胥媛

（北京京源水務(wù)有限公司，北京100049）

某水務(wù)公司取水站統(tǒng)籌整合京西南地區(qū)供水資源，保障北京西南地區(qū)供水安全。年供原水約1.4億立方米，主要供水設(shè)備為8臺(tái)離心泵。由于設(shè)備投用時(shí)間較早，運(yùn)行中一直存在效率低、能耗高等問(wèn)題。為聚焦“雙碳”目標(biāo)，公司主動(dòng)尋求節(jié)能降耗路徑。

1 早期節(jié)能改造分析

水泵耗電量在社會(huì)總用電量中所占比重很大，該領(lǐng)域進(jìn)行的各種節(jié)能技術(shù)研究也一直為世界各國(guó)所重視。據(jù)我國(guó)第三次工業(yè)普查數(shù)據(jù)，水泵用電量占社會(huì)總用電量21%。節(jié)能工作一直是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)期戰(zhàn)略方針，也是企業(yè)降低成本的有效手段。因此推進(jìn)節(jié)能技術(shù)進(jìn)步，降低單位產(chǎn)值能耗和單位產(chǎn)品能耗是一項(xiàng)重要工作。

由于設(shè)計(jì)工況與實(shí)際工況不符使水泵無(wú)法高效運(yùn)行，造成能源浪費(fèi)。企業(yè)自2015年開(kāi)展合同能源管理項(xiàng)目，針對(duì)取水站4號(hào)泵進(jìn)行了高效節(jié)能葉輪改造。

1.1 改造思路

改造前對(duì)水系統(tǒng)泵組的運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)備參數(shù)進(jìn)行分析，判別水系統(tǒng)泵組是否存在高能耗及原因，并找出設(shè)備與流體輸送的最佳工況點(diǎn)，設(shè)計(jì)出最佳水泵參數(shù)（包括流量、揚(yáng)程等）。這樣設(shè)計(jì)出的節(jié)能葉輪運(yùn)行參數(shù)與工況所需參數(shù)較為吻合，節(jié)能水泵運(yùn)行保持在最佳工況點(diǎn)附近，運(yùn)行電耗降低。

1.2 改造結(jié)果

取水站單開(kāi)4#泵，雙管運(yùn)行，通過(guò)記錄泵后壓力計(jì)算揚(yáng)程，流量通過(guò)某山水廠配合實(shí)時(shí)記錄出水流量。詳見(jiàn)表1及表2。

表1 4#泵改造前數(shù)據(jù)

表2 4#泵改造后數(shù)據(jù)

按照現(xiàn)有技術(shù)規(guī)程，取水站送出水的壓力為0.20～0.32 MPa，而4#泵供水壓力在0.2 MPa時(shí)供水流量為5 854 m3/h，可知改造后4#泵的供水能力有所下降，如圖1所示。從改造前后泵的性能曲線對(duì)比來(lái)看，在4#泵供出相同流量的前提下，揚(yáng)程有所下降。

圖1 實(shí)測(cè)4#泵改造前后性能曲線對(duì)比

1.3 存在問(wèn)題

（1）盡管水泵高耗能問(wèn)題有所改善，但切削葉輪后水泵無(wú)法滿足滿負(fù)荷運(yùn)行工況，造成該設(shè)備只能在特殊工況下使用，極大限制了運(yùn)行調(diào)度。

（2）從項(xiàng)目投資情況來(lái)看，按照合同能源管理約定，對(duì)方收取節(jié)能效益的80%作為改造報(bào)酬，此方式周期長(zhǎng)達(dá)60個(gè)月，雙方需投入大量精力進(jìn)行結(jié)算；且由于雙機(jī)組運(yùn)行無(wú)法精準(zhǔn)測(cè)量單臺(tái)泵的出水量和結(jié)算量，節(jié)能效益核算易產(chǎn)生糾紛。

2 三元流葉輪及碳化硅陶瓷涂層相結(jié)合的節(jié)能技術(shù)

該節(jié)能減排計(jì)劃提出后，通過(guò)對(duì)多種節(jié)能技術(shù)進(jìn)行綜合比選，最終確定采用三元流葉輪注注：“三元流葉輪”是指以“三元流動(dòng)”理論為依據(jù)而設(shè)計(jì)、改造或制造的葉輪，其葉片更適應(yīng)流體的實(shí)際流動(dòng)情況，在實(shí)際應(yīng)用中效率更高、能耗更低。及碳化硅陶瓷涂層技術(shù)相結(jié)合對(duì)水泵進(jìn)行節(jié)能改造。該方法針對(duì)水泵本體進(jìn)行改造，在提升水泵運(yùn)行效率的前提下，不改變?cè)O(shè)備性能，避免早期改造后出現(xiàn)的水泵無(wú)法滿足滿負(fù)荷工況的情況。

