我國(guó)供水工程中水泵節(jié)能降耗技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

杜文中，張 金，趙永亮

（合肥供水集團(tuán)有限公司，合肥 230011）

0 引言

促進(jìn)人類(lèi)社會(huì)前進(jìn)的根本基礎(chǔ)是能源，節(jié)能降耗意義重大。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人民對(duì)能源的需求和供給之間的缺口日益增大，嚴(yán)重制約了我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。水泵作為一種通用性的機(jī)械設(shè)備而廣泛地應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水泵是能源消耗的主要設(shè)備之一，全國(guó)消耗總電能的20%左右都用于各類(lèi)水泵機(jī)組的運(yùn)行，且運(yùn)行效率較低，普遍低于發(fā)達(dá)國(guó)家10%～30%。在供水系統(tǒng)中，制水成本的50%左右屬于動(dòng)能消耗費(fèi)用，而供水系統(tǒng)中用電量的90%以上用于水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，可見(jiàn)供水廠的主要能耗設(shè)備是水泵［1-3］。因此，研究降低水泵電耗損失的技術(shù)，提高水泵運(yùn)行效率是供水項(xiàng)目節(jié)能的關(guān)鍵。

相較于國(guó)外供水工程水泵的節(jié)能降耗注重于細(xì)節(jié)工藝技術(shù)和管理模式方面的探索［4-7］，當(dāng)前國(guó)內(nèi)供水工程針對(duì)水泵的節(jié)能降耗工作更傾向于對(duì)工程中的具體問(wèn)題進(jìn)行實(shí)踐嘗試做技術(shù)改造，其中主要節(jié)能改造措施是根據(jù)實(shí)際供需水量以及水質(zhì)等情況，對(duì)水泵進(jìn)行合理的選型，科學(xué)調(diào)度搭配運(yùn)行并做好定期維護(hù)檢修工作，通過(guò)改變水泵的實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)，確保水泵一直處于其高效運(yùn)行區(qū)，實(shí)現(xiàn)水泵節(jié)能［8-11］。國(guó)外供水工程水泵節(jié)能技術(shù)成效顯著，我國(guó)應(yīng)充分融合國(guó)外先進(jìn)技術(shù)成果以發(fā)展符合我國(guó)國(guó)情的供水系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)。本文概述了國(guó)內(nèi)的供水系統(tǒng)中水泵節(jié)能降耗技術(shù)的研究進(jìn)展并分為5個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)分析，指出當(dāng)前我國(guó)水泵節(jié)能降耗技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望，助力我國(guó)供水系統(tǒng)長(zhǎng)效發(fā)展。

