水泵节能技术在取水工程中的应用研究

李迎春 广西电力职业技术学院动力工程系

在取水工程中，水泵是最普遍也是最重要的机电设备之一。但是，当前取水工程中水泵使用效率低、运行成本高等问题较多。虽然有的选用了节能型水泵，但选型匹配、运行方式存在问题，影响了节能效益的有效发挥。因此，加快水泵节能技术在取水工程中的应用显得尤为紧迫和重要。

1.取水工程中的水泵高耗能问题

在取水工程中，水泵节能方面的常见技术问题，综合分析来看，水泵运行高能耗是其主要原因。

通过仔细分析，我们可以发现，水泵节能方面的常见技术问题主要包括以下内容：一方面，水泵和管道之间不匹配。存在严重的“大马拉小车”现象，我们常常可以发现，水泵一般是在“大流量、低效率、高功耗”中的不利工况下进行运作。另一方面，水泵连接运行方式的配置不是很合理。这个一般是针对复杂系统，在这个复杂系统中，水泵并联或串联运行配置与客观实际中的需要并不合理，从而导致水送能耗出现大量增加。

同时，由于回路漏渗增加无效流量从而导致水泵能耗增加、系统回路的阻力出现了严重不平衡从而导致主机能耗和水泵能耗的额外增加，以及水泵质量方面的偏差问题出现效率偏低从而导致能耗增加等等。

2.水泵运行效率的影响因素分析

水泵有n（转数）、H（扬程）、Q（流量）、N（轴功率）、η（效率）、HS（允许吸上真空高度）等方面的工作参数，当n（水泵转速）的数值恒定不变时，Q-H，Q-N，Q-η、Q-Hs之间的关系曲线称为水泵性能四条关系曲线。一般而言，水泵共同特点是：当扬程（H）发生一定的变化时，水泵其他相关工作参数变量也随之将发生相应的变化，基于相应设计工况，此时，水泵效率最高，但是，一旦水泵的水流量超过设计的流量标准的时候，水泵工作效率则会出现随着水泵流量的变化而降低。水泵运行效率的制约因素主要包括两个方面：

（1）水泵的泵内损失对水泵效率的影响。水泵的泵内损失主要包括机械损失、容积损失、水力损失等三个方面的内容：机械损失主要是指常说的水泵轮盘损失，它包括了轴承内和填料函内摩擦损失，以及水泵的叶输在水中工作运行中所引起的损失；容积损失主要指这样的损失，水泵的从减漏环、平衡孔这个流程转回到叶轮的进口处所泄漏的流量，以及从水封管、填料函渗出管壳这两个外所泄漏的流量所早晨的水泵功率的消耗；水力损失主要是指这样的损失，水流从水泵入口到出口之间泵内所全面流过的部件内部的摩擦阻力和旋涡损失。水泵的轴功率损失主要包括了机械、容积和水力等三种，而其所剩下的功率则为水泵的有效功率。那么，水泵对应就有机械、容积、水力等三种效率，泵的效率等于容积效率、机械效率和水力效率的乘积。

（2）水泵运行方式对效率的影响。一般来说，在供水系统的多泵共联中，因为水泵内部管道阻力的客观存在，在多水泵组合运行中，每一个单体水泵运行特性与其在水泵单独运行的特性并不相同，而这个不同取决于水泵在运行系统工况方面的诸多综合性的因素，即：运行方式对水泵效率高低的影响非常大。同时，由于水泵具有的节能因素，既包括泵体本身，也包括泵体在内的管网、电源、传动装置等整个系统，因此要从各个方面挖掘水泵在取水工程中的各种节能潜力。

3.取水工程中水泵节能技术的基本原理

根据最佳工况运行原则，通过建立准确的水力数学模型和参数采集标准，基于客观需求，量身定做高效节能泵或高效叶轮，从而解决循环水过流量引起能耗增加的现象，实现水泵的节能最大化。针对循环水系统中普遍存在的“大流量、低效率、高能耗”情况，比较常用的是“3+1”流体输送高效节能技术。该技术利用精密仪器和先进检测技术，深度检测系统相关的工况和设备参数，分析高能耗原因，从而精确地找到设备与流体输送之间的最佳工况点，从而做出最佳方案，消除因系统配置等方面造成的不合理高能耗，提高流体输送效率。目前，主要有四大技术：

（1）水泵的设计与制造技术。采用目前比较常见且非常经典的三元理论对水力模型和流道进行变分有限元三元流动分析，同时，通过采用CFD分析和试验进行筛选和修正，开发包括了离心泵、混流泵和轴流泵等多种方式的高效水力模型。而在制造方面，多采用精密铸造，提高表面质量和型线尺寸精度、零件精度和表面光洁度。

（2）水泵的优化分析技术。通过加强对泵系统的数据采集、诊断分析和优化改造技术。加强专业技术人员利用高精度仪器仪表进行水泵的现场数据采集，通过现代化的计算软件对现场采集数据进行专业的诊断分析，从而提出水泵的优化改造方案。

（3）水泵的优化调度和改造技术。根据泵系统的相关设备参数和工艺要求，通过计算机软件的实时监控，提出在满足水泵工艺要求下耗能最低的运行调度方案。

（4）水泵的运行故障诊断和维修保养技术。通过专业设备，实时监控水泵等设备振动、轴承温度、噪音、泄漏、轴承发热和汽蚀等数据，对水泵的运行故障进行科学诊断，改善运行环境，确保设备安全运行。

