摘 要： 工業(yè)水泵系統(tǒng)在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有很重要的地位， 被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。 中國泵類設(shè)備用電量約占全國用電量的20%， 使用效率比發(fā)達(dá)國家低10%～30%， 具有很大節(jié)能潛力。 主要針對目前工業(yè)水泵系統(tǒng)運行現(xiàn)狀及存在問題， 圍繞水泵高效置換、 合理匹配、 流量調(diào)節(jié)、 葉輪優(yōu)化、 管路優(yōu)化、 定期檢修、 加強(qiáng)管理7種工業(yè)水泵系統(tǒng)節(jié)能途徑進(jìn)行了分析， 并結(jié)合A工廠采用量身定制的KSB高效率離心泵替代現(xiàn)有低效泵節(jié)能改造的案例， 分析了節(jié)能效果， 為今后工業(yè)水泵系統(tǒng)更好地進(jìn)行節(jié)能改造提供參考。
工業(yè)水泵系統(tǒng)主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、葉輪及機(jī)座（臥式）、管網(wǎng)等組成，其中水泵電機(jī)是重點耗能單元。工業(yè)水泵系統(tǒng)在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有很重要的地位，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。據(jù)有關(guān)報道，中國泵類設(shè)備用電量約占全國用電量的 20%，使用效率比發(fā)達(dá)國家低 10%～30%，節(jié)能潛力巨大。工業(yè)水泵系統(tǒng)設(shè)備能源和維護(hù)成本占其 15～20a生命周期成本的絕大部分。應(yīng)用系統(tǒng)的方法對水泵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，可達(dá)20%～50%的節(jié)能效果。實現(xiàn)工業(yè)水泵系統(tǒng)的節(jié)能運行尤為重要，對加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，實現(xiàn)綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展具有重要意義。
1 現(xiàn)狀和問題
1.1 水泵效率低
當(dāng)前，中國水泵無論是設(shè)計理念、制造工藝，還是加工精度等方面均仍處于相對較低水平。盡管水泵廠商在投標(biāo)文件中保證水泵設(shè)計效率大于 81%甚至超過 85%，但經(jīng)大量現(xiàn)場調(diào)研和測試可知，實際運行效率只有 20%～40%，不符合GB/T13469—2021《離心泵、混流泵與軸流泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行》的規(guī)定，低效水泵的大量使用造成了巨大的用電浪費，應(yīng)予以更新改造。
1.2 選型不當(dāng)
在水泵設(shè)計選型時，通常要考慮水泵運行時所能承受的最復(fù)雜工況，因此設(shè)計單位和企業(yè)在水泵選型時往往會取值偏高，一般會選擇區(qū)間、參數(shù)偏高的水泵，導(dǎo)致水泵在實際使用中，運行工況點與設(shè)計的最佳工況點嚴(yán)重不符，存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，水泵豁余量較大，無法在高效區(qū)運行，導(dǎo)致系統(tǒng)輸配能耗升高。
1.3 管道設(shè)計不佳
管道是影響水泵系統(tǒng)效率的重要因素之一。管道敷設(shè)不合理、接頭彎頭管件過多、管壁結(jié)垢等都會導(dǎo)致管道內(nèi)阻力增大，傳輸效率降低。在節(jié)能改造時，要針對計算管損進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)分析，并以此為依據(jù)來改善進(jìn)出口管路，切實有效提高效率。
