泵系統(tǒng)能耗評估與節(jié)能建議的探討

吳玉珍，胡承煒，陳乃鏑

（北京航天動力研究所，北京 100076）

主題詞：泵系統(tǒng)；能耗評估；系統(tǒng)高效運行；節(jié)能建議

2021 年4 月“泵系統(tǒng)能耗評估”[1]國家標準頒布，并于2021 年11 月實施。該標準適用于工業(yè)、公共機構、商業(yè)和市政設施中電驅(qū)動、汽輪機或發(fā)動機驅(qū)動的開式或閉式泵系統(tǒng)。泵系統(tǒng)評估的目標是確定在用系統(tǒng)的當前能耗，并找出提高系統(tǒng)效率的方法。標準以示例的形式，從分析造成系統(tǒng)能耗過大的原因入手，在技術和管理兩方面給出了保證泵系統(tǒng)高效運行的一般性建議和針對性措施。該標準為泵系統(tǒng)能耗評估、泵系統(tǒng)節(jié)能降耗提供了技術保障，對促進“雙碳”目標的實現(xiàn)具有積極意義。

泵是能耗最大的設備之一。機泵產(chǎn)品每年的耗電量占總發(fā)電量的20%[2]，在火力發(fā)電裝置中，鍋爐給水泵的電力消耗占電廠用電的30%以上[3-4]；在石油化工裝置中，約70%的電耗由機泵產(chǎn)生；為此國家強制標準“清水離心泵能效限定值及節(jié)能評價值”[5]，率先對清水離心泵能效進行了限制。在泵的實際使用過程中，由于工藝和裝置需求多種多樣，泵的運行狀態(tài)可能隨時間、季節(jié)、生產(chǎn)需求等條件變化；在LNG 接收站、PTA 漿料輸送、鍋爐給水系統(tǒng)，往往存在多臺泵并聯(lián)運行情況；泵的驅(qū)動方式也多種多樣，包括電動機、汽輪機、液力透平、液力透平+電動機等多種動力驅(qū)動，其中以電機驅(qū)動最多；泵系統(tǒng)運行參數(shù)的調(diào)節(jié)也有多種模式，包括電機調(diào)頻、泵出口部分回流、泵出口調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)、多泵并聯(lián)時部分泵調(diào)節(jié)或停部分泵等。造成泵能耗高的原因除涉及泵本體外，還與泵輸送系統(tǒng)流阻、工作運行條件等多方面有關，要實現(xiàn)高效運行必須根據(jù)裝置的具體配置、運行條件、驅(qū)動方式等，從系統(tǒng)的角度進行定性和定量的能耗評估，并在能耗評估基礎上給出改進方案，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能、降低碳排放目標。為此“十三五”期間國家投入經(jīng)費，從基礎理論、結構和水力設計、工程應用等方面，開展泵及泵系統(tǒng)節(jié)能技術研究，希望降低能耗2% ～ 10%以上。

1 系統(tǒng)能耗評估過程簡介

泵的作用是實現(xiàn)流體輸送或壓力能的提升，有開式和閉式兩種運行方式。開式運行系統(tǒng)是將不可壓縮流體從A 地輸送到B 地，B 地靜壓力可以與A地相同、也可以高于A 地，即實現(xiàn)輸送的同時伴有靜壓力提升；閉式循環(huán)系統(tǒng)是泵將不可壓縮流體從A地泵出后又回到A 地的過程。無論是上面的哪種情況，構成完整系統(tǒng)的設備除泵外，還包括驅(qū)動機、管道、閥門、容器（或減壓設備等其他類型設備）等，如圖1 所示。

圖1 泵系統(tǒng)構成示意圖Fig.1 Schematic diagram of pump systems

系統(tǒng)能耗評估就是針對泵所處系統(tǒng)、驅(qū)動和運行方式進行的定性和定量評估，分為三個等級，評估等級的確定和各級評估應收集的數(shù)據(jù)包括泵基本參數(shù)、運行參數(shù)等，詳見文獻 [1]的表1 和表2。