研究数据表明：通过上述四个方面的技术，水泵节能能够得到很好实现：系统节电15-60%，则设备维修费节省20-40%、使用寿命延长30-40%、保养减少20-30%。

4.取水工程中水泵节能技术的优化思路

在取水工程的实践中，解决水泵节能技术问题的方式有多种，那么取水工程中水泵节能技术的优化思路也有多种，我们既可以选择水泵叶轮切削、电机加装变频调速、供水系统改造和优化等降低消耗中的一种，也可以在这些方式中选择两种或者两种以上的组合式节能，避免或者减少由于水泵在取水工程中偏离高效工作区从而导致效率损失，实现取水工程中水泵节能优化。

根据取水工程中不同系统的各自独有特点，一般选择最初从系统配置和优化着手，检测并消除因配置不合理等问题导致的水泵高能耗，然后，从供水系统的运行优化着手，进一步降低因为相关的负荷变化较大而导致的取水工程系统的高能耗，最后从水泵的水力性能等方面优化着手，选择或者通过切削手段实现高度匹配的高效水泵或者叶轮，从而达到最佳节能效果。具体的实施方案如图1，其实质是：在进行整改系统不利因素的前提下，对高效节能泵或高效叶轮、自动控制系统进行二选一或者是全选。

图1 取水工程中水泵节能技术优化方案选择

5.提升取水工程中水泵运行效率的措施

针对取水工程中现存的大量淘汰型水泵及落后电动机，逆止阀等配套装置，节能需求非常大，采取各种水泵节能技术的措施主要包括以下六个方面。

（1）根据工况点设计泵站实现水泵节能。在取水工程中，根据规范规定，水泵站供水量的设计依据是满足用户最高时的水量和水压要求。因此，必须深入调查具体工程的实际供水特点，而供水企业则需要充分吸纳技术人员的水泵运行实践经验，找好在相关运行区域水泵运行常常可能出现的工况，并且以这个工况点来确定本区域所选水泵的高效区。

（2）通过控制富裕量实现水泵选型节能。根据取水工程中的实际需要，选用匹配的水泵，避免“小马拉大车”或“大马拉小车”。在水泵的选型当中，必须要综合考虑对于那些不变工况下的水泵扬程和流量等方面的具体情况，一定要仔细分析并且慎重对待，严格控制富裕量，如5-10%即可，不要把这个量放得过高。

（3）采用叶轮切削改造技术实现节能。切削叶轮是一种简便、经济的节能措施。在传统的送水泵选型中，一般选择管网的最不利工况点作为水泵选型的依据。在这种选择下进行选泵，水泵流量和扬程的参数与实际节能需要存在较大差距，从而导致水泵常常处于非高效运行阶段，浪费电能。实施叶轮切削改造技术，一般是以管网用水的流量和压力等参数的平均值来作为水泵选型依据，进行选泵或叶轮切削计算，同时，在这种情况下，平均值的使用兼顾了大小两个工况点同时处于水泵运行的高效区内。通过叶轮切削改造技术，从而实现了水泵的降能，提升经济效益。以长沙中联泵业有限公司生产的6SA-6SA型单级双吸离心泵为例，叶轮车削后的泵效率能够达到75%左右。

（4）采用水泵运行经济调节实现水泵节能。由于供水泵运行时需要电网调峰，机组运行时负荷变化频繁，容易引发各种故障，使现场维护量增加，造成各种资源的浪费，并且当用户需水量减少时，即系统特性曲线改变时，送水泵站的工况点也发生了变化，水泵流量发生改变，影响水泵工作效率，在运行考虑采用选则合理水泵，采用合理的方法对水泵进行调节，使水泵尽量在高效区运行，提高水泵工作效率从而实现节能。

（5）通过变频调速实现水泵节能。变频调速具有调速效率和功率因数较高，调速范围相对较宽泛，调速的精度相对较高等优点。同时，变频调速还能实现软起动，并且能够相对减少电网电流冲击和运行设备的机械冲击，从而达到延长设备使用寿命的目的，是目前最为理想的调速方案。在实际节能改造中，应该综合考虑用户经济条件、节能指标和设备运行要求选择改造方案。液力耦合器属于低效调速方式，有明显节能效果，且投资少、见效快、资金回收周期短，对于老设备改造更有明显节能效益。

（6）通过进行管网改造实现节能。通过管网改造降低管网损失，其具体方法是降低管网阻力、增设管道等。比如，在供水过程中，多级加压使供水环节多次增加，在这样的过程中，无疑会增大管网损失。同时，在取水工程用户中，并不是所有用户需要加压供水，比如低楼层的用户，在水压增高时，常常会出现控制不当反而造成水量流失。因此，在实际供水中水泵扬程有余量，则可取消多级加压，不需加压的用户尽量一次上水管网；尽可能地缩短管路距离，拆除多余的弯管、阀门、变径管，采用微阻缓闭止回阀等，以减少局部损失；条件许可的情况下，尽量增大管路内径以降低流速；定期清洗管道，防止管内污垢使管径变小。

6.结束语

在取水工程中，水泵使用效率低、运行成本高等问题严重影响水泵节能效益和取水工程效益的有效发挥。通过分析取水工程中的水泵耗能与运行效率的影响因素，根据水泵节能技术的基本原理和优化思路，可以得知：在取水工程通过合理水泵选型，保持水泵在合适的工况点运行、采用水泵运行经济调节、通过对水泵的变频调速，并结合管网改造等措施的联动实施，可以达到取水工程水泵节能的最大化，从而实现取水工程运行达到较好的经济效益、社会效益和生态效益。