1 國(guó)內(nèi)供水系統(tǒng)水泵節(jié)能降耗研究

1.1 水泵優(yōu)化選型

水泵的選型搭配，特性曲線的功能性擬合和選泵智能模型的搭建等方面都是國(guó)內(nèi)學(xué)者在水泵優(yōu)化選型方面的研究重點(diǎn)。

蔣任飛等［12］在考慮水泵的數(shù)量以及供水流量不斷變化的因素前提下，以目標(biāo)函數(shù)供水泵站年運(yùn)行費(fèi)用最低搭建水泵選型模型，通過(guò)遺傳算法對(duì)使用水泵臺(tái)數(shù)及型號(hào)情況下優(yōu)選結(jié)果的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)水泵的選型優(yōu)化。陳錦輝［13］研究了在沙口水廠二級(jí)泵站改造工程中，通過(guò)計(jì)算供水管網(wǎng)的用水的流量需求，對(duì)離心式水泵進(jìn)行選型，由原先的型號(hào)800S-50離心泵選用奧地利的智慧流離心泵（型號(hào)SFWP80-800），水泵的實(shí)際運(yùn)行效率由80%上升為91%，有效地降低了泵站的單位電耗。白詠梅等［14］以不同型號(hào)的水泵使用臺(tái)數(shù)為決策變量，將目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為最小裝機(jī)容量，依據(jù)供水系統(tǒng)運(yùn)行成本及建設(shè)投資，將泵站供水劃分為不同供水階段，并根據(jù)各個(gè)階段情況選擇泵，采用整數(shù)規(guī)劃法即全部的決策變量變?yōu)檎麛?shù)為止進(jìn)行水泵優(yōu)化選型，在此基礎(chǔ)上結(jié)合水泵實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行校核可有效節(jié)省費(fèi)用。劉洪海等［15］針對(duì)變頻調(diào)速的恒壓供水系統(tǒng)中，綜合考慮供水量、用水規(guī)律以及水泵效率等因素。研究表明當(dāng)選定系統(tǒng)中主水泵額定流量范圍的1/4～1/3為輔助水泵的額定流量且工作主水泵的額定揚(yáng)程的80%～90%設(shè)定為輔助水泵的額定揚(yáng)程時(shí)，仍可滿足供水系統(tǒng)處于高效區(qū)運(yùn)行，有效節(jié)約系統(tǒng)能耗。湯躍等［16］結(jié)合水泵的特性曲線設(shè)計(jì)了分段最小二乘多項(xiàng)式擬合方法，有效解決擬合水泵特性測(cè)試曲線的多數(shù)算法擬合精度偏差大，擬合效果不理想等難題，為更加精準(zhǔn)地進(jìn)行水泵優(yōu)化選型提供了理論基礎(chǔ)。桂紹波等［17］在考量國(guó)內(nèi)外高揚(yáng)程離心水泵的性能參數(shù)水平的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工程中綜合考慮水泵水力穩(wěn)定性、水泵駝峰裕度、空化余量安全系數(shù)以及水泵關(guān)鍵部件的抗磨損措施等影響因素，提出了應(yīng)用于大規(guī)模供水工程的高揚(yáng)程、大功率水泵合理選型的理論依據(jù)。

1.2 水泵合理調(diào)度和搭配

針對(duì)水泵的優(yōu)化運(yùn)行方向，整個(gè)供水系統(tǒng)的管控優(yōu)化以及水泵機(jī)組的合理運(yùn)行搭配等方面是當(dāng)前國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究主要方向。

齊維貴等［18］通過(guò)研究智能壓力設(shè)定器開(kāi)發(fā)出針對(duì)某水廠的水泵節(jié)能供水控制系統(tǒng)，并經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用案例表明，該控制裝置系統(tǒng)性能可靠，相比于恒壓變頻供水系統(tǒng)和恒速供水系統(tǒng)分別節(jié)約電能12%和32%。張承慧等［19］為了進(jìn)一步設(shè)計(jì)出滿足變頻調(diào)速供水泵站系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)效率控制模型，在結(jié)合水泵實(shí)際的運(yùn)行約束條件和復(fù)雜性，提出了一種最小流量偏差模型，克服了傳統(tǒng)Cohen G效率優(yōu)化模型的不足。相比于傳統(tǒng)模型，該新型模型更加符合水泵并聯(lián)運(yùn)行的特性，具有約束條件少，運(yùn)行時(shí)間短以及實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。龍新平等［20］針對(duì)泵站的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題，基于曲面擬合構(gòu)造了水泵效率、揚(yáng)程和流量等各參數(shù)之間的連續(xù)函數(shù)關(guān)系，引入二層的分解—協(xié)調(diào)模型結(jié)合動(dòng)態(tài)規(guī)劃法建立了泵站調(diào)度模型，并針對(duì)該模型進(jìn)行了算例分析，結(jié)果表明某設(shè)計(jì)流量為100 m3/s的泵站，年節(jié)省電費(fèi)約142.29萬(wàn)元。麻棟蘭等［21］分析了供水系統(tǒng)中涉及的變頻調(diào)速泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的能耗，得出水泵機(jī)組軸功率在幾臺(tái)并聯(lián)調(diào)速泵的流量與轉(zhuǎn)速相同時(shí)最小的結(jié)論，并在滿足供水量要求的前提下，計(jì)算出水泵機(jī)組能耗最小的水泵調(diào)速率及所需使用臺(tái)數(shù)。以4臺(tái)350S44A型離心泵組成的某泵站為例，采用此方法可簡(jiǎn)單快速地得出水泵組合的最優(yōu)解，使得投入的水泵效率最高，從而降低水泵機(jī)組的能耗。岳金文等［22］以某城水廠水泵的能耗系數(shù)為評(píng)估指標(biāo)，比較改造前后供水系統(tǒng)的總KE-Q方程變化情況，分析得出系統(tǒng)節(jié)能空間的方法。侯秀麗等［23］針對(duì)多臺(tái)水泵并聯(lián)工作的水廠，取代傳統(tǒng)的以滿足泵組運(yùn)行功率為目標(biāo)函數(shù)的做法，以泵組實(shí)際提供的流量與實(shí)際需求流量的絕對(duì)差值作為目標(biāo)函數(shù)，改進(jìn)數(shù)學(xué)模型，使模型的物理意義與實(shí)際運(yùn)行工況相符，設(shè)計(jì)水泵組優(yōu)化調(diào)度方案。對(duì)實(shí)際工程中優(yōu)化泵組運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。周君［24］針對(duì)高層二次供水的并聯(lián)水泵無(wú)法持續(xù)高效穩(wěn)定運(yùn)行的難題，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵工況點(diǎn)的變化情況來(lái)輪換控制并聯(lián)水泵工作，取代傳統(tǒng)的以時(shí)間為節(jié)點(diǎn)對(duì)水泵進(jìn)行輪換，以智慧水務(wù)的方式為供水系統(tǒng)的并聯(lián)水泵持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提供了新的研究方向。