2. 高效置換
水泵是一種流體機(jī)械，屬于生產(chǎn)設(shè)備，它能把外界輸入的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的勢能和動能，使液體能量提高。水泵的運行方式、開機(jī)組合、負(fù)荷分配等都是影響水泵系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵因素。高效置換是指用高效率水泵置換一般效率或者低效率水泵，置換后系統(tǒng)效率可提高約5％。在更新置換時，要先對現(xiàn)有水泵的流量、壓力做測試，以此作為選擇新水泵的依據(jù)。高效水泵置換前期投資較大，但仍是實現(xiàn)水泵系統(tǒng)長期節(jié)能運行的有效方式。
2.1 合理匹配
針對每一套水泵系統(tǒng)的輸出和負(fù)載進(jìn)行詳細(xì)檢測、記錄、比對和綜合分析，梳理出造成水泵系統(tǒng)效率不高的關(guān)鍵因素，據(jù)此按最佳運行工況參數(shù)選用合適流量和揚程的水泵替換現(xiàn)有運行不匹配的水泵。這種方法廣泛應(yīng)用于中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)、供熱采暖循環(huán)水系統(tǒng)、工業(yè)工藝?yán)鋮s循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能。
2.2 流量調(diào)節(jié)
工業(yè)水泵系統(tǒng)優(yōu)化的最終目標(biāo)就是使單位功率輸入能輸送盡量多的流體或能量。目前主要通過調(diào)速控制、出口流量控制、旁通控制 3種流量調(diào)節(jié)手段進(jìn)行調(diào)節(jié)。
調(diào)速控制就是在水泵系統(tǒng)負(fù)載端出現(xiàn)頻繁變化或變化較大時，根據(jù)實際工況合理選用調(diào)速方法，例如多速電機(jī)運行、抽級運行、變頻器調(diào)速等，使水泵的輸出功率隨著負(fù)荷的變化而變化，從而使水泵始終處于高效區(qū)域運行。風(fēng)機(jī)水泵為減轉(zhuǎn)矩負(fù)載，當(dāng)其轉(zhuǎn)速降低時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成比例地減小。例如，當(dāng)工況只需 50％的水量時，可以采用變頻控制方式將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為額定的一半，此時電機(jī)消耗的功率僅為額定的12.5％，即理論上節(jié)能可達(dá) 87.5％，節(jié)電效果十分明顯。變頻器調(diào)速控制是目前主流的調(diào)速控制手段。
出口流量控制是通過自動控制水泵出口閥門的開度來調(diào)節(jié)水泵系統(tǒng)的流量。通過電子控制元器件和有關(guān)儀表設(shè)備將水泵出口流量變化信號與水泵的供應(yīng)量響應(yīng)關(guān)聯(lián)在一起形成閉環(huán)反饋信號，水泵出口閥門開度及時根據(jù)負(fù)載端的需求做出調(diào)整，使水泵始終處于比較經(jīng)濟(jì)節(jié)能的運行狀況下。
旁通控制就是在水泵輸出管路系統(tǒng)設(shè)置了旁通回路，通過旁通閥調(diào)節(jié)控制回流量，使泵在運行時根據(jù)負(fù)載的變化做出相應(yīng)的變化，從而達(dá)到對系統(tǒng)輸出流量進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。但實際運行中仍有不少企業(yè)將不運行的機(jī)組的閥門開啟作為旁通使用，無形中加大了系統(tǒng)的能耗。旁通控制常用于中央空調(diào)冷媒水系統(tǒng)。
2.3 葉輪優(yōu)化
在水泵葉輪優(yōu)化上，主要有應(yīng)用高效葉輪、提升葉輪材料精度、改變?nèi)~輪角度、減少葉輪級數(shù)、更換同型號水泵的小直徑葉輪和葉輪切割6種途徑。
