水泵機組能耗分析與節能運行控制

成朝暉

（珠海水務集團有限公司，廣東 珠海519000）

1 影響水泵機組能耗的相關因素

泵站實際運行當中，影響機組能耗的因素較多，有電網的供電質量問題，也有站內負荷分配與運行調度、水泵設計選型與運行調節控制等問題。針對不同的因素，采取相應的應對措施，能有效降低能耗，提高運行效率。

1.1 電源三相不平衡對水泵機組能耗產生的影響

在水廠的二級（清水）泵房，大多還采用380 V的低壓機組，而用電系統負荷卻非單一的三相電機，單相負載仍占有相當的比例，因而極有可能引起供電電源三相不平衡。對三相供電系統，按對稱分量法可分解為正序、負序、零序分量，正序分量產生正向旋轉磁場，對應為正向轉矩；負序分量產生反向旋轉磁場，相應為反向制動轉矩；零序分量具有相同相角，不產生附加轉矩，但會發生電磁振蕩，引起發熱、溫度升高，并在星形連接的電機中性點與供電系統零線之間產生電位差，出現中性點移位現象。由于負序分量的存在，其反向力矩使得電機的輸出功率大打折扣，不能產生滿額定轉矩；同時，電機軸承在不同的轉矩分量作用下，可能發生機械損壞；電機的定、轉子尤其是轉子會出現過熱，加速絕緣老化等。相應地，水泵能耗會變大，使機組效率降低，水泵的配套電機還得降低容量等級使用。

1.2 電源諧波對水泵機組能耗產生的影響

電源低壓系統由于存在一些采用可控硅、PC開關電源、變頻器等電子功率變流器的負載，會使電源系統產生高次諧波，而高次諧波會對電機會產生附加損耗，造成電磁噪音、振動和過電壓。

1.3 泵站設計選型對水泵機組能耗產生的影響

水泵在設計選型時，由于對管路各種損失的計算通常采用最不利的運行工況，且為安全保險而選用偏大的摩擦阻力系數、安全系數，最終會造成選用的水泵揚程偏高，使得水泵額定揚程比實際運行揚程大得多。水泵在過低揚程運行時，可能引起配套電機過載，水泵運行偏離高效區等，不利于節能。

2 改造實例

唐家水廠位于珠海市東北部唐家灣地區，原水取自鳳凰山水庫，是唐家灣地區目前唯一的水廠，一期工程制水流程設計生產能力12萬m3／d，由于唐家灣地區以高新產業園區及高等教育學院等綠色產業為主，同時人口也不多，所以1997年投產后，供水量增長緩慢，近3年來年均增長率僅為0.92%，供水量不大，但送水泵房機組能耗多年來一直較高，機組效率持續降低。為了加強節能降耗，提高機組效率，特對唐家水廠送水泵房機組運行情況進行分析，并提出改造方案。

2.1 水廠近3年機組運行數據分析

唐家水廠近3年來日均供水量62 480 m3／d，最大為85 453 m3／d，最小為41 489 m3／d。唐家灣地區近幾年供水形勢平穩，水廠仍有較大生產裕量，集團公司在保證供水的前提下，加強了調度經濟運行管理，使得供水管網不斷優化，管網總需求壓力逐漸降低，管網總能耗下降。目前，水廠存在機組單位能耗偏高、效率偏低的現象，為配合管網調度經濟運行與節能降耗，有必要對水廠機組的運行狀況進行分析。

2.2 唐家水廠二泵房機組現狀

唐家水廠送水泵房現有5個機位，已安裝5臺機組（其中1＃機組原采用變頻器控制，1999年變頻器故障后，一直停機未運行），日常生產根據壓力的變化，采用2＃、3＃、4＃、5＃4臺機組相互搭配的方式運行。機組參數如表1所示。

表1 唐家水廠二泵房機組參數

通過對比現有水泵參數與實際壓力需求可知，唐家灣地區供水壓力不高于0.43 MPa，但1＃、2＃、4＃、5＃機組額定揚程均為48 m，從實際運行情況來看供水總管壓力基本在0.4 MPa左右，唐家水廠送水泵房現有5臺機組水泵運行工況均已遠離高效區（3＃機組額定揚程43 m，但由于額定流量偏小，實際運行中壓力偏低，運行工況也已遠離高效區），水泵特性與管網管道特性已不匹配，這就是機組單位電耗偏高、效率偏低的主要原因。為了節能降耗，保證供水需求，需對送水泵房現機組按實際需求進行更換改造。

