杜文中，張 金，趙永亮

（合肥供水集團有限公司，合肥 230011）

0 引言

促進人類社會前進的根本基礎(chǔ)是能源，節(jié)能降耗意義重大。隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，人民對能源的需求和供給之間的缺口日益增大，嚴重制約了我國的經(jīng)濟發(fā)展。水泵作為一種通用性的機械設(shè)備而廣泛地應(yīng)用于社會經(jīng)濟發(fā)展的各個領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計，水泵是能源消耗的主要設(shè)備之一，全國消耗總電能的20%左右都用于各類水泵機組的運行，且運行效率較低，普遍低于發(fā)達國家10%～30%。在供水系統(tǒng)中，制水成本的50%左右屬于動能消耗費用，而供水系統(tǒng)中用電量的90%以上用于水泵的運轉(zhuǎn)，可見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)，提高水泵運行效率是供水項目節(jié)能的關(guān)鍵。

相較于國外供水工程水泵的節(jié)能降耗注重于細節(jié)工藝技術(shù)和管理模式方面的探索［4-7］，當前國內(nèi)供水工程針對水泵的節(jié)能降耗工作更傾向于對工程中的具體問題進行實踐嘗試做技術(shù)改造，其中主要節(jié)能改造措施是根據(jù)實際供需水量以及水質(zhì)等情況，對水泵進行合理的選型，科學調(diào)度搭配運行并做好定期維護檢修工作，通過改變水泵的實際運行工況點，確保水泵一直處于其高效運行區(qū)，實現(xiàn)水泵節(jié)能［8-11］。國外供水工程水泵節(jié)能技術(shù)成效顯著，我國應(yīng)充分融合國外先進技術(shù)成果以發(fā)展符合我國國情的供水系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)。本文概述了國內(nèi)的供水系統(tǒng)中水泵節(jié)能降耗技術(shù)的研究進展并分為5個方面進行總結(jié)分析，指出當前我國水泵節(jié)能降耗技術(shù)的優(yōu)缺點并對未來的研究方向進行了展望，助力我國供水系統(tǒng)長效發(fā)展。

1 國內(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內(nèi)學者在水泵優(yōu)化選型方面的研究重點。

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，以目標函數(shù)供水泵站年運行費用最低搭建水泵選型模型，通過遺傳算法對使用水泵臺數(shù)及型號情況下優(yōu)選結(jié)果的計算，實現(xiàn)水泵的選型優(yōu)化。陳錦輝［13］研究了在沙口水廠二級泵站改造工程中，通過計算供水管網(wǎng)的用水的流量需求，對離心式水泵進行選型，由原先的型號800S-50離心泵選用奧地利的智慧流離心泵（型號SFWP80-800），水泵的實際運行效率由80%上升為91%，有效地降低了泵站的單位電耗。白詠梅等［14］以不同型號的水泵使用臺數(shù)為決策變量，將目標函數(shù)設(shè)置為最小裝機容量，依據(jù)供水系統(tǒng)運行成本及建設(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)為止進行水泵優(yōu)化選型，在此基礎(chǔ)上結(jié)合水泵實際運行工況進行校核可有效節(jié)省費用。劉洪海等［15］針對變頻調(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程的80%～90%設(shè)定為輔助水泵的額定揚程時，仍可滿足供水系統(tǒng)處于高效區(qū)運行，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)計了分段最小二乘多項式擬合方法，有效解決擬合水泵特性測試曲線的多數(shù)算法擬合精度偏差大，擬合效果不理想等難題，為更加精準地進行水泵優(yōu)化選型提供了理論基礎(chǔ)。桂紹波等［17］在考量國內(nèi)外高揚程離心水泵的性能參數(shù)水平的基礎(chǔ)上，結(jié)合實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