葉輪切割是其中最簡單、改造費用最低的一種優(yōu)化途徑，葉輪切割后水泵的流量、揚程、功率都相應(yīng)減小，一般水泵葉輪切割最大切削量不得超過 15％。當(dāng)葉輪切削量在 5%以內(nèi)時，可以根據(jù)切割定律公式進(jìn)行葉輪切削；當(dāng)葉輪切削量大于 5%時，切割定律公式僅能提供切削方向，不能精準(zhǔn)確定切削量，葉輪應(yīng)分幾次逐漸切割，且每次切割后必須進(jìn)行試驗確定切削后的性能。在對水泵采取葉輪切割節(jié)能改造時，應(yīng)結(jié)合實際情況，根據(jù)現(xiàn)有水泵葉輪的直徑、水泵的實際轉(zhuǎn)速、流量、工作揚程以及功率等參數(shù)進(jìn)行計算分析，科學(xué)合理確定葉輪切削量的最大值，確保葉輪切削后的流量、揚程以及功率能完全滿足水泵運行要求，從而達(dá)到優(yōu)化水泵運行工況以及減少能源消耗的目的。
2.4 管路優(yōu)化
管路優(yōu)化時要針對水泵系統(tǒng)管網(wǎng)中直角、Z形、突變連接、拐彎和擋板等嚴(yán)重影響傳輸效率的因素進(jìn)行優(yōu)化，還可通過加裝自控設(shè)備實現(xiàn)調(diào)節(jié)、輸出的自動化，使水泵按需供給，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運行效率。
2.5 定期檢修
定期嚴(yán)格檢查水泵系統(tǒng)，減少泄漏損失。及時清除管道水垢、積灰，減小阻力。保持軸承清潔，定期更換潤滑油脂。
2.6 加強(qiáng)管理
根據(jù)生產(chǎn)實際需要，科學(xué)合理地確定開機(jī)臺數(shù)，盡可能多使用高效水泵。合理用水，避免過壓過量供水造成放空等不必要的浪費。
3 節(jié)能工程實例
A工廠現(xiàn)有一套冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，采用“雙回路”系統(tǒng)。配用2臺一次冷凍水泵，功率均為 22kW，一用一備；2臺二次冷凍水泵，功率均為 55kW，一用一備。系統(tǒng)及水泵安裝布置如圖1所示。
上述各泵組中一次冷凍水泵為工頻運行，二次冷凍水泵為變頻運行，系統(tǒng)的水量基本恒定，年運行時間約為 8000h。在現(xiàn)有生產(chǎn)裝置的冷卻負(fù)荷下，現(xiàn)有泵組可滿足循環(huán)水量要求。
3.1 改造方案
考慮運行的簡便，將“雙回路”循環(huán)系統(tǒng)改為“單回路”循環(huán)系統(tǒng)，同時整個生產(chǎn)流程基本為定工況運行，因此采用量身定制的KSB高效率離心泵替代現(xiàn)有低效泵，如圖2所示。
E—換熱器； DP—多級離心泵； PR—壓力記錄儀； M—電磁閥。 圖 1 系統(tǒng)及水泵安裝布置
圖 2 KSB 高效率離心泵替代現(xiàn)有低效泵
通過全面評估泵的管路系統(tǒng)，消除不必要的能耗損失，根據(jù)系統(tǒng)的實際要求來匹配泵系統(tǒng)，并保持泵系統(tǒng)運行于高效區(qū)內(nèi)，達(dá)到節(jié)能增效的目的。
3.2 節(jié)能評價
改造前后分別對設(shè)備進(jìn)行能耗測試，用設(shè)備控制柜上安裝的電度表和計時器進(jìn)行測量，確定改造前后泵組節(jié)電量。相關(guān)測試數(shù)據(jù)如表1所示。
通過改造前后數(shù)據(jù)對比看出，水泵以每年運行8000h計，改造后 1a可節(jié)省電能 2.1920×10
5kW·h，平均節(jié)電率約 34.3%，按現(xiàn)電價 0.6元（/kW·h） 計算，全年可節(jié)約電費 1.32×10
5元，該項目節(jié)能改造投資費用2.9×105元，投資回收期2.2a。
4 結(jié)語
