何玉芬，張鐳漓，王振龍，梁 晨

（1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都 610000；2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都 610000）

1 離心泵概述

離心泵是靠葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力來運(yùn)輸液體的泵，由葉輪、泵體、泵軸、軸承、密封環(huán)和填料函等部分組成。離心泵具有較寬的揚(yáng)程和流量范圍，運(yùn)行平穩(wěn)，易于安裝和維護(hù)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)給排水、水利工程等方面。泵站是由水泵機(jī)組、壓力管道和電氣設(shè)備等組成的裝置，可提供一定壓力、流量的液體動(dòng)力和氣壓動(dòng)力。

國內(nèi)流體機(jī)械專業(yè)機(jī)構(gòu)研究顯示，全球水泵電力消耗約占工業(yè)設(shè)備總消耗的25%，而離心泵耗電約占水泵耗電的50%。我國離心泵電力需求量更是高達(dá)水泵耗電的80%［1］。國家科技部及發(fā)展和改革委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布的《中國節(jié)能技術(shù)政策大綱》（2006年）明確指出，要“發(fā)展、推廣高效率的泵類設(shè)備”。因此，提高泵的運(yùn)行效率、降低能耗勢在必行。

2 國內(nèi)離心泵存在的問題

2.1 運(yùn)轉(zhuǎn)總效率低

水泵傳遞能量的有效程度稱為效率。水泵總效率η=ηmηvηh，其中，ηm、ηv、ηh分別為機(jī)械效率、容積效率和水力效率［2］。由于流量和揚(yáng)程的不同，水泵效率會(huì)在10%～90%間變化。

機(jī)械損失大部分由機(jī)械零部件間的摩擦而產(chǎn)生，最主要損失來自圓盤的摩擦。葉輪兩側(cè)與蝸殼之間的流體在葉輪的作用下，在小空間內(nèi)做回流運(yùn)動(dòng)，消耗了葉輪提供的能量，從而消耗了整個(gè)離心泵的能量［3］。圓盤摩擦損失正比于葉輪轉(zhuǎn)速的三次方、葉輪外徑的五次方，隨著轉(zhuǎn)速和外徑的增大而快速增加。

容積損失又稱泄漏損失，是由滲漏流量引起的損失。在旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件的間隙兩側(cè)存在壓強(qiáng)差，使部分已獲得能量的液體從高壓區(qū)流入低壓區(qū)，能量未被有效利用。

水力損失是由流體從水泵進(jìn)口流至出口時(shí)在泵內(nèi)部產(chǎn)生的，主要有流經(jīng)各過流段的沿程水力損失、過流斷面或液體方向突然改變帶來的局部水力損失和漩渦、沖擊引起的損失等。其大小與液體種類及其在泵內(nèi)流動(dòng)的形態(tài)和流道的結(jié)構(gòu)型式、表面粗糙度有關(guān)。

我國離心泵的運(yùn)行效率約比國外低20%。離心泵實(shí)際工作時(shí)并非一直穩(wěn)定在高效區(qū)，造成的能源浪費(fèi)較大。不同工況下葉片工作面的壓力脈動(dòng)情況監(jiān)測結(jié)果表明：水泵實(shí)際運(yùn)行工況越偏離設(shè)計(jì)工況，葉片區(qū)的壓力脈動(dòng)就越大［4］。若泵長時(shí)間處于高壓狀態(tài)下，會(huì)加大泵的軸套和盤根的磨損，其根部就可能出現(xiàn)漏水并進(jìn)入軸承箱，容易引發(fā)燒瓦事故［5］。

2.2 工藝流程設(shè)計(jì)不足

工藝流程的設(shè)計(jì)一定程度上影響著離心泵耗能的大小。如果設(shè)計(jì)時(shí)對離心泵的耗能情況考慮不足，比如壓力需求同母管和輸送壓力不相匹配，以輸送所需的最大值為標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)，就會(huì)增加耗能。有些設(shè)計(jì)中缺乏對離心泵運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性的考慮，導(dǎo)致離心泵內(nèi)出現(xiàn)較強(qiáng)的壓力脈動(dòng)，伴隨著劇烈震動(dòng)和噪音，也給機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行造成很大影響，且這種影響會(huì)隨著揚(yáng)程和流量的增加而更加嚴(yán)重，從而對揚(yáng)程和流量產(chǎn)生一定限制。

