国内离心泵节能措施浅析

何玉芬，张镭漓，王振龙，梁 晨

（1.四川大学水利水电学院，四川成都 610000；2.四川大学建筑与环境学院，四川成都 610000）

1 离心泵概述

离心泵是靠叶轮高速旋转时产生的离心力来运输液体的泵，由叶轮、泵体、泵轴、轴承、密封环和填料函等部分组成。离心泵具有较宽的扬程和流量范围，运行平稳，易于安装和维护，被广泛应用于农业灌溉、城镇给排水、水利工程等方面。泵站是由水泵机组、压力管道和电气设备等组成的装置，可提供一定压力、流量的液体动力和气压动力。

国内流体机械专业机构研究显示，全球水泵电力消耗约占工业设备总消耗的25%，而离心泵耗电约占水泵耗电的50%。我国离心泵电力需求量更是高达水泵耗电的80%［1］。国家科技部及发展和改革委员会联合发布的《中国节能技术政策大纲》（2006年）明确指出，要“发展、推广高效率的泵类设备”。因此，提高泵的运行效率、降低能耗势在必行。

2 国内离心泵存在的问题

2.1 运转总效率低

水泵传递能量的有效程度称为效率。水泵总效率η=ηmηvηh，其中，ηm、ηv、ηh分别为机械效率、容积效率和水力效率［2］。由于流量和扬程的不同，水泵效率会在10%～90%间变化。

机械损失大部分由机械零部件间的摩擦而产生，最主要损失来自圆盘的摩擦。叶轮两侧与蜗壳之间的流体在叶轮的作用下，在小空间内做回流运动，消耗了叶轮提供的能量，从而消耗了整个离心泵的能量［3］。圆盘摩擦损失正比于叶轮转速的三次方、叶轮外径的五次方，随着转速和外径的增大而快速增加。

容积损失又称泄漏损失，是由渗漏流量引起的损失。在旋转部件和静止部件的间隙两侧存在压强差，使部分已获得能量的液体从高压区流入低压区，能量未被有效利用。

水力损失是由流体从水泵进口流至出口时在泵内部产生的，主要有流经各过流段的沿程水力损失、过流断面或液体方向突然改变带来的局部水力损失和漩涡、冲击引起的损失等。其大小与液体种类及其在泵内流动的形态和流道的结构型式、表面粗糙度有关。

我国离心泵的运行效率约比国外低20%。离心泵实际工作时并非一直稳定在高效区，造成的能源浪费较大。不同工况下叶片工作面的压力脉动情况监测结果表明：水泵实际运行工况越偏离设计工况，叶片区的压力脉动就越大［4］。若泵长时间处于高压状态下，会加大泵的轴套和盘根的磨损，其根部就可能出现漏水并进入轴承箱，容易引发烧瓦事故［5］。

2.2 工艺流程设计不足

工艺流程的设计一定程度上影响着离心泵耗能的大小。如果设计时对离心泵的耗能情况考虑不足，比如压力需求同母管和输送压力不相匹配，以输送所需的最大值为标准来设计，就会增加耗能。有些设计中缺乏对离心泵运行时稳定性的考虑，导致离心泵内出现较强的压力脉动，伴随着剧烈震动和噪音，也给机组稳定运行造成很大影响，且这种影响会随着扬程和流量的增加而更加严重，从而对扬程和流量产生一定限制。

2.3 管理维修不当

在使用过程中，由于工作人员操作不当、检修不及时等原因，导致离心泵发生故障，如介质清洁度差、水草等缠绕物进入离心泵的叶轮内，影响叶轮旋转，某些尖锐物可能会破坏叶轮；再如进水管道内清理不到位，有焊渣、砾石等进入流道，会导致离心泵出现突然卡死、轴承发热等故障。此外，一些离心泵管道布置上有所不足，实际布设距离远大于设计距离，就会增加沿程水力损失，管道弯折处过多，从而导致局部水力损失增加。

