庾应文
东莞市东江水务有限公司523000
摘要：本文分析了水厂水泵耗能高的原因，以及阐述了水泵节能改造的技术手段，通过实例探讨了水泵节能改造技术在水厂中的应用。
关键词：水泵改造；节能技术；高效区
水泵是水厂主要的供水设备，在整个水厂的用电量中，超过90％的电量是用来维持水泵的运转，水泵是否高效运行，直接关系到水厂的电耗。近年来，随着国家对节约能源的重视，针对节能降耗工作已下达了很多要求。水厂通常都是用电大户，因而成了节能减排的监察对象，如何降低水泵的电耗成了每个水厂都面临的一个课题。
一、水厂水泵能耗高的原因分析
1、水泵偏离高效区运行，造成供水能耗高。
水泵偏离高效区运行由两个主要原因引起：1）由于水厂设计一般采用供水管网最高日最高时的供水量和供水压力来计算水泵的额定流量和额定扬程，使配备的泵组满足最不利工况点的要求，但在全年的供水期间内出现最高日最高时的供水工况的时间比较少，由于水泵选型时的这种保守参数选择同时又没有增加工况调节手段，导致在全年大部分时间里水泵不能在高效区运行；2）随着城市的发展和产业结构、布局的调整，以及供水区域的变化，使管网和实际供水需求发生了较大变化，但在水厂泵组设计时没有预见这些变化，导致水泵的参数与实际的管网要求不一致，水泵运行在非高效区。
2、水泵的性能低下，增加了运行能耗
随着技术的发展，以前所选的水泵已经属于低效或淘汰类别，效能没有达到目前水泵的能效限定值，属于高能耗产品，增加了电耗。又或者水泵经过长时间使用后，叶轮口环磨损导致间隙过大泄漏增加，叶轮在气蚀作用下出现蜂窝状麻点，这些情况的发生降低了水泵的效率，增加了电耗。
二、水泵节能改造技术
从水泵能耗高的原因分析中，可明显看出，实施水泵节能改造可从三方面开展：
1）通过改变水泵的运行工况点，即在不偏离管网的实际工况要求下将水泵运行工况点由低效区移至高效区间内，从而提高实际运行效率，达到节能目标。改变水泵的运行工况点主要实现方法有：
对水泵进行变速调节运行，即通过改变水泵的转速，来改变水泵的运行曲线，使水泵的出水压力与管网实际所需一致，从而达到节能的目的。变速调节使用最多的实现方式就是通过变频器调速。
通过对水泵的叶轮进行变径来调节，即改变水泵叶轮的外径，使水泵特性曲线按要求发生变化，其原理是把额定扬程过高的水泵叶轮的外径切小，使切削后的水泵特性曲线随着叶轮的外径变小而变化，使水泵运行工况点移至高效率区。
更换新式叶轮，对于一些老旧水泵或效率低下的水泵，如果水泵壳体情况允许，可以采取更换新式叶轮的方式来降低能耗，因为现在的水泵厂已经开始采用先进的设计理论和手段来建立水泵叶轮的数学模型，根据新的叶轮数学模型设计出来的新式叶轮的效率一般要高于过去的老式叶轮，而且通过新式叶轮的设计，可使水泵的运行工况更符合管网实际工况要求，但这个改造的前提是需要认真核对水泵各水力部件的尺寸，判断水泵的泵壳形式是否与新式的叶轮相匹配合，避免新叶轮无法在原泵体上安装。
2）提升水泵现有的性能，通过将水泵叶轮口环间隙恢复至合理区间，减少容积泄漏，提高水泵效率，通过新型耐磨涂层材料在叶轮表面或水泵壳体流道表面上进行涂装，使叶轮表面和水泵壳体流道表面更加光滑，降低水泵运行时水流与叶轮的摩擦，从而减少流阻损失，降低水泵的能耗。
3）通过对管网的实际运行工况进行分析，对水厂水泵进行重新选型，选用一种或几种效率更高的水泵进行更换，通过水泵的配合使用，适应运行中工况的变化，达到既能满足供水要求，又能节能降耗的目的。
三、水泵节能改造实例
东莞某水厂一期工程设计供水规模20万m3/d，配水泵房水泵配置为大泵3台（2用1备），小泵1台。大泵性能参数如下：Q=5000m3/h，H=43m，N=800kW；小泵性能参数如下：Q=2484m3/h，H=43m，N=400kW。由于城市供水管网和供水需求的变化，近年来实际上平均日供水量约6万m3/d，出厂管道压力H介于0.37-0.43MPa，实际供水规模绝大多数情况下远远小于原设计规模20万m3/d。通过对实际小时供水量的分析，当供水量≤4000m3/h时出现的概率为90％，当供水量≤2500m3/h时出现的概率为49％，则可看出目前大泵配置的流量偏大，难以满足全部供水工况的要求，尤其是流量较小时的工况。正是由于水泵机组和管网工况及需求不相匹配，大泵机组长期以控制水泵出口阀门开度的方式运行，开度一般控制在30%以内，部分能量消耗在阀板上，供水能耗大。