評估應逐級進行，一級評估是定性評估，其中包含可能的定量元素，通過評估確定系統(tǒng)大幅節(jié)能的潛在可能性，并識別出應進入更高級別評估的特定系統(tǒng)；二級評估是定量評估，通過測量單個穩(wěn)定工況點的相關參數(shù)，確定系統(tǒng)能耗水平和潛在節(jié)能量；三級評估也是定量評估，通過對系統(tǒng)進行足夠長時間跨度的連續(xù)檢測，得到系統(tǒng)內(nèi)在不同工況點的參數(shù)，確定系統(tǒng)在變工況條件下的能耗需求。

1.1 一級評估

一級評估過程是盡量收集數(shù)據(jù)和客觀信息，并完成以下工作：

按驅(qū)動裝置大小、年運行時間及預估的能源成本進行分類；

重點關注以固定轉(zhuǎn)速運行的離心泵；

重點關注用節(jié)流裝置或回流裝置控制流量的泵系統(tǒng)；

找出造成能源浪費的現(xiàn)象，如系統(tǒng)供需嚴重不符、通過調(diào)節(jié)閥或旁通回流的情況；

查看運行記錄和調(diào)研分析辨識低效運行的泵系統(tǒng)；

篩選出最具節(jié)能潛力的系統(tǒng)以便進行后續(xù)評估。

1.2 二級評估

二級評估前，應首先確認當前所觀測到的運行狀態(tài)能夠代表系統(tǒng)的實際狀態(tài)，系統(tǒng)的運行狀態(tài)應變化很小或無變化。二級評估應從一級評估過程中所獲得的數(shù)據(jù)入手，并可輔以現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)；在進行現(xiàn)場測量時，應使流量、揚程（壓力）、功率（動力消耗）等多種數(shù)據(jù)盡量在同一時刻獲得。

1.3 三級評估

三級評估針對工況條件隨時間發(fā)生變化顯著或頻繁的泵系統(tǒng)。對于這類系統(tǒng)，評估數(shù)據(jù)應是在一定時間段內(nèi)的系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，極端工況運行數(shù)據(jù)；如進行現(xiàn)場測量，應包括設計點、正常條件、額定與最大和最小流量工況運行條件。

在評估過程中，除關注上述過程的正常系統(tǒng)外，還需關注非正常信息，如振動、汽蝕、泄漏、異常故障等。

評估是對泵系統(tǒng)展開，因此還需關注驅(qū)動設備、閥門、管道等其他元件的情況。

2 系統(tǒng)高效運行和節(jié)能建議

2.1 標準推薦的系統(tǒng)高效運行建議

2.1.1 系統(tǒng)高效運行的一般性建議

圖2 為泵性能曲線和可靠性曲線示意圖。在圖2A 的泵性能曲線中，兩方框點之間為推薦運行范圍，在推薦運行范圍內(nèi)，泵效率較高；兩圓點間為最大允許運行范圍，超出該范圍泵將出現(xiàn)振動加大、發(fā)熱、汽蝕等問題。圖2B 為泵的可靠性曲線示意圖，在最佳效率點附近，泵的平均故障間隔時間最長，偏離最佳效率點時，泵的平均故障間隔時間快速下降，當偏差在-20% BEP 和+10% BEP 時，平均故障間隔時間降低50%。

圖2 泵性能曲線和可靠性曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of pump performance curve and reliability curve

因此，應盡量保證泵的運行特性與載荷特性和系統(tǒng)阻力特性相匹配，使泵的運行點盡量落在最佳效率點附近；當系統(tǒng)參數(shù)變化時，泵應盡量維持在優(yōu)先工作區(qū)域內(nèi)，不可超出允許工作范圍運行。

對大功率、長周期運行的泵系統(tǒng)，宜定期測量運行工況點的流量、揚程、功率，確定泵的運行效率，從而保證系統(tǒng)高效運行。

2.1.2 保證經(jīng)濟運行的系統(tǒng)管理建議

泵驅(qū)動機：在運行工況下，盡量使驅(qū)動機在高效率范圍內(nèi)工作。對普通電動機，其載荷宜在50% ～ 100%范圍內(nèi)；對高效電機，其載荷不應超出35% ～ 100%范圍。其他類型的驅(qū)動機，載荷不應超出設備允許的運行范圍。

