論循環水系統節能技術的應用

王 杰 張生安 燕增偉

(山東?？苹ぜ瘓F有限公司)

節能技術

論循環水系統節能技術的應用

王 杰*張生安 燕增偉

(山東海科化工集團有限公司)

分析了目前循環水泵能耗高的原因、改造途徑以及“3+1”流體輸送高效節能技術的原理和特點。對循環水泵進行改造后，千噸水節電率達到15.3%，節約了大量的運行成本，帶來了巨大的經濟效益。

循環水泵 葉輪 高效節能 流體輸送 三元流動 經濟效益

0 前言

隨著國際能源緊缺的日益嚴重及環境破壞的加大，建設資源節約型和環境友好型社會已成為國家發展的戰略目標，節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。據統計，目前我國能源利用效率僅為30%左右，比發達國家低10個百分點，產值能耗比世界平均水平高2倍多，是世界上產值能耗最高的國家之一。據有關單位研究，我國的節能潛力為3億t標準煤，相當于去年全國能源消費總量的15.2%。若按每t標準煤600元計，節能市場可達1 800億元之巨。

水泵是我國工業領域最主要的耗能設備之一，其用量大，涉及面廣，產品廣泛應用于石油、化工、電力、冶金、環保和市政等國民經濟各領域。而據不完全統計，全國水泵裝機約3 000萬臺，總容量約24 000MW，耗能總量約占全國發電量的20%～25%。初步估計，提高水泵系統運行效率的節能潛力可達250億kW h/a～350億kW h/a，相當于4～7個裝機容量為1 000MW級的大型火力發電廠的年發電總量。 由此可見，水泵系統的節能潛力十分巨大。

1 水泵系統的節能技術

1.1導致水泵系統高能耗的主要原因

引起水泵系統高能耗運行的原因是多方面的，諸如設計規范合理性、設計計算準確性、水泵產品質量、工程安裝質量及運行管理等等，主要體現在以下幾個方面：

(1)由于設計、制造工藝的落后，使水泵、電機本身設計效率偏低。

(2)系統設計選用的水泵偏大 （“大馬拉小車”現象），致使水泵處于 “大流量、低效率、高能耗”的不利工況下運行，嚴重偏離了最佳工況點，不但增加了系統的能耗，還會引起一系列不良后果——振動大、噪音高、水泵產生嚴重汽蝕現象、電機過載發熱，有的因過載嚴重，水泵根本無法啟動，導致電機燒壞等。

(3)由于全年不同時段水泵進水池水位 （適用于開式系統）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。這時往往需要調節閥門，增加阻力，于是產生了額外的揚程能耗。

(4)對于有多臺水泵并聯或串聯的較為復雜系統，運行配置不合理。

(5)管路系統設計、施工不合理，系統回路水力嚴重不平衡，或存在局部阻力偏高的不正?，F象，從而增加了揚程能耗。

(6)系統回路滲漏，水流旁通，增加無效流量，增加水泵能耗。

(7)系統不能根據工藝實際需要科學調度，增加了無效能耗。

(8)系統維護管理不當，未及時更換備件，從而增加了內部泄漏損耗。

(9)電氣系統設計不合理，電網功率因數偏低。1.2水泵節能改造的經濟魅力

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%，一年可節支6.4萬元。經研究發現，一套泵系統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，提高水泵系統的運行效率是何等重要！泵系統節能改造，魅力無窮。

1.3水泵節能改造的途徑

由于引起泵組高能耗的原因各不相同，節能改造方案需根據不同的實際情況而定。其最佳節能改造方案必須以合理的水送能耗指標做指導，以系統優化、最佳工況運行為目的，從降低系統阻力、提高水泵效率、調整合理流量、科學運行調度入手。目前，比較常用的節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，從而達到節能的目的。這種方法適用于泵組電流過載現象比較嚴重的情況。水泵葉輪切割可以降低流量、揚程，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節能，且切割葉輪后水泵的效率也隨之降低。

(2)采用變頻節能技術。根據頻率與轉速、流量成線性關系，與功率成三次方關系的原理，以改變頻率進而改變轉速，達到降低功耗的目的。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，對有問題或較為復雜的系統，起不到節能作用。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致大幅提高水泵能耗，同時引起電機風扇轉速太慢而影響電機散熱，導致電機燒壞。其它改變水泵轉速的節能技術與之原理一致，均適用于變負載的水泵機組。

(3)采用系統完全匹配技術，即 “3+1”流體輸送高效節能技術。該技術可以徹底解決切割葉輪和變頻節能技術無法實現系統徹底節能的技術難題，標本兼治，達到最佳節能效果。