取水泵站自團(tuán)成湖取水后通過(guò)離心水泵為某市屬自來(lái)水集團(tuán)提供原水，下游用戶用水量較為穩(wěn)定，常年運(yùn)行2臺(tái)大功率水泵保障下游供水，其中2#和7#為主力泵組，1#和8#為備用泵組。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，由于現(xiàn)有設(shè)備設(shè)施計(jì)量不完善，不能準(zhǔn)確提供單臺(tái)水泵的流量及用電數(shù)據(jù)，易導(dǎo)致在節(jié)能率確認(rèn)階段產(chǎn)生糾紛。因此，該改造項(xiàng)目將主力泵組2#和7#兩臺(tái)水泵作為一組，同時(shí)約定以水泵配用電機(jī)的額定功率630 kw作為節(jié)能測(cè)量基準(zhǔn)。

2.1 改造方法

（1）2#及7#泵設(shè)備參數(shù)

改造前，兩臺(tái)泵至今已分別運(yùn)行38年和46年。常年運(yùn)行的大功率水泵能耗較高，年均耗電量1 044萬(wàn)kW·h。

（2）工藝流程

第一步：泵體內(nèi)壁脫鹽脫脂，去除內(nèi)壁的可溶性污染及油脂，增加涂層的粘結(jié)強(qiáng)度。

第二步：修補(bǔ)泵內(nèi)壁的凹凸、破損、磨損處及葉輪的汽蝕破損和穿孔。增加泵體及葉輪的厚度及間隙，密封環(huán)與葉輪的間隙調(diào)整到最精準(zhǔn)范圍內(nèi)，最大限度的減少流體回流現(xiàn)象。

第三步：應(yīng)用“三元流動(dòng)”理論[1]，把葉輪內(nèi)部的三元立體空間無(wú)限分割，通過(guò)對(duì)葉輪流道內(nèi)各工作點(diǎn)的分析，建立完整、真實(shí)的葉輪內(nèi)流動(dòng)數(shù)學(xué)模型[2]。

此次改造在水泵原有葉輪上進(jìn)行。將葉輪內(nèi)部三元立體空間無(wú)限分割，對(duì)葉輪流道內(nèi)的各工作點(diǎn)分析，建立完整、真實(shí)的葉輪內(nèi)流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確的分析葉輪流道情況。該方法反映流體的流場(chǎng)、壓力分布，也最接近實(shí)際[3]。通過(guò)模擬流體流動(dòng)的實(shí)際情況，修整扇葉和蓋板的曲率和斜率，調(diào)整出最佳的葉輪結(jié)構(gòu)，使流體在葉輪中實(shí)現(xiàn)三元流動(dòng)，從而更好的滿足工況要求，提升流動(dòng)效率，降低能量損失，節(jié)能率可達(dá)到5%～20%。

與傳統(tǒng)加工方法不同，在該葉輪加工過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)高精度修復(fù)，使用冷焊接技術(shù)進(jìn)行修復(fù)補(bǔ)全。該方法可有效避免傳統(tǒng)焊接所產(chǎn)生的熱變問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際情況的成功轉(zhuǎn)化。

第四步：為水泵內(nèi)腔噴涂陶瓷涂層材料，利用其固有的超疏水性和耐磨特性，提升并持續(xù)保持水泵節(jié)能效果，同時(shí)延長(zhǎng)零部件的使用壽命。

常見(jiàn)的通過(guò)減少水利損失，降低水泵能耗的方法對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 減少水利損失降低水泵能耗的方法對(duì)比

該改造所使用的HP2011 Cer-Clide超滑疏水陶瓷涂層，具有“超疏水性”，有效克服了流體的“粘滯性”特性，使泵輸送的液體在泵內(nèi)流動(dòng)時(shí)，降低水力、容積和機(jī)械損失，具體特性參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 特性參數(shù)測(cè)試結(jié)果

碳化硅陶瓷涂層內(nèi)不含水及有機(jī)溶液，配合BTS專利型噴涂系統(tǒng)，智能控制涂層厚度和形狀，為水泵內(nèi)壁提供緊密保護(hù)層。涂層中不會(huì)產(chǎn)生氣泡，進(jìn)而避免了針孔腐蝕及層下腐蝕，保證在一定程度的流體沖刷、腐蝕等工況下不會(huì)發(fā)生脫落現(xiàn)象。通過(guò)材料的疏水性和抗磨損特性提升并持續(xù)保持水泵效率，同時(shí)利用其犧牲保護(hù)特性，可延長(zhǎng)零件使用壽命。

（3）針對(duì)2#和7#水泵本體進(jìn)行節(jié)能改造，設(shè)備外觀變化僅為涂鍍于水泵內(nèi)腔的碳化硅陶瓷涂層。

2.2 測(cè)量方法

改造前，在兩條出水管線上分別安裝兩臺(tái)流量計(jì)，用以改造前后數(shù)據(jù)的計(jì)量。

由于供應(yīng)水量處于持續(xù)波動(dòng)狀態(tài)，瞬時(shí)測(cè)量法可能存在較大誤差，因此采用區(qū)間測(cè)量法。通過(guò)連續(xù)測(cè)量一定周期內(nèi)累計(jì)電量、累計(jì)流量，計(jì)算單位水量耗電量。該方法可有效反映節(jié)能率，避免水量波動(dòng)、測(cè)量周期時(shí)長(zhǎng)等干擾因素引起的誤差。