針對水泵的優(yōu)化運行方向，整個供水系統(tǒng)的管控優(yōu)化以及水泵機組的合理運行搭配等方面是當前國內(nèi)學者的研究主要方向。

齊維貴等［18］通過研究智能壓力設(shè)定器開發(fā)出針對某水廠的水泵節(jié)能供水控制系統(tǒng)，并經(jīng)過實際應(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］為了進一步設(shè)計出滿足變頻調(diào)速供水泵站系統(tǒng)運行的最優(yōu)效率控制模型，在結(jié)合水泵實際的運行約束條件和復雜性，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)運行的特性，具有約束條件少，運行時間短以及實用性強等特點。龍新平等［20］針對泵站的優(yōu)化調(diào)度問題，基于曲面擬合構(gòu)造了水泵效率、揚程和流量等各參數(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)合動態(tài)規(guī)劃法建立了泵站調(diào)度模型，并針對該模型進行了算例分析，結(jié)果表明某設(shè)計流量為100 m3/s的泵站，年節(jié)省電費約142.29萬元。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)運行時的能耗，得出水泵機組軸功率在幾臺并聯(lián)調(diào)速泵的流量與轉(zhuǎn)速相同時最小的結(jié)論，并在滿足供水量要求的前提下，計算出水泵機組能耗最小的水泵調(diào)速率及所需使用臺數(shù)。以4臺350S44A型離心泵組成的某泵站為例，采用此方法可簡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，從而降低水泵機組的能耗。岳金文等［22］以某城水廠水泵的能耗系數(shù)為評估指標，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］針對多臺水泵并聯(lián)工作的水廠，取代傳統(tǒng)的以滿足泵組運行功率為目標函數(shù)的做法，以泵組實際提供的流量與實際需求流量的絕對差值作為目標函數(shù)，改進數(shù)學模型，使模型的物理意義與實際運行工況相符，設(shè)計水泵組優(yōu)化調(diào)度方案。對實際工程中優(yōu)化泵組運行具有重要的指導意義。周君［24］針對高層二次供水的并聯(lián)水泵無法持續(xù)高效穩(wěn)定運行的難題，通過實時監(jiān)測水泵工況點的變化情況來輪換控制并聯(lián)水泵工作，取代傳統(tǒng)的以時間為節(jié)點對水泵進行輪換，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)定運行提供了新的研究方向。

1.3 水泵調(diào)速技術(shù)

主要通過改變水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)速運行來改變其運行曲線，使出水壓力與管網(wǎng)需求一致，從而實現(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為水泵出水閥門關(guān)小后的管路特性曲線，R2為水泵出水閥門全開狀態(tài)時的管路特性曲線，A、C、D分別為水泵的工況點。通過變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速，改變揚程和流量，達到節(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)通過變頻器控制水泵調(diào)速以及PLC控制，可實現(xiàn)水泵功率及數(shù)量的自動調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)供水系統(tǒng)的供壓穩(wěn)定。朱開求［27］認為通過水泵的變頻調(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工作溫度。一臺搭配75 kV電機的水泵在進行變頻改造后，每年節(jié)約電能24.7萬kW·h，節(jié)能降耗效果顯著。田政文［28］采用水泵機組串級調(diào)速技術(shù)改造新會牛勒水廠，實現(xiàn)節(jié)約電費約14.4萬元/年。解鵬［29］針對北京某日供水能力34萬m3水廠的兩臺400 kW定速臥式離心水泵機組進行中壓變頻節(jié)能改造，水廠經(jīng)過2年的運行，年平均節(jié)約電能約6%～8%。馮亞軍等［30］針對無錫市某水廠清水泵房一期存在給水泵定頻、滿負荷運行時效率低和能耗高等情況。采用6 kV IGBT變頻器對其中2臺工頻啟停、額定轉(zhuǎn)速運行的水泵進行調(diào)速改造。變頻改造后預計年節(jié)約電費可達29.3萬元。胡俊杰等［31］通過對江西省宜春市上高縣第二水廠的中開式單級雙吸式離心泵進行變頻調(diào)速改造，年節(jié)約電量141萬kW·h，節(jié)約電費月84.6萬。

1.4 葉輪改造技術(shù)