1.3 水泵調(diào)速技術(shù)

主要通過(guò)改變水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)速運(yùn)行來(lái)改變其運(yùn)行曲線，使出水壓力與管網(wǎng)需求一致，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。水泵的變頻調(diào)速技術(shù)是目前研究的主流，被廣泛的應(yīng)用于供水行業(yè)中［25］。變頻器進(jìn)行水泵節(jié)能原理如圖1所示［1］。N0、N1分別為轉(zhuǎn)速高低不同的兩條水泵工作特性曲線，R1為水泵出水閥門(mén)關(guān)小后的管路特性曲線，R2為水泵出水閥門(mén)全開(kāi)狀態(tài)時(shí)的管路特性曲線，A、C、D分別為水泵的工況點(diǎn)。通過(guò)變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速，改變揚(yáng)程和流量，達(dá)到節(jié)能目的。

圖1 變頻器節(jié)能原理

田錦釗等［26］研發(fā)一套使用變頻器控制水泵的多水泵自動(dòng)恒壓控制供水系統(tǒng)，即使供水系統(tǒng)的末端用水量不能確定的情況下，該系統(tǒng)通過(guò)變頻器控制水泵調(diào)速以及PLC控制，可實(shí)現(xiàn)水泵功率及數(shù)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的供壓穩(wěn)定。朱開(kāi)求［27］認(rèn)為通過(guò)水泵的變頻調(diào)速改造，一方面能夠降低水泵的工作電流區(qū)間由110 A轉(zhuǎn)到60～90 A，另一方面降低水泵電機(jī)工作溫度。一臺(tái)搭配75 kV電機(jī)的水泵在進(jìn)行變頻改造后，每年節(jié)約電能24.7萬(wàn)kW·h，節(jié)能降耗效果顯著。田政文［28］采用水泵機(jī)組串級(jí)調(diào)速技術(shù)改造新會(huì)牛勒水廠，實(shí)現(xiàn)節(jié)約電費(fèi)約14.4萬(wàn)元/年。解鵬［29］針對(duì)北京某日供水能力34萬(wàn)m3水廠的兩臺(tái)400 kW定速臥式離心水泵機(jī)組進(jìn)行中壓變頻節(jié)能改造，水廠經(jīng)過(guò)2年的運(yùn)行，年平均節(jié)約電能約6%～8%。馮亞軍等［30］針對(duì)無(wú)錫市某水廠清水泵房一期存在給水泵定頻、滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率低和能耗高等情況。采用6 kV IGBT變頻器對(duì)其中2臺(tái)工頻啟停、額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的水泵進(jìn)行調(diào)速改造。變頻改造后預(yù)計(jì)年節(jié)約電費(fèi)可達(dá)29.3萬(wàn)元。胡俊杰等［31］通過(guò)對(duì)江西省宜春市上高縣第二水廠的中開(kāi)式單級(jí)雙吸式離心泵進(jìn)行變頻調(diào)速改造，年節(jié)約電量141萬(wàn)kW·h，節(jié)約電費(fèi)月84.6萬(wàn)。

