論循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

王 杰 張生安 燕增偉

(山東?？苹ぜ瘓F(tuán)有限公司)

節(jié)能技術(shù)

論循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

王 杰*張生安 燕增偉

(山東?？苹ぜ瘓F(tuán)有限公司)

分析了目前循環(huán)水泵能耗高的原因、改造途徑以及“3+1”流體輸送高效節(jié)能技術(shù)的原理和特點。對循環(huán)水泵進(jìn)行改造后，千噸水節(jié)電率達(dá)到15.3%，節(jié)約了大量的運行成本，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

循環(huán)水泵 葉輪 高效節(jié)能 流體輸送 三元流動 經(jīng)濟(jì)效益

0 前言

隨著國際能源緊缺的日益嚴(yán)重及環(huán)境破壞的加大，建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會已成為國家發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，節(jié)能減排成為我國政策支持的重中之重，也成為我國基本國策。據(jù)統(tǒng)計，目前我國能源利用效率僅為30%左右，比發(fā)達(dá)國家低10個百分點，產(chǎn)值能耗比世界平均水平高2倍多，是世界上產(chǎn)值能耗最高的國家之一。據(jù)有關(guān)單位研究，我國的節(jié)能潛力為3億t標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于去年全國能源消費總量的15.2%。若按每t標(biāo)準(zhǔn)煤600元計，節(jié)能市場可達(dá)1 800億元之巨。

水泵是我國工業(yè)領(lǐng)域最主要的耗能設(shè)備之一，其用量大，涉及面廣，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金、環(huán)保和市政等國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域。而據(jù)不完全統(tǒng)計，全國水泵裝機(jī)約3 000萬臺，總?cè)萘考s24 000MW，耗能總量約占全國發(fā)電量的20%～25%。初步估計，提高水泵系統(tǒng)運行效率的節(jié)能潛力可達(dá)250億kW h/a～350億kW h/a，相當(dāng)于4～7個裝機(jī)容量為1 000MW級的大型火力發(fā)電廠的年發(fā)電總量。 由此可見，水泵系統(tǒng)的節(jié)能潛力十分巨大。

1 水泵系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)

1.1導(dǎo)致水泵系統(tǒng)高能耗的主要原因

引起水泵系統(tǒng)高能耗運行的原因是多方面的，諸如設(shè)計規(guī)范合理性、設(shè)計計算準(zhǔn)確性、水泵產(chǎn)品質(zhì)量、工程安裝質(zhì)量及運行管理等等，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)由于設(shè)計、制造工藝的落后，使水泵、電機(jī)本身設(shè)計效率偏低。

(2)系統(tǒng)設(shè)計選用的水泵偏大 （“大馬拉小車”現(xiàn)象），致使水泵處于 “大流量、低效率、高能耗”的不利工況下運行，嚴(yán)重偏離了最佳工況點，不但增加了系統(tǒng)的能耗，還會引起一系列不良后果——振動大、噪音高、水泵產(chǎn)生嚴(yán)重汽蝕現(xiàn)象、電機(jī)過載發(fā)熱，有的因過載嚴(yán)重，水泵根本無法啟動，導(dǎo)致電機(jī)燒壞等。

(3)由于全年不同時段水泵進(jìn)水池水位 （適用于開式系統(tǒng)）不同或供水需求不同，引起泵組運行模式改變，從而造成變工況運行。這時往往需要調(diào)節(jié)閥門，增加阻力，于是產(chǎn)生了額外的揚(yáng)程能耗。

(4)對于有多臺水泵并聯(lián)或串聯(lián)的較為復(fù)雜系統(tǒng)，運行配置不合理。

(5)管路系統(tǒng)設(shè)計、施工不合理，系統(tǒng)回路水力嚴(yán)重不平衡，或存在局部阻力偏高的不正?，F(xiàn)象，從而增加了揚(yáng)程能耗。

(6)系統(tǒng)回路滲漏，水流旁通，增加無效流量，增加水泵能耗。

(7)系統(tǒng)不能根據(jù)工藝實際需要科學(xué)調(diào)度，增加了無效能耗。

(8)系統(tǒng)維護(hù)管理不當(dāng)，未及時更換備件，從而增加了內(nèi)部泄漏損耗。

(9)電氣系統(tǒng)設(shè)計不合理，電網(wǎng)功率因數(shù)偏低。1.2水泵節(jié)能改造的經(jīng)濟(jì)魅力

一臺軸功率100 kW的水泵，每年運行8 000 h，以電費每kW h為0.8元計，一年運行費用為64萬元。如降耗10%，一年可節(jié)支6.4萬元。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，一套泵系統(tǒng)在其終身使用過程中，它的購置成本僅占總成本的5%～8%，維護(hù)成本占總成本10%～15%，運行電費成本占總成本的75%～85%。由此可見，提高水泵系統(tǒng)的運行效率是何等重要！泵系統(tǒng)節(jié)能改造，魅力無窮。