根據(jù)工程運行需求，改變?nèi)~輪形狀，提高工作效率，達到節(jié)能的目的，在葉輪進行切削技術(shù)改造時，應(yīng)遵循切削量限制，如表1所示［9］。張建國［32］考慮水在泵內(nèi)的流態(tài)，依據(jù)三元流動迭代算法，針對河南某水廠水泵進行三元流技術(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運行電流降低，年節(jié)約電能約32萬kW·h，節(jié)電率達到16%。張雪［33］等通過對蘇州城區(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］通過對某水廠二級泵房水泵進行切削改造，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］針對蕪湖某水廠水源水位落差較大，導致水泵運行電耗增加，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，葉輪切削投資費用14個月即可收回成本。馬姍姍等［36］在實測試驗和CFD流體分析的基礎(chǔ)上重點研究如何進行葉輪切削，結(jié)果表明當葉輪切削量大于5%時，則通過切割定律公式不能精準確定切削量，可通過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，因為泵軸功率中有一部分能量在泵軸旋轉(zhuǎn)過程中被消耗，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。其中選用先進涂層材料涂覆技術(shù)近年來發(fā)展較快。陸愛良［37］認為，利用貝爾佐納有機超滑涂層涂裝修復水泵葉輪和水泵過流部件等部位，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)能防護的聚氨酯/環(huán)氧復合涂層，涂層具有優(yōu)良的物理性能和抗磨蝕性能，復合涂層使用2年后完好無損，對水泵過流件起到防護作用且年節(jié)能約3%～8%。劉光浩等［39］對柳州供水公司的的9臺14SH型離心泵進行超滑金屬涂層節(jié)能改造，以其中1臺輸水量為1 500 m3/h的水泵為例，每天可節(jié)約電能約313.8 kW·h，2個月即可收回涂裝改造成本，節(jié)能效果顯著。

2 國內(nèi)水泵改造技術(shù)的優(yōu)缺點

多年來，國內(nèi)供水工程的節(jié)能降耗技術(shù)在取得較快的發(fā)展的同時也有待進一步完善的領(lǐng)域。首先水泵選型及優(yōu)化運行的算法研究雖然能夠為泵站的合理設(shè)計以及持續(xù)穩(wěn)定運行提供理論依據(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法適應(yīng)較復雜的泵站，求解耗時較久，不太適合實時線控制等問題［40-41］。未來應(yīng)更加強化供水工程中水泵模型算法的實際應(yīng)用研究，經(jīng)過工程項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，自動化程度較低，易引發(fā)水泵及供水系統(tǒng)其他附帶問題。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，如系統(tǒng)初期投入成本較高，運維復雜，操作時易導致水泵效率損耗以及變頻調(diào)速實際適用場合有限等問題［42-43］。水泵切削改造的代價較小，見效較快，切削改造的難點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，需長期注意水泵運行噪聲、氣蝕、振動等問題［44］。最后當前水泵的涂層種類主要分為兩類，一類是金屬涂層，另一類是有機高分子涂層，其類型及優(yōu)缺點如表2所示。

表2 水泵涂層的種類及特點

3 結(jié)束語

本文參照水泵的特點，根據(jù)現(xiàn)有的國內(nèi)供水工程中水泵節(jié)能改造技術(shù)的文獻資料和研究成果，從水泵優(yōu)化選型、水泵科學調(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個方面總結(jié)出當前國內(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)缺點及需要改進的方向。表明當前的水泵節(jié)能技術(shù)手段主要是集中于針對工程中的具體產(chǎn)生問題進行對應(yīng)的單項技術(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。最后提出了對我國供水系統(tǒng)水泵節(jié)能改造技術(shù)未來發(fā)展方向和研究趨勢的展望。主要包括3個方面：（1）加強水泵設(shè)備安裝程序中的節(jié)能問題研究；（2）加強水泵節(jié)能基礎(chǔ)理論性結(jié)合供水工藝的選用比較研究；（3）加強水泵節(jié)能技術(shù)改造后運用效果的對比性分析研究。水泵的節(jié)能改造能夠有效促進我國供水行業(yè)長效綠色發(fā)展，對于國家能源戰(zhàn)略具有一定的意義，未來還需要加大注意力和資金的投入。