为了减少能耗，避免损失，需要对一期配水泵房机组进行技术改造，考虑到技术改造的工期、成本和效益，以及该一期工程的供水量还存在调整的可能性，因而改造先采用了简便、快捷、成本低的叶轮切削改造。根据实际供水量分析，约50%的情况是开一台大泵，约50%的情况是开一台小泵，开大泵的时候基本上都要关小水泵的出水阀门，因而需选一台大泵进行叶轮切削。
根据泵的叶轮切割定律，叶轮外径切削前后性能关系如下：
由此关系可得到与原水泵特性曲线D成一定比例的不同特性曲线D’，如图1。对于采用叶轮切削，为使切削后水泵仍在经济高效范围内运行，水泵的叶轮切削范围必受限制，其调节效能受使用条件和所选泵的性能影响很大，理论上，水泵切削高效区为通过水泵原高效区左右端点的两条相似工况抛物线的中间区域OAB（见图1）。图中R曲线为管路特性曲线，与左端点相似工况抛物线相交于D点，则D点是最大切削量时水泵性能曲线高效区的左端点，即切削极限点。
图1
如果叶轮的切削量控制在一定限度内，切削后的水泵相应的效率变化将很少，甚至可以忽略。对于没有进行过切削的叶轮，其外圆最大允许切割量见表1，
叶轮的切割量可根据泵的叶轮切割定律、叶轮外圆最大允许切割量以及切削后要达到的运行参数来确定。经计算大泵的比转速为187，叶轮原直径为831mm，为了使叶轮切削后，水泵的高效区仍在37-43米这个扬程范围内，确定把水泵的额定扬程由43米变为39米，根据叶轮切割定律，叶轮直径由831mm切到791mm。叶轮切割后的，出厂管道压力在41米，流量约4000m3/h，阀门开度由原来的30%变为60%，每千吨水电耗由800kW.h变为740kW.h，虽然此次叶轮切削并未将运行工况点移至水泵最高效率区，并使阀门100%全开，但在花费不到1000元的情况下通过叶轮切削，机组达到了节能效果，叶轮切削是成功的。
由于叶轮切削的局限性，不能全部解决该水厂一期工程水泵机组与管网工况匹配问题，叶轮切削作为一种应急的技术措施，来降低水泵能耗。
叶轮切削一年后，根据数据统计由原来没切削前约年千方水电耗201（kW?h/dam3）、单位电耗467kW?h/（dam3*MPa）降到约年千方水电耗186（kW?h/dam3）、单位电耗433kW?h/（dam3*MPa））。根据这些数据，该配水泵房水泵还有很大的节能空间，为此经过对供水规划的分析，根据供水量波动范围为1300m3/h～5000m3/h，进一步采用了长效的改造措施：将没有切割过的两台Q=5000m?/h水泵，一台不变，另一台Q=5000m?/h的水泵更换为Q=2484m?/h的水泵并加装调速装置，一台Q=2484m?/h的水泵加装调速装置，这样可满足1300m?/h～5000m?/h各种运行工况的调节，通过调节使水泵在高效区运行。改造后，一期配水机组单位能耗降为360kW?h/（dam3*MPa），节能效果明显。
四、结论
由于在水厂设计中通常对水泵机组的设计参数比较保守，有一定的富余量，或者对未来运行工况变化的预见不足，在水泵的实际运行中，出现长时间偏离高效率区运行的情况普遍存在，造成电能大量浪费，这使得在水厂节能改造中对水泵的节能改造具有很大的空间，而水泵的节能降耗，关键是保证在满足管网工况要求下使水泵尽量在高效区运行。从水泵节能改造的实践中可看出：水泵叶轮切削、变频调速、更换高效水泵等水泵改造技术是调整水泵实际运行工况的有效手段，是供水企业节能增效的重要举措，具有显著的经济效益。在理论与实践相结合的条件下通过不断探索，综合运用这些技术手段，将能寻找出更合理、经济的节能措施。