通過(guò)對(duì)比改造前后的單位水量耗電量，得到改造節(jié)能率。

3 項(xiàng)目節(jié)能量測(cè)算

3.1 項(xiàng)目節(jié)能量測(cè)算的依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

測(cè)算依據(jù)：2#和7#水泵節(jié)能改造前耗能為電能，單位耗能具體體現(xiàn)為水泵配用電機(jī)送水時(shí)所消耗的用電度數(shù)及度電/噸水（kw·h/t）。

通過(guò)對(duì)水泵本體技術(shù)改造提高水泵運(yùn)行效率，在保證水泵輸出流量和壓力不變的情況下，降低水泵配用電機(jī)的功率，降低水泵耗電量10%以上。

3.2 改造前后數(shù)據(jù)記錄

改造前測(cè)量周期從2021年9月23日16時(shí)至2021年10月9日8時(shí)，具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表5。改造后測(cè)量周期從2021年12月8日8時(shí)至2021年12月23日8時(shí)，具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表6。

表5 改造前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表6 改造后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3.3 節(jié)能率計(jì)算

根據(jù)改造前后實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，噸水電耗從0.097 84下降到0.087 59，根據(jù)節(jié)能率計(jì)算公式可以得出：

節(jié)能率＝（改造前單耗-改造后單耗）/改造前單耗×100%＝

（0.097 84-0.087 59）/0.097 84×100%＝10.47%

由此可見(jiàn)，改造達(dá)到降低水泵耗電量10%以上的節(jié)能目標(biāo)。

3.4 節(jié)能減排收益計(jì)算

1）節(jié)能效益：

改造后水泵年節(jié)約用電：

630×2×8 600×10.47%＝1 134 529.2 kw·h

2）減排效益：

標(biāo)準(zhǔn)煤與電能的換算：

1 134 529.2 kw·h×0.000 27 t標(biāo)準(zhǔn)煤/kw·h＝306.32 t標(biāo)準(zhǔn)煤

CO2與電能的換算：

1 134 529.2 kw·h×0.000 592 t CO2/kw·h＝671.64 tCO2

此次改造為我公司節(jié)約標(biāo)煤306.32 t/a、減少二氧化碳排放671.64 t/a。

3）經(jīng)濟(jì)效益：

按照運(yùn)行電費(fèi)0.7元/kw·h進(jìn)行計(jì)算，可節(jié)約電費(fèi)：

1 134 529.2×0.7＝79.42萬(wàn)元/a。

3.5 實(shí)際節(jié)能效果展示

經(jīng)過(guò)4個(gè)月常規(guī)運(yùn)行，2#泵及7#泵耗能量明顯下降，詳見(jiàn)表7。

表7 水泵年均單位電耗變化 kw·h/m3

由于1-4月為低水位期，單位水耗電已發(fā)生明顯下降，曲線對(duì)比如圖2所示。

圖2 2#及7#泵改造前后月度電量單耗曲線對(duì)比

6 結(jié)論

取水泵站2#、7#泵組的改造達(dá)到了預(yù)期的節(jié)能效果。三元流葉輪與碳化硅陶瓷涂層技術(shù)相結(jié)合后取得的節(jié)能效果明顯，該節(jié)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)已得到充分體現(xiàn)。

（1）該項(xiàng)技術(shù)是針對(duì)水泵本體進(jìn)行改造，在不改變電機(jī)、泵體、泵軸、管線等設(shè)備設(shè)施的情況下進(jìn)行，工期短、影響范圍小、改造方便、易實(shí)施，實(shí)用性強(qiáng)。

（2）三元流葉輪技術(shù)實(shí)用性和靈活性強(qiáng)，應(yīng)用前景好。供排水行業(yè)水泵運(yùn)行普遍存在水泵設(shè)計(jì)工況與實(shí)際工況不吻合的情況，使水泵無(wú)法高效運(yùn)行，造成能源浪費(fèi)。三元流葉輪模型搭配冷焊技術(shù)應(yīng)用，通過(guò)修整扇葉和蓋板的曲率等工藝流程對(duì)水泵葉輪進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使泵葉輪輸水效率提高是該項(xiàng)水泵節(jié)能技術(shù)的創(chuàng)新之處。

（3）專利型碳化硅陶瓷涂層技術(shù)可有效降低流體阻力損失，長(zhǎng)周期提升水泵運(yùn)行效率，同時(shí)增強(qiáng)水泵抗耐磨性。

（4）一般情況下改造后葉輪槽道更寬，水流速減小，且內(nèi)壁進(jìn)行了涂層處理，可避免氣蝕或減緩氣蝕現(xiàn)象發(fā)生。

（5）三元流葉輪及碳化硅陶瓷涂層相結(jié)合的節(jié)能技術(shù)降低水泵能耗效果顯著。