該工業(yè)水泵系統(tǒng)節(jié)能改造的實踐證明，合理地采用高效率離心泵來替代現(xiàn)有低效泵節(jié)能改造，同時根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行合理匹配，平均節(jié)電率可達(dá)約 30.3%，取得了良好的效果，對于運行時間較長的系統(tǒng)，節(jié)能效果更佳。希望提出的工業(yè)水泵系統(tǒng)的多種節(jié)能途徑及方法，能夠幫助企業(yè)及時發(fā)現(xiàn)自身水泵系統(tǒng)運行的不足和節(jié)能潛力，結(jié)合實際情況進(jìn)行綜合考慮，采用先進(jìn)合理的節(jié)能途徑實施節(jié)能改造，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
工業(yè)水泵系統(tǒng)主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、葉輪及機(jī)座（臥式）、管網(wǎng)等組成，其中水泵電機(jī)是重點耗能單元。工業(yè)水泵系統(tǒng)在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有很重要的地位，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。據(jù)有關(guān)報道，中國泵類設(shè)備用電量約占全國用電量的 20%，使用效率比發(fā)達(dá)國家低 10%～30%，節(jié)能潛力巨大。工業(yè)水泵系統(tǒng)設(shè)備能源和維護(hù)成本占其 15～20a生命周期成本的絕大部分。應(yīng)用系統(tǒng)的方法對水泵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，可達(dá)20%～50%的節(jié)能效果。實現(xiàn)工業(yè)水泵系統(tǒng)的節(jié)能運行尤為重要，對加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，實現(xiàn)綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展具有重要意義。
1 現(xiàn)狀和問題
1.1 水泵效率低
當(dāng)前，中國水泵無論是設(shè)計理念、制造工藝，還是加工精度等方面均仍處于相對較低水平。盡管水泵廠商在投標(biāo)文件中保證水泵設(shè)計效率大于 81%甚至超過 85%，但經(jīng)大量現(xiàn)場調(diào)研和測試可知，實際運行效率只有 20%～40%，不符合GB/T13469—2021《離心泵、混流泵與軸流泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運行》的規(guī)定，低效水泵的大量使用造成了巨大的用電浪費，應(yīng)予以更新改造。
1.2 選型不當(dāng)
在水泵設(shè)計選型時，通常要考慮水泵運行時所能承受的最復(fù)雜工況，因此設(shè)計單位和企業(yè)在水泵選型時往往會取值偏高，一般會選擇區(qū)間、參數(shù)偏高的水泵，導(dǎo)致水泵在實際使用中，運行工況點與設(shè)計的最佳工況點嚴(yán)重不符，存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，水泵豁余量較大，無法在高效區(qū)運行，導(dǎo)致系統(tǒng)輸配能耗升高。
1.3 管道設(shè)計不佳
管道是影響水泵系統(tǒng)效率的重要因素之一。管道敷設(shè)不合理、接頭彎頭管件過多、管壁結(jié)垢等都會導(dǎo)致管道內(nèi)阻力增大，傳輸效率降低。在節(jié)能改造時，要針對計算管損進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)分析，并以此為依據(jù)來改善進(jìn)出口管路，切實有效提高效率。
2. 高效置換