1.4 “3+1”流體輸送高效節能技術原理及特點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。目前水泵葉輪的設計仍沿用二元流動理論。二元流動理論認為，葉輪流道及流體流態在葉道截面上呈線性變量關系，即葉輪周圍水流流動在同一截面不同高度位置呈有規律的變化，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卻呈射流和尾跡 （漩渦）的流動特征，傳統的二元流動理論不能完全反映泵內流體的真實流動狀態，依據該理論設計的水泵，工作效率始終難以提高。

1.4.2三元流動理論

應用我國著名科學家吳仲華院士的 “葉輪機械三元流動理論”，把葉輪內部的三元立體空間無限地分割，通過對葉輪流道內各工作點的分析，建立起完整、真實的葉輪內流體流動的數學模型。依據三元流動理論設計的葉片形狀為不規則曲面形狀，葉輪葉片的結構可適應流體的真實流態，能夠控制葉輪內部全部流體質點的速度分布。因此，應用三元流動理論設計的水泵，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口伸展，減少了進口損失；

(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構，使水流脈沖下降到揚程的±4‰以內，水流更加平穩，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速節能的區別

單一變頻技術根據水泵出口壓力信號調節水泵電機的轉速，盡管能耗下降了，但流量也減少了，更嚴重的是水泵的工作特性曲線已嚴重偏離最佳效率工作區，實際上水泵的工作效率在下降，而且變頻改造的投資大、施工復雜。因此對于大型離心水泵其最佳的節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。應用三元流動理論，重新設計高效水泵或高效葉輪，直接更換現役水泵或葉輪，可以實現高效節能增容的目的。

三元流技術和變頻技術，對水泵都可達到節能目的。變頻技術是在電機上做文章，根據用水負載的變化來調整電機輸出功率；而三元流技術是在葉輪上做文章，目的是提高葉輪的實際工作效率。當然，對于變負載的水泵機組，要想充分節能，最好是兩項節能技術都實施；對于負載相對恒定的水泵機組，變頻技術就沒有用武之地了，只能采用三元流節能技術。

1.4.5 “3+1”流體輸送高效節能技術的核心和重點

“3+1”流體輸送高效節能技術包括3個核心、1個重點。

核心1：高效節能水泵的設計與制造技術。

(1)采用三元理論對水力模型及流道進行變分有限元三元流動分析，采用CFD分析和試驗研究，對水力模型進行篩選和修正。目前已開發多個國內領先，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控加工。

(3)轉子部件精細加工，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：泵系統數據采集、診斷分析和優化改造技術。

(1)專業技術人員利用高精度儀器儀表現場采集數據。(2)由計算軟件診斷分析，提出優化改造方案。核心3：泵系統故障診斷、實時監控、高效經濟運行與優化調度技術。

(1)根據泵系統的設備參數和工藝要求，通過在線軟件實時監控，自尋優給出滿足工藝要求的、實時電耗最低的運行調度方案。

(2)實時監控設備振動、軸承溫度等，進行故障診斷，確保設備安全運行。

1個重點：水泵故障診斷、維修保養技術。

采用專業設備診斷水泵故障，同步解決振動、噪音、泄漏、軸承發熱和汽蝕等運行故障，改善運行環境。

“3+1”流體輸送高效節能技術包含了數據檢測技術、系統高耗能診斷分析技術、系統優化改造技術、高效節能泵或葉輪設計制造技術和泵系統故障診斷、實時監控、高效經濟運行與優化調度技術。它集先進技術、優良產品、嚴謹實施方法、系統科學匹配于一體，是所有節能技術中最徹底、最安全、最可靠的高效節能技術。

2 “3+1”技術在循環水泵系統中的具體應用

2.1工程的基本概況

山東?？苹ぜ瘓F有限公司重催車間循環水泵系統于2007年投入生產運行。原設計為3臺泵，水泵銘牌參數具體如下：型號KQSN 450-N 13/428，設計點流量Q=2 280m3/h，設計點揚程H=45m，汽蝕余量9.5m，生產廠家為上海凱泉泵業有限公司。配套電機型號為Y400-4，功率Pe=400 kW，額定電流I=47.6 A，額定電壓U=6 kV，額定轉速1 480 r/m in，電機功率因數cosφ≈0.86，額定效率η≈94%，生產廠家為南陽防爆電機廠。

此系統供重催車間循環用水之用。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來滿足生產要求，造成能耗浪費，維護成本高。根據現場情況分析，造成汽蝕的主要原因是現場安裝的吸入管路較復雜，吸入阻力損失較大，進水水位比較低，水泵流量大、轉速高。