1.3水泵節(jié)能改造的途徑

由于引起泵組高能耗的原因各不相同，節(jié)能改造方案需根據(jù)不同的實際情況而定。其最佳節(jié)能改造方案必須以合理的水送能耗指標(biāo)做指導(dǎo)，以系統(tǒng)優(yōu)化、最佳工況運行為目的，從降低系統(tǒng)阻力、提高水泵效率、調(diào)整合理流量、科學(xué)運行調(diào)度入手。目前，比較常用的節(jié)能改造方法有以下幾種：

(1)通過切割葉輪的方法直接降低水泵的流量，降低水泵的運行功率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。這種方法適用于泵組電流過載現(xiàn)象比較嚴(yán)重的情況。水泵葉輪切割可以降低流量、揚(yáng)程，但葉輪切割有一定的局限性，超出切割定律范圍則無法用切割葉輪的方法實現(xiàn)節(jié)能，且切割葉輪后水泵的效率也隨之降低。

(2)采用變頻節(jié)能技術(shù)。根據(jù)頻率與轉(zhuǎn)速、流量成線性關(guān)系，與功率成三次方關(guān)系的原理，以改變頻率進(jìn)而改變轉(zhuǎn)速，達(dá)到降低功耗的目的。但變頻僅從流量入手，無法改變低效率運行，無法降低管路阻力，對有問題或較為復(fù)雜的系統(tǒng)，起不到節(jié)能作用。變頻幅度不能太低，頻率在36 Hz～45 Hz之間最佳，低于36 Hz會引起水泵效率急劇下降而導(dǎo)致大幅提高水泵能耗，同時引起電機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速太慢而影響電機(jī)散熱，導(dǎo)致電機(jī)燒壞。其它改變水泵轉(zhuǎn)速的節(jié)能技術(shù)與之原理一致，均適用于變負(fù)載的水泵機(jī)組。

(3)采用系統(tǒng)完全匹配技術(shù)，即 “3+1”流體輸送高效節(jié)能技術(shù)。該技術(shù)可以徹底解決切割葉輪和變頻節(jié)能技術(shù)無法實現(xiàn)系統(tǒng)徹底節(jié)能的技術(shù)難題，標(biāo)本兼治，達(dá)到最佳節(jié)能效果。

1.4 “3+1”流體輸送高效節(jié)能技術(shù)原理及特點1.4.1二元流動理論

離心式水泵主要由葉輪、泵體、軸、軸承和密封等零部件組成。其中葉輪是決定水泵性能好壞的一個最重要部件。目前水泵葉輪的設(shè)計仍沿用二元流動理論。二元流動理論認(rèn)為，葉輪流道及流體流態(tài)在葉道截面上呈線性變量關(guān)系，即葉輪周圍水流流動在同一截面不同高度位置呈有規(guī)律的變化，在接近輪盤處它的流速最大，而向上越接近蓋盤流速越小。然而，實際的葉輪流道及流體流態(tài)卻呈射流和尾跡 （漩渦）的流動特征，傳統(tǒng)的二元流動理論不能完全反映泵內(nèi)流體的真實流動狀態(tài)，依據(jù)該理論設(shè)計的水泵，工作效率始終難以提高。

1.4.2三元流動理論

應(yīng)用我國著名科學(xué)家吳仲華院士的 “葉輪機(jī)械三元流動理論”，把葉輪內(nèi)部的三元立體空間無限地分割，通過對葉輪流道內(nèi)各工作點的分析，建立起完整、真實的葉輪內(nèi)流體流動的數(shù)學(xué)模型。依據(jù)三元流動理論設(shè)計的葉片形狀為不規(guī)則曲面形狀，葉輪葉片的結(jié)構(gòu)可適應(yīng)流體的真實流態(tài)，能夠控制葉輪內(nèi)部全部流體質(zhì)點的速度分布。因此，應(yīng)用三元流動理論設(shè)計的水泵，運行效率得以顯著提高。1.4.3三元流葉輪與二元流葉輪的區(qū)別