2.3 管理維修不當(dāng)

在使用過程中，由于工作人員操作不當(dāng)、檢修不及時(shí)等原因，導(dǎo)致離心泵發(fā)生故障，如介質(zhì)清潔度差、水草等纏繞物進(jìn)入離心泵的葉輪內(nèi)，影響葉輪旋轉(zhuǎn)，某些尖銳物可能會(huì)破壞葉輪；再如進(jìn)水管道內(nèi)清理不到位，有焊渣、礫石等進(jìn)入流道，會(huì)導(dǎo)致離心泵出現(xiàn)突然卡死、軸承發(fā)熱等故障。此外，一些離心泵管道布置上有所不足，實(shí)際布設(shè)距離遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)距離，就會(huì)增加沿程水力損失，管道彎折處過多，從而導(dǎo)致局部水力損失增加。

3 節(jié)能措施分析

3.1 改進(jìn)離心泵

3.1.1 變徑調(diào)節(jié)

根據(jù)葉輪切削定律有

其中，Q1、H1、P1為葉輪直徑為D1時(shí)所對應(yīng)的流量、揚(yáng)程及功率；Q2、H2、P2為葉輪直徑為D2時(shí)所對應(yīng)的流量、揚(yáng)程及功率。由此可知，在改變?nèi)~輪直徑時(shí)，水泵的流量變化率＜揚(yáng)程變化率＜功率變化率，葉輪直徑的改變會(huì)對功率造成明顯影響。因此，當(dāng)水泵的揚(yáng)程和流量與實(shí)際所需的揚(yáng)程和流量差距較大、水泵偏離高效區(qū)運(yùn)行時(shí)，可通過更換不同直徑的葉輪來適應(yīng)工況，且節(jié)能效果較為明顯［6］。但在選擇葉輪直徑時(shí)，須經(jīng)過嚴(yán)格對比和計(jì)算［7］。

3.1.2 變頻調(diào)節(jié)

實(shí)際使用時(shí)，離心泵無需一直保持揚(yáng)程和流量不變，可通過調(diào)節(jié)泵的工況點(diǎn)，對流量和揚(yáng)程進(jìn)行控制。目前比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的調(diào)節(jié)方式是變頻調(diào)節(jié)。該方式依據(jù)流量決定轉(zhuǎn)速，變頻電源采用晶閘管變頻器，通過改變電源頻率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使離心泵的軸功率降低［8］。研究表明，較高的轉(zhuǎn)速不僅可降低泵的尺寸，還能提高泵的效率［9］。而較低的轉(zhuǎn)速可減少泵內(nèi)部的磨損，延長泵的使用壽命［10］。

變頻調(diào)速常用于系統(tǒng)壓力和流量經(jīng)常性變化的大型管網(wǎng)系統(tǒng)，具有效率高、調(diào)速范圍寬和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過調(diào)整泵站中一臺或幾臺泵的轉(zhuǎn)速，對減少電機(jī)損失功率具有明顯效果。但在實(shí)際使用中也存在著限制，如投資成本較大，變頻器輸出電流產(chǎn)生的高次諧波對電動(dòng)機(jī)及電源均會(huì)造成諸多不良影響。

3.2 改進(jìn)泵站系統(tǒng)

泵站樞紐由取水口、引水渠、進(jìn)水池、泵房、壓力管道和出水池等組成，泵站整體效益與各部分運(yùn)行情況息息相關(guān)。

3.2.1 提高管路效率

泵站系統(tǒng)中的管道主要由引水管道、進(jìn)水流道和出水管道（又稱壓力管道）等組成。沿程水頭損失和局部水頭損失構(gòu)成了管道系統(tǒng)的主要阻力損失，液體性質(zhì)和管壁粗糙度很大程度上決定了沿程水力損失，局部水力損失與彎頭、閥門等有關(guān)。