3 节能措施分析

3.1 改进离心泵

3.1.1 变径调节

根据叶轮切削定律有

其中，Q1、H1、P1为叶轮直径为D1时所对应的流量、扬程及功率；Q2、H2、P2为叶轮直径为D2时所对应的流量、扬程及功率。由此可知，在改变叶轮直径时，水泵的流量变化率＜扬程变化率＜功率变化率，叶轮直径的改变会对功率造成明显影响。因此，当水泵的扬程和流量与实际所需的扬程和流量差距较大、水泵偏离高效区运行时，可通过更换不同直径的叶轮来适应工况，且节能效果较为明显［6］。但在选择叶轮直径时，须经过严格对比和计算［7］。

3.1.2 变频调节

实际使用时，离心泵无需一直保持扬程和流量不变，可通过调节泵的工况点，对流量和扬程进行控制。目前比较经济实用的调节方式是变频调节。该方式依据流量决定转速，变频电源采用晶闸管变频器，通过改变电源频率调节转速，使离心泵的轴功率降低［8］。研究表明，较高的转速不仅可降低泵的尺寸，还能提高泵的效率［9］。而较低的转速可减少泵内部的磨损，延长泵的使用寿命［10］。

变频调速常用于系统压力和流量经常性变化的大型管网系统，具有效率高、调速范围宽和运行可靠等优点。通过调整泵站中一台或几台泵的转速，对减少电机损失功率具有明显效果。但在实际使用中也存在着限制，如投资成本较大，变频器输出电流产生的高次谐波对电动机及电源均会造成诸多不良影响。

3.2 改进泵站系统

泵站枢纽由取水口、引水渠、进水池、泵房、压力管道和出水池等组成，泵站整体效益与各部分运行情况息息相关。

3.2.1 提高管路效率

泵站系统中的管道主要由引水管道、进水流道和出水管道（又称压力管道）等组成。沿程水头损失和局部水头损失构成了管道系统的主要阻力损失，液体性质和管壁粗糙度很大程度上决定了沿程水力损失，局部水力损失与弯头、阀门等有关。

（1）吸水管路应当做到不漏气、不积气和不吸气。铺设管道时应注意接缝处的严密性，避免管道漏水，易腐蚀材料埋于土下时应涂防腐层进行防腐密封；吸水管沿水流方向上升的坡度一般大于0.005；若遇枯水期，从河道取水的多级离心泵房应避免吸水管的淹没深度过浅。

（2）合理设置管路长度。管路越长，沿程水力损失越大，离心泵的效率就越低，同时投资也越大。因此，在适应实际情况的前提下可适当减少管路长度。但当水源与水池之间的地形平坦时，减短管路会增加引渠、进水池及泵房的挖方量或增加出水池和干渠的填方量［11］，故综合比较后应选用最合理的管路长度与铺设方式。

（3）减少非必需的管路附件。管路附件通常包括滤阀、底阀、逆止阀、弯管、渐变接管、压力表和法兰等。管路附件越多，结构越复杂，液体受到的阻力越大，局部水力损失就会越大。因此，可根据泵站实际情况设计系统，尽可能减少管路附件。

3.2.2 优化进水池

进水池是指在泵站中为水泵或其吸水管道抽水而修建的水池。如果进入泵站的泥沙沉淀在进水池，将会使泵站功率损耗增大，当其积累到一定程度时，有可能会堵塞吸水管口，导致泵站运行异常。因此，从多泥沙水源取水的泵站，除需要选择合理的取水口位置和取水方式外，主要从以下两个方面考虑。

（1）进水池形状尽量设计为圆形（或半圆形、蜗壳形）［12］，可以较好地避免泥沙淤积。水流通过引渠或暗管直接进入圆形进水池，并且在入口处突然扩散。进水池底部存在底坎，可调整水流形态，主流与底坎发生碰撞后形成水跃，从而抵消一部分能量；坎后有纵向旋滚区，水池两侧形成了较强的回流区，对防止泥沙淤积具有显著作用。