(1)子午流道三元流葉片加寬了許多，特別是輪轂減小，可使流通能力增大；

(2)子午流道三元流葉輪直徑減小，而出口寬度增大；

(3)三元流葉片的扭曲度較二元流的大很多；(4)三元流葉片邊向來流進(jìn)口伸展，減少了進(jìn)口損失；

(5)由兩個單吸葉輪組合而成的三元流葉輪，采用相鄰葉片相互交錯的結(jié)構(gòu)，使水流脈沖下降到揚(yáng)程的±4‰以內(nèi)，水流更加平穩(wěn)，效率更高，必須汽蝕余量更低。

1.4.4三元流高效水泵與變頻調(diào)速節(jié)能的區(qū)別

單一變頻技術(shù)根據(jù)水泵出口壓力信號調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，盡管能耗下降了，但流量也減少了，更嚴(yán)重的是水泵的工作特性曲線已嚴(yán)重偏離最佳效率工作區(qū)，實際上水泵的工作效率在下降，而且變頻改造的投資大、施工復(fù)雜。因此對于大型離心水泵其最佳的節(jié)能措施是盡量提高水泵的工作效率，使水泵的高效率工作點盡量與水泵的實際工況相接近。應(yīng)用三元流動理論，重新設(shè)計高效水泵或高效葉輪，直接更換現(xiàn)役水泵或葉輪，可以實現(xiàn)高效節(jié)能增容的目的。

三元流技術(shù)和變頻技術(shù)，對水泵都可達(dá)到節(jié)能目的。變頻技術(shù)是在電機(jī)上做文章，根據(jù)用水負(fù)載的變化來調(diào)整電機(jī)輸出功率；而三元流技術(shù)是在葉輪上做文章，目的是提高葉輪的實際工作效率。當(dāng)然，對于變負(fù)載的水泵機(jī)組，要想充分節(jié)能，最好是兩項節(jié)能技術(shù)都實施；對于負(fù)載相對恒定的水泵機(jī)組，變頻技術(shù)就沒有用武之地了，只能采用三元流節(jié)能技術(shù)。

1.4.5 “3+1”流體輸送高效節(jié)能技術(shù)的核心和重點

“3+1”流體輸送高效節(jié)能技術(shù)包括3個核心、1個重點。

核心1：高效節(jié)能水泵的設(shè)計與制造技術(shù)。

(1)采用三元理論對水力模型及流道進(jìn)行變分有限元三元流動分析，采用CFD分析和試驗研究，對水力模型進(jìn)行篩選和修正。目前已開發(fā)多個國內(nèi)領(lǐng)先，覆蓋離心泵、混流泵和軸流泵的高效水力模型。

(2)水力部件全部采用精密鑄造，以提高其表面質(zhì)量和型線尺寸精度；中、大型葉輪采用焊接工藝制造，其中葉片為模鍛或數(shù)控加工。

(3)轉(zhuǎn)子部件精細(xì)加工，提高零件尺寸精度，減少密封間隙。

(4)過流部件表面噴涂特殊涂料，提高表面光潔度。

核心2：泵系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、診斷分析和優(yōu)化改造技術(shù)。

(1)專業(yè)技術(shù)人員利用高精度儀器儀表現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)。(2)由計算軟件診斷分析，提出優(yōu)化改造方案。核心3：泵系統(tǒng)故障診斷、實時監(jiān)控、高效經(jīng)濟(jì)運行與優(yōu)化調(diào)度技術(shù)。

(1)根據(jù)泵系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)和工藝要求，通過在線軟件實時監(jiān)控，自尋優(yōu)給出滿足工藝要求的、實時電耗最低的運行調(diào)度方案。

(2)實時監(jiān)控設(shè)備振動、軸承溫度等，進(jìn)行故障診斷，確保設(shè)備安全運行。

1個重點：水泵故障診斷、維修保養(yǎng)技術(shù)。

采用專業(yè)設(shè)備診斷水泵故障，同步解決振動、噪音、泄漏、軸承發(fā)熱和汽蝕等運行故障，改善運行環(huán)境。

“3+1”流體輸送高效節(jié)能技術(shù)包含了數(shù)據(jù)檢測技術(shù)、系統(tǒng)高耗能診斷分析技術(shù)、系統(tǒng)優(yōu)化改造技術(shù)、高效節(jié)能泵或葉輪設(shè)計制造技術(shù)和泵系統(tǒng)故障診斷、實時監(jiān)控、高效經(jīng)濟(jì)運行與優(yōu)化調(diào)度技術(shù)。它集先進(jìn)技術(shù)、優(yōu)良產(chǎn)品、嚴(yán)謹(jǐn)實施方法、系統(tǒng)科學(xué)匹配于一體，是所有節(jié)能技術(shù)中最徹底、最安全、最可靠的高效節(jié)能技術(shù)。