泵系統(tǒng)管道：在保證液體中的懸浮物能順利輸送的情況下，宜盡量降低流速，即相應地適當增加管道直徑，降低管道阻力能耗，例如在紊流區(qū)，管徑增加10%可減少40%損耗；盡量減少管道彎頭數(shù)量、增大轉(zhuǎn)彎半徑、降低管道內(nèi)表面粗糙度，從而降低阻力損耗；管道應盡量避免突然變徑，可能的情況下采用擴散管；儲罐的安裝位置宜盡量減少高度差，在滿足需求的情況下靜壓力盡量小。

系統(tǒng)管理：宜使用高效系統(tǒng)部件，并保持系統(tǒng)高效運行；當系統(tǒng)在部分載荷下長時間運行或要求改變較大時，宜采用合理措施保證系統(tǒng)在所有工況下均可高效運行。

2.2 泵系統(tǒng)能耗分析與改進措施

以回轉(zhuǎn)動力（速度型）泵為研究對象，分析討論造成泵系統(tǒng)能耗過大原因、并給出改進措施。

2.2.1 泵系統(tǒng)能耗分析

正如前面的分析，泵系統(tǒng)的構成包括多種（個）設備，其過多能耗的產(chǎn)生也涉及多方面原因。當實際運行條件與設計狀態(tài)不符，或采購設備狀態(tài)與運行最佳狀態(tài)不一致，實際運行工況調(diào)整等，都會造成能量的損耗。

從泵的基本參數(shù)看，泵的能耗可用下列公式表示：

式中Nr——泵輸入功率（或稱為軸功率）；

ρ——泵輸送液體的密度；

Q——泵的流量；

H——泵的揚程；

η——泵的效率。

式中Nz——泵實際消耗的總能量；

η1——傳動機構的效率；

通過兩式可以看出，泵的總能耗與流量、揚程、介質(zhì)密度有關，還與泵自身效率、傳動效率、驅(qū)動機效率有關。降低能量消耗的辦法是盡可能降低泵運行時的流量、揚程，提高泵、傳動機構和驅(qū)動機效率。

泵的實際運行點由泵所處系統(tǒng)特性決定。圖3中1 和2 是不同流阻特性曲線，11、22 分別對應1和2 有靜壓需求時的流阻特性曲線；P1、P2點P11、P22為泵的實際運行工作點，是系統(tǒng)流阻曲線1、2、11、22 與泵性能曲線的交點。從圖中可以看出，當泵系統(tǒng)需要靜壓升時，對相同的管線系統(tǒng)，流阻特性基本相同（只是上移靜壓值），此時泵的工作點揚程增加、流量降低；當泵系統(tǒng)流阻較大時，對同一臺泵，泵系統(tǒng)的輸送能力減少，泵的運行點揚程增加，如圖3 中從P1或P11點，移動到P2或P22點。

圖3 泵性能曲線與工作點Fig.3 Pump performance curve and operating points

2.2.2 提高泵系統(tǒng)效率改進措施

減少泵系統(tǒng)水頭損失：取消或減少不必要的節(jié)流和/或再循環(huán)流動；清洗淤塞的管道或設備，清除管道和流程部件的積垢；隔離或拆除不需要的設備；保持管路高位液流和高位排氣，避免管路與接收設備之間存在氣隙。

減少泵系統(tǒng)流量損失：保持泵系統(tǒng)中設備的運行效率，減少對流量需求，例如熱交換器效率；隔離不必要的泵再循環(huán)、最小流量閥、有泄漏的閥門等；在保證生產(chǎn)需要的前提下，降低系統(tǒng)流量；在系統(tǒng)不需要流量時關閉泵、盡量不采取回流的方式。