水泵是一種流體機(jī)械，屬于生產(chǎn)設(shè)備，它能把外界輸入的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的勢能和動能，使液體能量提高。水泵的運行方式、開機(jī)組合、負(fù)荷分配等都是影響水泵系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵因素。高效置換是指用高效率水泵置換一般效率或者低效率水泵，置換后系統(tǒng)效率可提高約5％。在更新置換時，要先對現(xiàn)有水泵的流量、壓力做測試，以此作為選擇新水泵的依據(jù)。高效水泵置換前期投資較大，但仍是實現(xiàn)水泵系統(tǒng)長期節(jié)能運行的有效方式。
2.1 合理匹配
針對每一套水泵系統(tǒng)的輸出和負(fù)載進(jìn)行詳細(xì)檢測、記錄、比對和綜合分析，梳理出造成水泵系統(tǒng)效率不高的關(guān)鍵因素，據(jù)此按最佳運行工況參數(shù)選用合適流量和揚程的水泵替換現(xiàn)有運行不匹配的水泵。這種方法廣泛應(yīng)用于中央空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)、供熱采暖循環(huán)水系統(tǒng)、工業(yè)工藝?yán)鋮s循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能。
2.2 流量調(diào)節(jié)
工業(yè)水泵系統(tǒng)優(yōu)化的最終目標(biāo)就是使單位功率輸入能輸送盡量多的流體或能量。目前主要通過調(diào)速控制、出口流量控制、旁通控制 3種流量調(diào)節(jié)手段進(jìn)行調(diào)節(jié)。
調(diào)速控制就是在水泵系統(tǒng)負(fù)載端出現(xiàn)頻繁變化或變化較大時，根據(jù)實際工況合理選用調(diào)速方法，例如多速電機(jī)運行、抽級運行、變頻器調(diào)速等，使水泵的輸出功率隨著負(fù)荷的變化而變化，從而使水泵始終處于高效區(qū)域運行。風(fēng)機(jī)水泵為減轉(zhuǎn)矩負(fù)載，當(dāng)其轉(zhuǎn)速降低時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成比例地減小。例如，當(dāng)工況只需 50％的水量時，可以采用變頻控制方式將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為額定的一半，此時電機(jī)消耗的功率僅為額定的12.5％，即理論上節(jié)能可達(dá) 87.5％，節(jié)電效果十分明顯。變頻器調(diào)速控制是目前主流的調(diào)速控制手段。
出口流量控制是通過自動控制水泵出口閥門的開度來調(diào)節(jié)水泵系統(tǒng)的流量。通過電子控制元器件和有關(guān)儀表設(shè)備將水泵出口流量變化信號與水泵的供應(yīng)量響應(yīng)關(guān)聯(lián)在一起形成閉環(huán)反饋信號，水泵出口閥門開度及時根據(jù)負(fù)載端的需求做出調(diào)整，使水泵始終處于比較經(jīng)濟(jì)節(jié)能的運行狀況下。
旁通控制就是在水泵輸出管路系統(tǒng)設(shè)置了旁通回路，通過旁通閥調(diào)節(jié)控制回流量，使泵在運行時根據(jù)負(fù)載的變化做出相應(yīng)的變化，從而達(dá)到對系統(tǒng)輸出流量進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。但實際運行中仍有不少企業(yè)將不運行的機(jī)組的閥門開啟作為旁通使用，無形中加大了系統(tǒng)的能耗。旁通控制常用于中央空調(diào)冷媒水系統(tǒng)。
2.3 葉輪優(yōu)化
在水泵葉輪優(yōu)化上，主要有應(yīng)用高效葉輪、提升葉輪材料精度、改變?nèi)~輪角度、減少葉輪級數(shù)、更換同型號水泵的小直徑葉輪和葉輪切割6種途徑。