2 “3+1”技術(shù)在循環(huán)水泵系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

2.1工程的基本概況

山東?？苹ぜ瘓F(tuán)有限公司重催車間循環(huán)水泵系統(tǒng)于2007年投入生產(chǎn)運行。原設(shè)計為3臺泵，水泵銘牌參數(shù)具體如下：型號KQSN 450-N 13/428，設(shè)計點流量Q=2 280m3/h，設(shè)計點揚(yáng)程H=45m，汽蝕余量9.5m，生產(chǎn)廠家為上海凱泉泵業(yè)有限公司。配套電機(jī)型號為Y400-4，功率Pe=400 kW，額定電流I=47.6 A，額定電壓U=6 kV，額定轉(zhuǎn)速1 480 r/m in，電機(jī)功率因數(shù)cosφ≈0.86，額定效率η≈94%，生產(chǎn)廠家為南陽防爆電機(jī)廠。

此系統(tǒng)供重催車間循環(huán)用水之用。一般運行工況為二用一備，各水泵出口蝶閥開度不到60%，母管要求壓力為0.445MPa，運行時能耗較大。運行過程中三臺泵均有不同程度的汽蝕現(xiàn)象。由于汽蝕原因，原泵運行6個月左右就造成葉輪穿孔，流量減少，時常需增加泵的運行臺數(shù)來滿足生產(chǎn)要求，造成能耗浪費，維護(hù)成本高。根據(jù)現(xiàn)場情況分析，造成汽蝕的主要原因是現(xiàn)場安裝的吸入管路較復(fù)雜，吸入阻力損失較大，進(jìn)水水位比較低，水泵流量大、轉(zhuǎn)速高。

2.2水泵系統(tǒng)高能耗的主要原因

重催車間循環(huán)水泵系統(tǒng)，原泵由于設(shè)計得不合理，且與系統(tǒng)要求不相匹配，出口閥門開度只能達(dá)到60%左右，開度加大就會產(chǎn)生過流現(xiàn)象，使管路阻力大大增加，造成大量的能耗損失在閥門上；水泵偏離了最佳工況點，運行成本高，同時泵的低效運行造成維護(hù)成本高。

技改前原水泵運行工況如表1所示。現(xiàn)場裝置如圖1所示。

表1 技改前原水泵運行工況

圖1循環(huán)水泵系統(tǒng)

（1）泵的運行參數(shù)計算分析

根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，泵A各運行參數(shù)詳細(xì)計算分析如下：

泵C各運行參數(shù)詳細(xì)計算分析如下：

（2）系統(tǒng)高能耗的原因

(a)水泵偏工況運行，實際運行效率較低；

(b)水泵出口閥門開度很小，使管路阻力大大增加，系統(tǒng)能耗增大；

(c)水泵非最新高效節(jié)能泵，泵本身效率偏低；

(d)水泵的使用時間比較長，長期的腐蝕和磨損使得水泵的表面光滑度降低、流道形狀變形和間隙增大，從而增加了額外的損失，水泵效率下降。

2.3 “3+1”流體輸送高效節(jié)能技術(shù)在本系統(tǒng)中的應(yīng)用

經(jīng)我公司多次與長沙翔鵝節(jié)能公司探討，決定采用翔鵝公司 “3+1”流體輸送高效節(jié)能技術(shù)對調(diào)查數(shù)據(jù)資料進(jìn)行系統(tǒng)分析、研究，結(jié)合該系統(tǒng)管路流體力學(xué)特性，設(shè)計本節(jié)能技改方案：整改目前系統(tǒng)存在的不利因素，按最佳運行工況參數(shù)采用高效節(jié)能泵替代原處于不利工況、低效率運行的水泵，降低 “無效能耗”，提高輸送效率，以達(dá)到最佳的節(jié)能效果。技改后運行工況分析如下：

為保證冷卻設(shè)備制冷效果，2臺水泵并聯(lián)運行，單臺水泵流量均按泵A和泵C的母管流量進(jìn)行節(jié)能水泵設(shè)計。經(jīng)翔鵝公司技術(shù)人員和我公司事業(yè)部對現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)綜合分析，現(xiàn)2臺泵運行時單臺水泵流量取2 500m3/h，2臺泵運行時總流量∑Q=5 000m3/h。取∑Q=5 000m3/h進(jìn)行節(jié)能水泵設(shè)計，要求母管壓力p為0.45MPa，吸入水位為+2.4m，改造后節(jié)能水泵出口閥門全開，水泵運行揚(yáng)程可取38m。按翔鵝公司現(xiàn)有高效節(jié)能水泵模型，該系統(tǒng)水泵運行參數(shù)可為：流量Q=2500m3/h，揚(yáng)程H=38m，效率η=80%，軸功率Pa=9.81×2 500×38/（3 600×80%）≈323.5 kW。