改變泵系統(tǒng)運行時間：對于提升系統(tǒng)、多泵并聯(lián)運行系統(tǒng)、采用回流而不是關泵的系統(tǒng)、泵運行流量大于系統(tǒng)實際需求流量的系統(tǒng)等，可以通過改變運行時間的方法實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。如圖1 中閉式系統(tǒng)或開式系統(tǒng)高壓容器與低壓容器內(nèi)靜壓力相同時，泵運行以克服系統(tǒng)阻力為主（如圖3 中的1 號和2 號曲線所代表的系統(tǒng)），如果降低泵系統(tǒng)的流量，管道內(nèi)介質(zhì)流速降低、系統(tǒng)流阻降低，所需泵的揚程降低、泵功率消耗降低；但要達到同樣的總流量輸送效果，運行時間需增加，所以可以對比運行時間和流量的整體效果進行評價，從而調(diào)整運行時間。對于可以間斷運行的系統(tǒng)，可以采用峰谷電價時間調(diào)整運行時間；對多泵運行系統(tǒng)，可以通過對比系統(tǒng)需求流量變化改變投入運行的泵數(shù)量或改變泵運行轉(zhuǎn)速等。

總而言之，初中語文語言教學是教師和學生之間傳遞信息的橋梁。在新課程改革下，教學語言的學習對于語文學科是相當重要的，同時也是初中語文教學中不能缺少的重要部分。教師和學生的交流主要是靠語言，這對于教師而言是一個挑戰(zhàn)。因此，教師應該不斷加強自身的學習，配合學生的實際情況，當然，學生也要配合教師的教學。相信在教師和學生的共同努力下，能真正實現(xiàn)初中語文課堂教學的本質(zhì)。

保證泵系統(tǒng)各部件運行在高效率范圍：盡量使構成泵系統(tǒng)的各部件運行在其各自高效范圍內(nèi)，例如使電機運行在性能曲線平坦區(qū)，泵運行在最佳效率點附近。

2.2.3 節(jié)能計算案例

泵系統(tǒng)確定后，系統(tǒng)運行過程的能耗除應考慮泵、驅(qū)動系統(tǒng)外，還應考慮輔助系統(tǒng)能耗，如密封沖洗系統(tǒng)、潤滑冷卻系統(tǒng)等，因此泵系統(tǒng)的總能耗和節(jié)能降耗評估應包括所有部分。為突出重點，本文暫不考慮輔助系統(tǒng)的節(jié)能措施和節(jié)能貢獻，僅給出離心泵單臺運行節(jié)能計算案例，簡單介紹多臺泵并聯(lián)運行系統(tǒng)和節(jié)能方案。

2.2.3.1 評估基本步驟

第一步是確定泵系統(tǒng)的運行參數(shù)：泵系統(tǒng)實際運行參數(shù)是節(jié)能計算的基礎，因此應明確構成泵系統(tǒng)的各部件運行參數(shù)、額定參數(shù)；

第二步是根據(jù)泵系統(tǒng)運行參數(shù)、終端需求參數(shù)、泵和各部件特性參數(shù)，確定可能的節(jié)能方案；

第三步是計算各方案條件下系統(tǒng)的能量消耗，確定節(jié)能效果；

第四步是在計算和分析基礎上確定最佳的節(jié)能方案。應注意最佳方案未必是節(jié)能最多的方案，需要考慮實際需求、實施的便捷性、節(jié)能和投入的平衡等。

2.2.3.2 單臺離心泵運行節(jié)能計算

圖4 為單臺離心泵系統(tǒng)，由低位容器、高位容器、泵、回流管線和回流閥（減壓閥）、主路管線和流量調(diào)節(jié)閥、以及壓力傳感器和液位傳感器等組成；泵由電動機驅(qū)動。泵將低位容器內(nèi)的水輸送到高位容器內(nèi)，泵出口壓力通過回流閥保持恒定；進入高位容器的主管路流量通過液位傳感器控制閥門開度進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)高位容器的液位恒定，系統(tǒng)壓差為4.5 bar[1]。

圖4 單臺離心泵系統(tǒng)Fig.4 Single Centrifugal Pump System

確定泵系統(tǒng)運行參數(shù)測量數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 泵運行參數(shù)Table 1 Pump operating parameters

計算能耗和運行成本：

根據(jù)式（2），計算得到電機消耗功率為78/0.94 =82.9 kW；

年運行成本為Y= 0.6×6 132×82.9 = 305 005（元）

確定可能的節(jié)能方案

（1）確定實際需求

根據(jù)測量數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)實際流量340 m3/h，可通過將110 m3/h 的回流量適當減少實現(xiàn)節(jié)能。