（2）前池设置导流设施，进水池改为单泵单池单闸方式［13］。导流墩将前池分割出多条进水流道，改善了进水流态。前池扩散角减小，削弱了回流和漩涡，避免出现死水区，创造了更好的进水条件。将开敞式进水池改为单泵单池的形式，因为前池增加了导流墩，过水断面面积减小，水流流速通常大于发生淤积的断面平均流速，减少了泥沙淤积。资料显示，将八字形导流墩与川字导流墩配合使用，控涡防淤效果更佳［14］。且经计算比较，该结构与开敞式进水池相比，一定程度上减少了工程量和投资费用［15］。建议结合数值模拟，加强对进水池模型试验的进一步探索。

3.2.3 离心泵配套使用

合理采用不同离心泵配套的方法，可大大提高泵站运行效率，节约能耗。若泵站流量要求变化较大，可将单泵运行改为几台小泵并联运行或用一台大泵匹配几台小泵运行。根据流量变化改变运行台数，优化不同型号的离心泵的组合方式，合理确定泵的性能参数，使离心泵尽可能在高效区工作［16-17］。采用配套使用离心泵的方式，避免了用阀门节流，减少了阀门带来的功率损失，且泵高效运行的保证率较高。

随着泵站级数的增加，产生单位弃水量所造成的损失量会成倍增大。每级泵站因弃水造成的损失，包括了该级站本身为此造成的能量损失和各级泵站把水提升到该级站所消耗的能量。资料显示，通过加小泵加回水管的方式可有效减少弃水［18］。

3.3 优化泵站运行管理

3.3.1 泵站选址及布局

根据一般规定，应根据当地建设总体规划、泵站工程规模和运行特点等要求，经过综合比较确定泵站站址。选址应确保地形开阔平坦、尽量避免不良地段，工程应建设在岩性坚实、抗渗性能良好的天然地基上，尽量接近电源以缩短输电线路长度。根据当地地势情况，对泵站进行合理的分级布置，在规划级间流量配套时，还需对相邻泵站的水泵型号有所考虑。

3.3.2 加强泵站的修养维护

定期对泵站进行检修和养护，确保叶轮及泵体光洁与密封良好，检查管道是否漏水，及时更换磨损较大或腐蚀严重的零件，排查可能出现的安全问题，避免造成运行故障甚至是安全事故。

3.3.3 推进泵站的信息化、智能化

随着计算机技术日新月异的发展，计算流体动力学（CFD）逐渐在泵站设计中得到广泛应用。CFD是流体力学和计算机科学相互融合的一门交叉学科，用于求解复杂的三维流动，利用其可研究泵站各部分的水流状态和水力损失，进而优化泵站的相关参数。该技术不受限于实验条件，可更直接地反映内部情况，提供更精确的数据，运用CFD对离心泵进行设计改造将趋于主流。利用计算机技术并运用系统方法进行分析处理，综合开发及利用供水系统，推进机电一体化建设。可建立泵站信息数据库，借助信息技术对泵站进行科学管理。

另外，建立泵站供水管理体系，设立健全有效的管理机构，制定合适的规章制度，提高泵站工作人员的整体水平，也是实行安全生产、提高效率、充分发挥泵站效益的强有力保障。

4 结语

不同泵站有不同的节能方式，从离心泵自身来讲，可通过更换叶轮、变频调速等方式改进；对机组系统来讲，可运用优化管道及进水池、合理配套等方式节能；应从根本上提高设计水平，推广计算流体力学在泵站中的应用；先进高效的运行管理模式对泵站节能也有举足轻重的作用。

单一指标不能用于判断泵站整体是否高效经济，要综合考虑离心泵的可靠性、安全性、对环境的适应性以及离心泵性能的稳定性、寿命和对材料的利用率等。离心泵的使用环境也要因地制宜、依不同情况进行设计，比如离心泵的密封性能、水力性能以及耐磨蚀、耐高温、耐汽蚀性能等。因此要系统、深入的理解离心泵节能，结合多种因素进行综合考虑。

在资源紧缺的情况下，离心泵节能并非可以依靠某一方面措施就能取得巨大突破，需要政府、研发单位、使用单位等齐心合力，使离心泵的发展与时代紧密结合，从设计、生产、使用、维护等各个环节不断优化，才能达到较为满意的效果。