（1）吸水管路應(yīng)當(dāng)做到不漏氣、不積氣和不吸氣。鋪設(shè)管道時(shí)應(yīng)注意接縫處的嚴(yán)密性，避免管道漏水，易腐蝕材料埋于土下時(shí)應(yīng)涂防腐層進(jìn)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，從河道取水的多級離心泵房應(yīng)避免吸水管的淹沒深度過淺。

（2）合理設(shè)置管路長度。管路越長，沿程水力損失越大，離心泵的效率就越低，同時(shí)投資也越大。因此，在適應(yīng)實(shí)際情況的前提下可適當(dāng)減少管路長度。但當(dāng)水源與水池之間的地形平坦時(shí)，減短管路會(huì)增加引渠、進(jìn)水池及泵房的挖方量或增加出水池和干渠的填方量［11］，故綜合比較后應(yīng)選用最合理的管路長度與鋪設(shè)方式。

（3）減少非必需的管路附件。管路附件通常包括濾閥、底閥、逆止閥、彎管、漸變接管、壓力表和法蘭等。管路附件越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，液體受到的阻力越大，局部水力損失就會(huì)越大。因此，可根據(jù)泵站實(shí)際情況設(shè)計(jì)系統(tǒng)，盡可能減少管路附件。

3.2.2 優(yōu)化進(jìn)水池

進(jìn)水池是指在泵站中為水泵或其吸水管道抽水而修建的水池。如果進(jìn)入泵站的泥沙沉淀在進(jìn)水池，將會(huì)使泵站功率損耗增大，當(dāng)其積累到一定程度時(shí)，有可能會(huì)堵塞吸水管口，導(dǎo)致泵站運(yùn)行異常。因此，從多泥沙水源取水的泵站，除需要選擇合理的取水口位置和取水方式外，主要從以下兩個(gè)方面考慮。

（1）進(jìn)水池形狀盡量設(shè)計(jì)為圓形（或半圓形、蝸殼形）［12］，可以較好地避免泥沙淤積。水流通過引渠或暗管直接進(jìn)入圓形進(jìn)水池，并且在入口處突然擴(kuò)散。進(jìn)水池底部存在底坎，可調(diào)整水流形態(tài)，主流與底坎發(fā)生碰撞后形成水躍，從而抵消一部分能量；坎后有縱向旋滾區(qū)，水池兩側(cè)形成了較強(qiáng)的回流區(qū)，對防止泥沙淤積具有顯著作用。

（2）前池設(shè)置導(dǎo)流設(shè)施，進(jìn)水池改為單泵單池單閘方式［13］。導(dǎo)流墩將前池分割出多條進(jìn)水流道，改善了進(jìn)水流態(tài)。前池?cái)U(kuò)散角減小，削弱了回流和漩渦，避免出現(xiàn)死水區(qū)，創(chuàng)造了更好的進(jìn)水條件。將開敞式進(jìn)水池改為單泵單池的形式，因?yàn)榍俺卦黾恿藢?dǎo)流墩，過水?dāng)嗝婷娣e減小，水流流速通常大于發(fā)生淤積的斷面平均流速，減少了泥沙淤積。資料顯示，將八字形導(dǎo)流墩與川字導(dǎo)流墩配合使用，控渦防淤效果更佳［14］。且經(jīng)計(jì)算比較，該結(jié)構(gòu)與開敞式進(jìn)水池相比，一定程度上減少了工程量和投資費(fèi)用［15］。建議結(jié)合數(shù)值模擬，加強(qiáng)對進(jìn)水池模型試驗(yàn)的進(jìn)一步探索。

3.2.3 離心泵配套使用

合理采用不同離心泵配套的方法，可大大提高泵站運(yùn)行效率，節(jié)約能耗。若泵站流量要求變化較大，可將單泵運(yùn)行改為幾臺小泵并聯(lián)運(yùn)行或用一臺大泵匹配幾臺小泵運(yùn)行。根據(jù)流量變化改變運(yùn)行臺數(shù)，優(yōu)化不同型號的離心泵的組合方式，合理確定泵的性能參數(shù)，使離心泵盡可能在高效區(qū)工作［16-17］。采用配套使用離心泵的方式，避免了用閥門節(jié)流，減少了閥門帶來的功率損失，且泵高效運(yùn)行的保證率較高。