（2）確定可能的方案

① 所有部件不變，僅改變泵的運行點

根據(jù)已知的泵曲線，當泵在340 m3/h 流量點運行時，泵的揚程為48.7 m、效率66%。

計算的電機輸入功率為77.3 kW（電機效率94%）；年運行成本Y1= 284 400（元）

② 改變?nèi)~輪直徑

由于泵運行流量降低，系統(tǒng)流阻降低。在不考慮管道流阻情況下，根據(jù)調(diào)節(jié)閥特性其壓力降由1.75 bar 減少到1 bar，泵工作點揚程可以降低為41.3 m。根據(jù)泵葉輪切割特性，該點效率為65%。計算電機輸入功率63.5 kW（電機效率94%），年運行成本為Y2= 233 580（元）。

③ 采用變頻器驅(qū)動現(xiàn)有泵，系統(tǒng)所有部件不變

降低泵運行轉(zhuǎn)速，使流量達到340 m3/h，此時泵揚程為37.9 m、效率66%。計算泵總的功率消耗（含電機效率94%、變頻器效率95%）為59.5 kW，年運行成本為Y3= 218 940（元）。

④ 根據(jù)實際需求選擇新泵

泵流量340 m3/h、揚程41.9 m、效率84%，電機效率94%。計算的電機輸入功率49.1 kW，年運行成本Y4= 180 660（元）

（3）對比分析

根據(jù)上述方案，避免回流是必要措施。在此基礎上采用與需求系統(tǒng)相適應的新泵節(jié)能效果最好；采用變頻器驅(qū)動的效果次之，此時還應評估在流量滿足情況下，揚程是否足夠的問題；切割葉輪是比較經(jīng)濟有效的方案。最后采取哪種方案，需要根據(jù)一次性投入和運行成本的綜合評估。

2.2.3.3 離心泵多臺并聯(lián)運行系統(tǒng)簡介

隨著工業(yè)裝置大型化、城市規(guī)模大型化，離心泵多臺并聯(lián)運行系統(tǒng)在工業(yè)和市政工程中已經(jīng)成為一種常見的現(xiàn)象。在電力行業(yè)鍋爐給水系統(tǒng)多采用2臺泵并聯(lián)運行方式[3]；在抽水蓄能系統(tǒng)和二次供水系統(tǒng)，存在多臺離心泵或不同轉(zhuǎn)速泵并聯(lián)的情況[6]；在LNG 接收站和大型PTA 裝置中，往往存在4 ～ 8 臺泵并聯(lián)運行的情況[7-8]。

圖5 為多臺泵并聯(lián)運行系統(tǒng)圖。在多泵并聯(lián)系統(tǒng)中，一般取完全相同的泵并聯(lián)運行，也可以根據(jù)使用需要，采取大流量泵與小流量泵并聯(lián)、可調(diào)轉(zhuǎn)速泵與固定轉(zhuǎn)速泵并聯(lián)，無論采取哪種組合運行，最好每臺泵的運行工作點在該泵的最佳效率附近，或至少在推薦的運行流量范圍內(nèi)。

圖5 多臺泵并聯(lián)運行系統(tǒng)示意Fig.5 Schematic diagram of parallel operation system of multiple pumps

圖6 給出了三臺相同性能的泵并聯(lián)運行的曲線圖，圖中A點為單臺泵高效運行最小流量點，B點為單泵高效運行最大流量點，A-B為單泵高效運行范圍；C、D點為兩臺泵和三臺泵并聯(lián)高效運行的最大流量點。在并聯(lián)運行時，即使是相同泵、相同吸入條件和運行轉(zhuǎn)速下，每臺泵運行的流量點也可能不同，但單臺泵與多臺泵并聯(lián)運行的關死點揚程相同、運行點的揚程相同（如A、B、C、D點）。

圖6 三泵并聯(lián)運行性能曲線示意圖Fig.6 Schematic diagram of performance curve of parallel operation of three pumps

