水泵系統(tǒng)基本特性及節(jié)能措施

王 濤

(黑龍江省節(jié)能監(jiān)測(cè)中心，哈爾濱 150001)

0 引 言

水泵是一種流體機(jī)械，屬于生產(chǎn)設(shè)備，它能夠把外界輸入的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的勢(shì)能和動(dòng)能，使液體能量提高。

按工作原理和結(jié)構(gòu)不同，水泵可以分為速度型，如離心泵、軸流泵等葉輪泵；體積型，如往復(fù)泵、回轉(zhuǎn)泵等容積泵。離心式泵按葉輪級(jí)數(shù)可分為單級(jí)泵和多級(jí)泵。按揚(yáng)程高低來分，有單級(jí)揚(yáng)程低于20 m水柱的低壓泵；20～100 m水柱的中壓泵；大于100 m水柱的高壓泵。按葉輪吸入方式有單吸和雙吸之分。本文主要分析離心式、軸流式泵，輸送介質(zhì)以工業(yè)允許使用的清水或類似清水的液體為限。

1 水泵用電系統(tǒng)的構(gòu)成

工廠企業(yè)的水泵系統(tǒng)大部分由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行拖動(dòng)。除了單機(jī)運(yùn)行方式之外，為了增加供水能力，采用聯(lián)合運(yùn)行(串聯(lián)或并聯(lián))。為了便于對(duì)水泵用電狀況進(jìn)行分析，本文從單機(jī)電能平衡出發(fā)，綜合分析整個(gè)泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，用電系統(tǒng)采用能源串聯(lián)方式表示。

水泵總電能利用率η為：

式中,Wyx為用電系統(tǒng)有效電能，kWh;Wgg為用電系統(tǒng)供給電能，kWh。

η的另一種表達(dá)式為：

η=ηd×ηl×ηs

式中，ηd為電動(dòng)機(jī)的電能利用率即電動(dòng)機(jī)效率；ηl為聯(lián)軸器的電能利用率即傳動(dòng)效率；ηs為水泵的電能利用率即效率。

2 水泵現(xiàn)場(chǎng)電能利用率測(cè)試

水泵在某段時(shí)間內(nèi)的有效電能是水泵有效電功率平均值與時(shí)間的乘積。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中，水泵有效電功率隨著水泵工況變化而變化，通常采用瞬時(shí)有效功率計(jì)算水泵電能利用率。

為了正確反映水泵電能利用情況，當(dāng)水泵工況變化較大時(shí)，應(yīng)分別測(cè)量負(fù)荷最大、最小及一般常用工況下電能利用率。

水泵用電系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器等電能利用率或效率相對(duì)穩(wěn)定，并且其能耗占整個(gè)系統(tǒng)能耗比重較小，對(duì)于整個(gè)用電系統(tǒng)而言，應(yīng)特別注意水泵效率ηs的測(cè)定。

3 離心式水泵的基本參數(shù)

(1)流量

單位時(shí)間內(nèi)通過水泵的液體體積為水泵體積流量，用Q表示，常用單位為m3/s，L/s，m3/h。

(2)揚(yáng)程

單位重量液體通過泵葉輪后所獲得的能量增加值定義為泵的揚(yáng)程，用H表示，單位為米液柱，當(dāng)輸送的介質(zhì)是水時(shí)則為米水柱(mH2O)。根據(jù)流體力學(xué)的伯努利方程，在不考慮損失的情況下，揚(yáng)程的計(jì)算式如下：

式中，P1，P2為水泵進(jìn)出口壓力，MPa；v1，v2為水泵進(jìn)出口流速，m/s；Z1，Z2為水泵進(jìn)出口壓力表安裝位置高度，m；γ為介質(zhì)重度；g為重力加速度；H為水泵揚(yáng)程。