以三元流理論進(jìn)行三維設(shè)計，量身定做翔鵝公司的高效節(jié)能三元流水泵，替換技改前的原水泵。技改后水泵的運行參數(shù)如表2所示。

表2 技改后水泵的運行參數(shù)

2.4改造后公司的節(jié)電收益分析

（1）技改后系統(tǒng)每小時節(jié)電量

由表1、表2數(shù)據(jù)計算可得：

N=393.2+420-363.2×2=86.8 kW

（2）技改后年總節(jié)電量=技改后系統(tǒng)每小時節(jié)電量×水泵全年運行時間

Ne=86.8×8 640=75×104kWh

（3）技改后節(jié)電率

（4）年節(jié)電金額=年總節(jié)電量×當(dāng)年電價

ΔN=75×0.59=44萬元

（5）按水泵使用壽命15年計算，本系統(tǒng)15年可節(jié)約44×15=660萬元。同時每年多送水

（4 914－4 664）×8 640=216×104m3（6）按kt水電耗計算節(jié)能率

更換高效節(jié)能泵，并不能消除汽蝕。由于節(jié)能泵流量大、轉(zhuǎn)速高，要從設(shè)計上大幅降低汽蝕余量有很大難度。高水泵效率和低汽蝕余量是矛盾對立的，要提高水泵效率就必須減少水泵葉輪進(jìn)口直徑，而減小水泵葉輪進(jìn)口直徑就會提高汽蝕余量。節(jié)能水泵設(shè)計時兼顧考慮到高效率和低汽蝕余量，但仍會產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。為避免汽蝕給水泵造成的損害，高效節(jié)能泵的葉輪、密封環(huán)和軸套均采用了抗汽蝕性能好的不銹鋼材料制造，并且對葉輪葉片進(jìn)行特殊打磨處理來抵抗汽蝕。因此，即使有汽蝕發(fā)生，也不會對水泵造成大的損害，也不會影響系統(tǒng)的正常運行。為了徹底地解決這一汽蝕問題，在不影響生產(chǎn)的情況下，通過提高進(jìn)水水位的方法從而解決汽蝕的發(fā)生，使系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)，系統(tǒng)更合理更節(jié)能。

由此可見，通過此系統(tǒng)節(jié)能改造，將給?？苹ぜ瘓F(tuán)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 總結(jié)

“3+1” 流體輸送高效節(jié)能技術(shù)是目前泵系統(tǒng)最為先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)之一，它在水系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用徹底地解決了高能耗的問題，達(dá)到了標(biāo)本兼治。國務(wù)院印發(fā)的發(fā)展改革委員會同有關(guān)部門制定的 《節(jié)能減排綜合性工作方案》，明確了2010年中國實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)任務(wù)和總體要求。 《方案》指出，到2010年，中國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗將由2005年的1.2 t標(biāo)準(zhǔn)煤下降到1 t標(biāo)準(zhǔn)煤以下，降低20%左右；單位工業(yè)增加值用水量降低30%。“十一五”期間，中國主要污染物排放總量減少10%。到2010年，二氧化硫排放量由2005年的2 549萬 t減少到2 295萬t，化學(xué)需氧量 （COD）由1 414萬t減少到1 273萬t；全國設(shè)市城市污水處理率不低于70%，工業(yè)固體廢物綜合利用率達(dá)到60%以上。同時國家明文規(guī)定了在全國范圍內(nèi)對1 000家高能耗企業(yè)進(jìn)行監(jiān)控及下達(dá)了節(jié)能減排的硬性指標(biāo)，國家在2010年8月份還下發(fā)了淘汰產(chǎn)能企業(yè)名單。這足以表明國家在節(jié)能減排工作上的決心和信心，節(jié)能減排刻不容緩。

目前山東?？苹ぜ瘓F(tuán)有限公司共有10個循環(huán)水系統(tǒng)，如果在其他循環(huán)水系統(tǒng)中對此技術(shù)加以廣泛應(yīng)用，必將為集團(tuán)公司節(jié)約大量的運行成本，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)收益，利國利民利企。

[1]楊凡行.努力提高電站循環(huán)泵的設(shè)計水平[J].中南水泵.

[2]路金喜，杜貴榮.泵站節(jié)能措施研究 [J].排灌機(jī)械，2002（4）:31-33.

[3]關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊[M].北京：宇航出版社,1995.

TH 31

2010-10-10)

*王杰，男，1979年2月生，工程師。東營市，257105。