2.3 新機組選型

2.3.1 參數確定

根據近3年出廠總管年平均壓力及流量分布情況統計，唐家水廠目前出廠總管平均壓力在0.37～0.43 MPa范圍內，考慮到未來唐家灣地區發展及輸水主干管擴建等因素，出廠總管壓力將不會升高，而是穩中略降，所以新泵揚程不宜高也不宜低，選在40 m較合適。

唐家水廠全天出廠水流量基本在以下3個區間：

（1）1 200～1 500 m3／h，主要在凌晨供水低谷時段（約6 h，壓力0.41 MPa左右）。

（2）2 300～2 700 m3／h，主要在下午及高峰低谷轉換時段（約8 h，壓力0.40 MPa左右）。

（3）3 400～3 800 m3／h，主要在上午、晚上供水高峰時段（約10 h，壓力0.39 MPa左右）。

從流量及時段來分析，新泵流量宜選1 400 m3／h、3 600 m3／h兩個級別，通過不同水泵組合搭配及水泵自身的調節性，可以滿足各時段流量的需求。

2.3.2 搭配方案

根據新泵流量及實際供水需求狀況，新泵的搭配方案如表2所示。

表2 新水泵機組搭配方案

對照分析以上4個方案的優缺點，從實用性考慮，方案Ⅱ和方案Ⅳ較有優勢；再進一步考慮前期投入及以后的運行維護費用和為未來發展留有空間等方面，方案Ⅳ更有優勢。

2.4 機組改造后的節能效果

新機組改造按方案Ⅳ進行節能計算，選定水泵參數（選某合資公司相同參數某型號水泵進行節能測算）如下：流量1 400 m3／h，揚 程 40 m，軸 功 率 180 k W，額 定 效 率 85%（ASP350-450 A）；流量3 600 m3／h，揚程40 m，軸功率445 k W，額定效率88.2%（SFWP50-600S1）。

對唐家水廠實際工況進行測算對比，結果如表3所示。

表3 唐家水廠實際工況測算對比

如果采用新機組，各時段流量及軸功率均按各區間平均數來計算。那么在供水量相同的條件下，配套電機效率按93%計，全年將比舊機組節電50萬k W·h，全年用電量將下降13.8%。可節約電費（按0.74元／k W·h計）：500 000×0.74＝370 000元。

若按方案Ⅳ，只換水泵（按某合資公司報價）不換電機，仍用原電機，費用如下：3臺水泵總價64萬，安裝調試及相關附件費15萬，3臺機組改造費用共79萬。改造完成投入運行后，2年即可收回投資成本。

通過以上分析得出結論：唐家水廠送水泵房機組節能改造采用方案Ⅳ是合適的，也是有必要的。最終，唐家水廠送水泵房機組節能改造工程在2013年圓滿完成。為了確保唐家灣地區的供水水壓，按照實際用水情況將水泵最佳效率點的揚程上調了2 m，定為42 m，也對所選水泵進行了適當修改。根據近一年的跟蹤統計，節能效果非常明顯，按生產運行報表數據計算，全年實際比舊機組節電467 028 k W·h，全年用電量下降13%。

3 結語

運行中的泵組能耗指標受2方面因素影響，既有來自設備本身的因素，又有來自電網和輸水管網的外部因素，用戶可以通過對運行參數的測試與分析，展開有針對性的技術改造。對大多數泵站而言，可利用現有的測量儀表、數據采集裝置，實時地計算并顯示泵組的單位能耗、系統效率，并通過歷史數據的追索，確定最佳運行工況點，利用現代控制技術達到節能的目的。

［1］張嘉恩.關于水泵機組節能運行的制約因素分析及改進建議［J］.給水排水，2013（4）

［2］王全東，鐘佃洲，肖芙蓉.水泵機組運行效率及節能分析［J］.南方金屬，2001（3）

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