當(dāng)進(jìn)口是真空時(shí)，進(jìn)口壓力采用真空表，則計(jì)算公式為：

式中，P0為真空表度數(shù)，MPa。

(3)轉(zhuǎn)速

水泵軸每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，用n表示，單位為rpm。

(4)有效功率，軸功率

單位時(shí)間內(nèi)液體經(jīng)過水泵后獲得的總能量稱為有效功率，用Ne表示，單位為kW。

式中：H的單位為mH2O；Q的單位m3/s。

(5)水泵效率

有效功率與軸功率之比稱為水泵效率ηs。

4 提高泵系統(tǒng)效率的措施

由于選型不當(dāng)、管道設(shè)計(jì)/安裝不合理、維護(hù)檢修不良、使用管理落后以及設(shè)備陳舊等原因，造成泵效率降低，部分水泵效率低于《GB/T13469-2008 離心泵、混流泵、軸流泵與旋渦泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》中規(guī)定要求，電能利用率較低。經(jīng)過重新選型、葉型改造、多級(jí)泵抽級(jí)、切割葉輪、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等方式進(jìn)行改造，一般節(jié)電20%～30%。

水泵運(yùn)行中由于水泵種類、性能、應(yīng)用場(chǎng)合、使用工況、管道布置等情況，改造低效水泵主要為提高水泵運(yùn)行效率和減少節(jié)流損失，達(dá)到水泵經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。主要改造方法如下：

(1)低效泵的更換

對(duì)于一些由于制造工藝結(jié)構(gòu)等原因效率較低，或因年久失修以及屬淘汰類水泵，當(dāng)原有水泵處于其特性曲線所標(biāo)識(shí)的高效區(qū)域而運(yùn)行效率比較低時(shí)，可采用重新選型的方法，用高效水泵去替換，使水泵在輸出與原有水泵相同流量和揚(yáng)程時(shí)，水泵輸入功率比原來有所減少，從而達(dá)到節(jié)能目的。

(2)置換與系統(tǒng)不匹配水泵

目前工業(yè)企業(yè)流體介質(zhì)輸送系統(tǒng)和中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)存在“大流量、低效率、高能耗”的狀況，按最佳工況運(yùn)行原則，通過檢測(cè)復(fù)核當(dāng)前運(yùn)行工況參數(shù)和設(shè)備額定參數(shù)，找到最佳工況點(diǎn)，提出最佳匹配方案，通過改造，消除不利因素，按最佳運(yùn)行工況參數(shù)，選擇適合流量、揚(yáng)程的水泵來替換目前處于不利工況、低效率運(yùn)行的水泵，消除因系統(tǒng)配置不合理而引起的高能耗，以達(dá)到最佳節(jié)能效果。

(3)葉輪切削

水泵葉輪切削技術(shù)是一種把水泵原葉輪外徑在車床上切削，再安裝運(yùn)轉(zhuǎn)的節(jié)能技術(shù)。經(jīng)過切削后的葉輪，其特性曲線按一定規(guī)律變化。切削量的選擇是基于大量試驗(yàn)資料基礎(chǔ)而進(jìn)行的。如果葉輪切削量控制在一定限度內(nèi)時(shí)，則切削前后水泵相應(yīng)效率可視為不變。需要注意的是，葉輪效率會(huì)使水泵的效率有所降低，因此切割葉輪時(shí)，要逐次切割，避免一次切割過多的現(xiàn)象。

(4)采用調(diào)速調(diào)節(jié)，減少節(jié)流損失

當(dāng)泵負(fù)載經(jīng)常性或季節(jié)性變化時(shí)，可采用調(diào)速調(diào)節(jié)，如多速電機(jī)、變頻調(diào)速等技術(shù)。調(diào)速是泵技術(shù)改造中廣泛應(yīng)用的一種方法，通過調(diào)速調(diào)整水泵性能曲線移動(dòng)，適應(yīng)負(fù)荷變化，調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行處于高效區(qū)域，減少節(jié)流損失。變頻調(diào)速可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)，也可實(shí)現(xiàn)大電機(jī)啟停，避免啟動(dòng)時(shí)電壓沖擊，同時(shí)降低對(duì)電網(wǎng)要求和無功損耗，為目前主流調(diào)速技術(shù)。

(5)優(yōu)化管道，定期維修

盡量減少管道突變的連接和拐彎，拆除不必要擋板、增加導(dǎo)向葉片、清除管道水垢，減少阻力。定期檢查水泵，更換已被磨損的葉輪、保持密封良好、清洗流道，減少流道損失。