非常明显，按生产运行报表数据计算，全年实际比旧机组节电467 028 k W·h，全年用电量下降13%。

3 结语

运行中的泵组能耗指标受2方面因素影响，既有来自设备本身的因素，又有来自电网和输水管网的外部因素，用户可以通过对运行参数的测试与分析，展开有针对性的技术改造。对大多数泵站而言，可利用现有的测量仪表、数据采集装置，实时地计算并显示泵组的单位能耗、系统效率，并通过历史数据的追索，确定最佳运行工况点，利用现代控制技术达到节能的目的。

［1］张嘉恩.关于水泵机组节能运行的制约因素分析及改进建议［J］.给水排水，2013（4）

［2］王全东，钟佃洲，肖芙蓉.水泵机组运行效率及节能分析［J］.南方金属，2001（3）

［3］王新坤，袁寿其，刘建瑞，等.轻小型喷灌机组能耗计算与评价方法［J］.排灌机械工程学报，2010（3）