1.4 葉輪改造技術(shù)

根據(jù)工程運(yùn)行需求，改變?nèi)~輪形狀，提高工作效率，達(dá)到節(jié)能的目的，在葉輪進(jìn)行切削技術(shù)改造時(shí)，應(yīng)遵循切削量限制，如表1所示［9］。張建國(guó)［32］考慮水在泵內(nèi)的流態(tài)，依據(jù)三元流動(dòng)迭代算法，針對(duì)河南某水廠水泵進(jìn)行三元流技術(shù)改造后，水泵安裝新型三元葉輪后在供水流量不降低的情況下電機(jī)運(yùn)行電流降低，年節(jié)約電能約32萬(wàn)kW·h，節(jié)電率達(dá)到16%。張雪［33］等通過(guò)對(duì)蘇州城區(qū)西北部某水廠在13.05、13.30和13.80×104m3/d供水量下經(jīng)過(guò)水泵切削處理后效率分別提高0.38%、1.06%和0.79%，電耗分別降低0.04、1.1和2.07 kW·h/km3。何芳［34］通過(guò)對(duì)某水廠二級(jí)泵房水泵進(jìn)行切削改造，將水泵葉輪直徑從445 mm切削至390 mm，切削后的水泵節(jié)省約27%的功率。韋志新［35］針對(duì)蕪湖某水廠水源水位落差較大，導(dǎo)致水泵運(yùn)行電耗增加，將原水泵葉輪直徑由413 mm切削至383 mm，每年可節(jié)省電能2.87 kW·h，葉輪切削投資費(fèi)用14個(gè)月即可收回成本。馬姍姍等［36］在實(shí)測(cè)試驗(yàn)和CFD流體分析的基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究如何進(jìn)行葉輪切削，結(jié)果表明當(dāng)葉輪切削量大于5%時(shí)，則通過(guò)切割定律公式不能精準(zhǔn)確定切削量，可通過(guò)CFD模擬分析確定切削量。

表1 葉輪最大允許切削量與效率影響關(guān)系

1.5 減少能量損耗技術(shù)

泵軸的功率總是要大于水泵的有效功率，因?yàn)楸幂S功率中有一部分能量在泵軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中被消耗，一部分能量在泵內(nèi)損失。如何盡可能地降低水泵能量損耗成為研究的熱點(diǎn)。其中選用先進(jìn)涂層材料涂覆技術(shù)近年來(lái)發(fā)展較快。陸愛(ài)良［37］認(rèn)為，利用貝爾佐納有機(jī)超滑涂層涂裝修復(fù)水泵葉輪和水泵過(guò)流部件等部位，可以有效增加水泵工作效率5%以上，降低能耗。陸企亭等［38］研制了應(yīng)用于水泵節(jié)能防護(hù)的聚氨酯/環(huán)氧復(fù)合涂層，涂層具有優(yōu)良的物理性能和抗磨蝕性能，復(fù)合涂層使用2年后完好無(wú)損，對(duì)水泵過(guò)流件起到防護(hù)作用且年節(jié)能約3%～8%。劉光浩等［39］對(duì)柳州供水公司的的9臺(tái)14SH型離心泵進(jìn)行超滑金屬涂層節(jié)能改造，以其中1臺(tái)輸水量為1 500 m3/h的水泵為例，每天可節(jié)約電能約313.8 kW·h，2個(gè)月即可收回涂裝改造成本，節(jié)能效果顯著。