并聯(lián)運行泵系統(tǒng)的運行曲線與單臺泵的運行曲線有相當大的區(qū)別，兩臺泵并聯(lián)的運行流量是相同揚程下每臺泵流量和；多臺泵并聯(lián)運行時總流量是運行揚程下每臺泵的流量總和。

根據(jù)圖5 可知，構成并聯(lián)運行系統(tǒng)，每臺泵入口、出口都會設置調(diào)節(jié)閥和單向閥。由于零件制造偏差，同一批泵，很難保持每臺泵自身的性能完全相同；在同一個并聯(lián)泵系統(tǒng)，運行時各泵間可能存在揚程或閥門開度的差異。這是由于泵的流量-揚程、流量-汽蝕性能的微小差異，以及布置上的差別，導致并聯(lián)系統(tǒng)在相同的入口條件下，抽吸能力不同，表現(xiàn)在揚程相同時泵的流量不同；當采用控制閥調(diào)節(jié)流量時，完全相同的兩臺泵在相同流量下，每臺泵所對應的管道系統(tǒng)特性不同，表現(xiàn)在調(diào)節(jié)閥開度有較大差異[3，9]。由于多臺離心泵并聯(lián)運行相對單臺泵存在的問題比較多，因此廣受關注。多臺泵并聯(lián)運行系統(tǒng)的能耗評估比較復雜，節(jié)能方案應考慮多方面因素。

2.2.3.4 離心泵多臺并聯(lián)運行節(jié)能探討

根據(jù)前面的分析，多泵并聯(lián)系統(tǒng)運行場景較多且復雜，需要根據(jù)系統(tǒng)配置和泵特性考慮可實現(xiàn)的節(jié)能方案。

（1）多泵并聯(lián)運行時，應盡量保證每臺泵均運行在最佳效率點附近；

（2）對供水系統(tǒng)或有流量峰值需求運行的系統(tǒng)，并聯(lián)運行過程中需要調(diào)節(jié)流量，可以采用大泵與小泵匹配，先對小泵進行調(diào)節(jié)直至關閉小泵，再對大泵進行調(diào)節(jié)直至切換到小泵啟動；或采取定轉(zhuǎn)速泵與可調(diào)轉(zhuǎn)速泵匹配，通過可調(diào)轉(zhuǎn)速泵實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，盡量減少或避免調(diào)節(jié)閥改變流阻特性的方法；

（3）對工業(yè)裝置多臺并聯(lián)運行系統(tǒng)，盡量采取相同泵，并保證運行過程中各泵運行在高效率范圍內(nèi)；需要調(diào)節(jié)的流量范圍較大時，可采取關閉一臺或多臺泵的方式，減少或避免回流或通過節(jié)流閥改變系統(tǒng)流阻特性的調(diào)節(jié)方式[10-11]；

（4）對有條件的工業(yè)裝置，可采取電機驅(qū)動與汽輪機或液力透平驅(qū)動泵組合方式，汽輪機（膨脹機）和液力透平可以實現(xiàn)工業(yè)裝置熱能和壓力能的回收，另一方面通過電力驅(qū)動泵保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；

（5）從泵自身角度，提高泵的性能及能量轉(zhuǎn)換效率，保持泵具有較寬的高效運行范圍；從系統(tǒng)配置角度，在保持系統(tǒng)安全性和功能性基礎上，降低系統(tǒng)管線流阻和靜壓力需求，從而減少對泵揚程的需要。

3 結論

本文介紹了泵系統(tǒng)能耗評估過程，從技術和管理兩方面給出了單臺和多臺離心泵并聯(lián)運行系統(tǒng)節(jié)能建議；以單臺運行離心泵系統(tǒng)為例，介紹了泵系統(tǒng)能耗計算方法，高效節(jié)能運行途徑及節(jié)能效果。

泵作為工業(yè)和市政工程中流體輸送的關鍵設備，在工程設計中各環(huán)節(jié)多從工藝角度考慮，對流量或揚程層層加碼，導致泵系統(tǒng)運行過程中存在較大的能量浪費。文獻 [1]從系統(tǒng)角度提出了能耗評估和節(jié)能改進方法，對提高能源利用效率、降低碳排放具有積極的推動作用。