葉輪切割是其中最簡單、改造費用最低的一種優(yōu)化途徑，葉輪切割后水泵的流量、揚程、功率都相應(yīng)減小，一般水泵葉輪切割最大切削量不得超過 15％。當(dāng)葉輪切削量在 5%以內(nèi)時，可以根據(jù)切割定律公式進(jìn)行葉輪切削；當(dāng)葉輪切削量大于 5%時，切割定律公式僅能提供切削方向，不能精準(zhǔn)確定切削量，葉輪應(yīng)分幾次逐漸切割，且每次切割后必須進(jìn)行試驗確定切削后的性能。在對水泵采取葉輪切割節(jié)能改造時，應(yīng)結(jié)合實際情況，根據(jù)現(xiàn)有水泵葉輪的直徑、水泵的實際轉(zhuǎn)速、流量、工作揚程以及功率等參數(shù)進(jìn)行計算分析，科學(xué)合理確定葉輪切削量的最大值，確保葉輪切削后的流量、揚程以及功率能完全滿足水泵運行要求，從而達(dá)到優(yōu)化水泵運行工況以及減少能源消耗的目的。
2.4 管路優(yōu)化
管路優(yōu)化時要針對水泵系統(tǒng)管網(wǎng)中直角、Z形、突變連接、拐彎和擋板等嚴(yán)重影響傳輸效率的因素進(jìn)行優(yōu)化，還可通過加裝自控設(shè)備實現(xiàn)調(diào)節(jié)、輸出的自動化，使水泵按需供給，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的運行效率。
2.5 定期檢修
定期嚴(yán)格檢查水泵系統(tǒng)，減少泄漏損失。及時清除管道水垢、積灰，減小阻力。保持軸承清潔，定期更換潤滑油脂。
2.6 加強(qiáng)管理
根據(jù)生產(chǎn)實際需要，科學(xué)合理地確定開機(jī)臺數(shù)，盡可能多使用高效水泵。合理用水，避免過壓過量供水造成放空等不必要的浪費。
3 節(jié)能工程實例
A工廠現(xiàn)有一套冷凍水循環(huán)系統(tǒng)，采用“雙回路”系統(tǒng)。配用2臺一次冷凍水泵，功率均為 22kW，一用一備；2臺二次冷凍水泵，功率均為 55kW，一用一備。系統(tǒng)及水泵安裝布置如圖1所示。
上述各泵組中一次冷凍水泵為工頻運行，二次冷凍水泵為變頻運行，系統(tǒng)的水量基本恒定，年運行時間約為 8000h。在現(xiàn)有生產(chǎn)裝置的冷卻負(fù)荷下，現(xiàn)有泵組可滿足循環(huán)水量要求。
3.1 改造方案
考慮運行的簡便，將“雙回路”循環(huán)系統(tǒng)改為“單回路”循環(huán)系統(tǒng)，同時整個生產(chǎn)流程基本為定工況運行，因此采用量身定制的KSB高效率離心泵替代現(xiàn)有低效泵，如圖2所示。
E—換熱器； DP—多級離心泵； PR—壓力記錄儀； M—電磁閥。 圖 1 系統(tǒng)及水泵安裝布置
圖 2 KSB 高效率離心泵替代現(xiàn)有低效泵通過全面評估泵的管路系統(tǒng)，消除不必要的能耗損失，根據(jù)系統(tǒng)的實際要求來匹配泵系統(tǒng)，并保持泵系統(tǒng)運行于高效區(qū)內(nèi)，達(dá)到節(jié)能增效的目的。3.2 節(jié)能評價
改造前后分別對設(shè)備進(jìn)行能耗測試，用設(shè)備控制柜上安裝的電度表和計時器進(jìn)行測量，確定改造前后泵組節(jié)電量。相關(guān)測試數(shù)據(jù)如表1所示。
通過改造前后數(shù)據(jù)對比看出，水泵以每年運行8000h計，改造后 1a可節(jié)省電能 2.1920×105kW·h，平均節(jié)電率約 34.3%，按現(xiàn)電價 0.6元（/kW·h） 計算，全年可節(jié)約電費 1.32×10
5元，該項目節(jié)能改造投資費用2.9×105元，投資回收期2.2a。
4 結(jié)語
該工業(yè)水泵系統(tǒng)節(jié)能改造的實踐證明，合理地采用高效率離心泵來替代現(xiàn)有低效泵節(jié)能改造，同時根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行合理匹配，平均節(jié)電率可達(dá)約 30.3%，取得了良好的效果，對于運行時間較長的系統(tǒng)，節(jié)能效果更佳。希望提出的工業(yè)水泵系統(tǒng)的多種節(jié)能途徑及方法，能夠幫助企業(yè)及時發(fā)現(xiàn)自身水泵系統(tǒng)運行的不足和節(jié)能潛力，結(jié)合實際情況進(jìn)行綜合考慮，采用先進(jìn)合理的節(jié)能途徑實施節(jié)能改造，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。