2 國(guó)內(nèi)水泵改造技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)供水工程的節(jié)能降耗技術(shù)在取得較快的發(fā)展的同時(shí)也有待進(jìn)一步完善的領(lǐng)域。首先水泵選型及優(yōu)化運(yùn)行的算法研究雖然能夠?yàn)楸谜镜暮侠碓O(shè)計(jì)以及持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提供理論依據(jù)和技術(shù)手段，但是現(xiàn)行研究較多的算法模型仍然存在無(wú)法適應(yīng)較復(fù)雜的泵站，求解耗時(shí)較久，不太適合實(shí)時(shí)線控制等問(wèn)題［40-41］。未來(lái)應(yīng)更加強(qiáng)化供水工程中水泵模型算法的實(shí)際應(yīng)用研究，經(jīng)過(guò)工程項(xiàng)目考察后選擇最佳工藝。其次水泵的相關(guān)改造技術(shù)雖然在應(yīng)用中節(jié)能降耗效果顯著，但是未充分考慮系統(tǒng)的整體融合，自動(dòng)化程度較低，易引發(fā)水泵及供水系統(tǒng)其他附帶問(wèn)題。其中水泵變頻改造技術(shù)適用范圍較廣，節(jié)能降耗效果顯著，但是也存在缺點(diǎn)，如系統(tǒng)初期投入成本較高，運(yùn)維復(fù)雜，操作時(shí)易導(dǎo)致水泵效率損耗以及變頻調(diào)速實(shí)際適用場(chǎng)合有限等問(wèn)題［42-43］。水泵切削改造的代價(jià)較小，見(jiàn)效較快，切削改造的難點(diǎn)在于確定葉輪切削的直徑量，切削后的水泵易引起水泵老化及自身穩(wěn)定性的影響，需長(zhǎng)期注意水泵運(yùn)行噪聲、氣蝕、振動(dòng)等問(wèn)題［44］。最后當(dāng)前水泵的涂層種類(lèi)主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是金屬涂層，另一類(lèi)是有機(jī)高分子涂層，其類(lèi)型及優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 水泵涂層的種類(lèi)及特點(diǎn)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文參照水泵的特點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)供水工程中水泵節(jié)能改造技術(shù)的文獻(xiàn)資料和研究成果，從水泵優(yōu)化選型、水泵科學(xué)調(diào)度和搭配、水泵葉輪改造技術(shù)、水泵調(diào)速技術(shù)和水泵能量損耗降低技術(shù)5個(gè)方面總結(jié)出當(dāng)前國(guó)內(nèi)供水系統(tǒng)中水泵節(jié)能改造技術(shù)措施并指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)及需要改進(jìn)的方向。表明當(dāng)前的水泵節(jié)能技術(shù)手段主要是集中于針對(duì)工程中的具體產(chǎn)生問(wèn)題進(jìn)行對(duì)應(yīng)的單項(xiàng)技術(shù)改造，未能充分重視供水工程中智能化管控以及水泵的應(yīng)用科技、節(jié)能和環(huán)保等方面的綜合特性研究。最后提出了對(duì)我國(guó)供水系統(tǒng)水泵節(jié)能改造技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向和研究趨勢(shì)的展望。主要包括3個(gè)方面：（1）加強(qiáng)水泵設(shè)備安裝程序中的節(jié)能問(wèn)題研究；（2）加強(qiáng)水泵節(jié)能基礎(chǔ)理論性結(jié)合供水工藝的選用比較研究；（3）加強(qiáng)水泵節(jié)能技術(shù)改造后運(yùn)用效果的對(duì)比性分析研究。水泵的節(jié)能改造能夠有效促進(jìn)我國(guó)供水行業(yè)長(zhǎng)效綠色發(fā)展，對(duì)于國(guó)家能源戰(zhàn)略具有一定的意義，未來(lái)還需要加大注意力和資金的投入。