隨著泵站級數(shù)的增加，產(chǎn)生單位棄水量所造成的損失量會(huì)成倍增大。每級泵站因棄水造成的損失，包括了該級站本身為此造成的能量損失和各級泵站把水提升到該級站所消耗的能量。資料顯示，通過加小泵加回水管的方式可有效減少棄水［18］。

3.3 優(yōu)化泵站運(yùn)行管理

3.3.1 泵站選址及布局

根據(jù)一般規(guī)定，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)總體規(guī)劃、泵站工程規(guī)模和運(yùn)行特點(diǎn)等要求，經(jīng)過綜合比較確定泵站站址。選址應(yīng)確保地形開闊平坦、盡量避免不良地段，工程應(yīng)建設(shè)在巖性堅(jiān)實(shí)、抗?jié)B性能良好的天然地基上，盡量接近電源以縮短輸電線路長度。根據(jù)當(dāng)?shù)氐貏萸闆r，對泵站進(jìn)行合理的分級布置，在規(guī)劃級間流量配套時(shí)，還需對相鄰泵站的水泵型號有所考慮。

3.3.2 加強(qiáng)泵站的修養(yǎng)維護(hù)

定期對泵站進(jìn)行檢修和養(yǎng)護(hù)，確保葉輪及泵體光潔與密封良好，檢查管道是否漏水，及時(shí)更換磨損較大或腐蝕嚴(yán)重的零件，排查可能出現(xiàn)的安全問題，避免造成運(yùn)行故障甚至是安全事故。

3.3.3 推進(jìn)泵站的信息化、智能化

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）逐漸在泵站設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。CFD是流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相互融合的一門交叉學(xué)科，用于求解復(fù)雜的三維流動(dòng)，利用其可研究泵站各部分的水流狀態(tài)和水力損失，進(jìn)而優(yōu)化泵站的相關(guān)參數(shù)。該技術(shù)不受限于實(shí)驗(yàn)條件，可更直接地反映內(nèi)部情況，提供更精確的數(shù)據(jù)，運(yùn)用CFD對離心泵進(jìn)行設(shè)計(jì)改造將趨于主流。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)并運(yùn)用系統(tǒng)方法進(jìn)行分析處理，綜合開發(fā)及利用供水系統(tǒng)，推進(jìn)機(jī)電一體化建設(shè)?？山⒈谜拘畔?shù)據(jù)庫，借助信息技術(shù)對泵站進(jìn)行科學(xué)管理。

另外，建立泵站供水管理體系，設(shè)立健全有效的管理機(jī)構(gòu)，制定合適的規(guī)章制度，提高泵站工作人員的整體水平，也是實(shí)行安全生產(chǎn)、提高效率、充分發(fā)揮泵站效益的強(qiáng)有力保障。

4 結(jié)語

不同泵站有不同的節(jié)能方式，從離心泵自身來講，可通過更換葉輪、變頻調(diào)速等方式改進(jìn)；對機(jī)組系統(tǒng)來講，可運(yùn)用優(yōu)化管道及進(jìn)水池、合理配套等方式節(jié)能；應(yīng)從根本上提高設(shè)計(jì)水平，推廣計(jì)算流體力學(xué)在泵站中的應(yīng)用；先進(jìn)高效的運(yùn)行管理模式對泵站節(jié)能也有舉足輕重的作用。

單一指標(biāo)不能用于判斷泵站整體是否高效經(jīng)濟(jì)，要綜合考慮離心泵的可靠性、安全性、對環(huán)境的適應(yīng)性以及離心泵性能的穩(wěn)定性、壽命和對材料的利用率等。離心泵的使用環(huán)境也要因地制宜、依不同情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如離心泵的密封性能、水力性能以及耐磨蝕、耐高溫、耐汽蝕性能等。因此要系統(tǒng)、深入的理解離心泵節(jié)能，結(jié)合多種因素進(jìn)行綜合考慮。

在資源緊缺的情況下，離心泵節(jié)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、研發(fā)單位、使用單位等齊心合力，使離心泵的發(fā)展與時(shí)代緊密結(jié)合，從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)不斷優(yōu)化，才能達(dá)到較為滿意的效果。