2.2水泵系統高能耗的主要原因

重催車間循環水泵系統，原泵由于設計得不合理，且與系統要求不相匹配，出口閥門開度只能達到60%左右，開度加大就會產生過流現象，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成本高。

技改前原水泵運行工況如表1所示。現場裝置如圖1所示。

表1 技改前原水泵運行工況

圖1循環水泵系統

（1）泵的運行參數計算分析

根據現場采集數據，泵A各運行參數詳細計算分析如下：

泵C各運行參數詳細計算分析如下：

（2）系統高能耗的原因

(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，系統能耗增大；

(c)水泵非最新高效節能泵，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”流體輸送高效節能技術在本系統中的應用

經我公司多次與長沙翔鵝節能公司探討，決定采用翔鵝公司 “3+1”流體輸送高效節能技術對調查數據資料進行系統分析、研究，結合該系統管路流體力學特性，設計本節能技改方案：整改目前系統存在的不利因素，按最佳運行工況參數采用高效節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，以達到最佳的節能效果。技改后運行工況分析如下：

為保證冷卻設備制冷效果，2臺水泵并聯運行，單臺水泵流量均按泵A和泵C的母管流量進行節能水泵設計。經翔鵝公司技術人員和我公司事業部對現場運行數據綜合分析，現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進行節能水泵設計，要求母管壓力p為0.45MPa，吸入水位為+2.4m，改造后節能水泵出口閥門全開，水泵運行揚程可取38m。按翔鵝公司現有高效節能水泵模型，該系統水泵運行參數可為：流量Q=2500m3/h，揚程H=38m，效率η=80%，軸功率Pa=9.81×2 500×38/（3 600×80%）≈323.5 kW。

以三元流理論進行三維設計，量身定做翔鵝公司的高效節能三元流水泵，替換技改前的原水泵。技改后水泵的運行參數如表2所示。

表2 技改后水泵的運行參數

2.4改造后公司的節電收益分析

（1）技改后系統每小時節電量

由表1、表2數據計算可得：

N=393.2+420-363.2×2=86.8 kW

（2）技改后年總節電量=技改后系統每小時節電量×水泵全年運行時間

Ne=86.8×8 640=75×104kWh

（3）技改后節電率

（4）年節電金額=年總節電量×當年電價

ΔN=75×0.59=44萬元

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

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

更換高效節能泵，并不能消除汽蝕。由于節能泵流量大、轉速高，要從設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口直徑，而減小水泵葉輪進口直徑就會提高汽蝕余量。節能水泵設計時兼顧考慮到高效率和低汽蝕余量，但仍會產生汽蝕現象。為避免汽蝕給水泵造成的損害，高效節能泵的葉輪、密封環和軸套均采用了抗汽蝕性能好的不銹鋼材料制造，并且對葉輪葉片進行特殊打磨處理來抵抗汽蝕。因此，即使有汽蝕發生，也不會對水泵造成大的損害，也不會影響系統的正常運行。為了徹底地解決這一汽蝕問題，在不影響生產的情況下，通過提高進水水位的方法從而解決汽蝕的發生，使系統運行更加平穩，系統更合理更節能。

由此可見，通過此系統節能改造，將給?？苹ぜ瘓F帶來巨大的經濟效益。

3 總結

“3+1” 流體輸送高效節能技術是目前泵系統最為先進的節能技術之一，它在水系統的廣泛應用徹底地解決了高能耗的問題，達到了標本兼治。國務院印發的發展改革委員會同有關部門制定的 《節能減排綜合性工作方案》，明確了2010年中國實現節能減排的目標任務和總體要求。 《方案》指出，到2010年，中國萬元國內生產總值能耗將由2005年的1.2 t標準煤下降到1 t標準煤以下，降低20%左右；單位工業增加值用水量降低30%?！笆晃濉逼陂g，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，化學需氧量 （COD）由1 414萬t減少到1 273萬t；全國設市城市污水處理率不低于70%，工業固體廢物綜合利用率達到60%以上。同時國家明文規定了在全國范圍內對1 000家高能耗企業進行監控及下達了節能減排的硬性指標，國家在2010年8月份還下發了淘汰產能企業名單。這足以表明國家在節能減排工作上的決心和信心，節能減排刻不容緩。

目前山東?？苹ぜ瘓F有限公司共有10個循環水系統，如果在其他循環水系統中對此技術加以廣泛應用，必將為集團公司節約大量的運行成本，帶來巨大的經濟收益，利國利民利企。

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[3]關醒凡.現代泵技術手冊[M].北京：宇航出版社,1995.

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2010-10-10)

*王杰，男，1979年2月生，工程師。東營市，257105。