國內數(shù)十家典型水司水泵節(jié)能改造后電耗同比下降約5%
在供水系統(tǒng)中，取水、送水、加壓環(huán)節(jié)是主要耗能環(huán)節(jié)，其中關鍵的耗能設備是水泵機組。據(jù)統(tǒng)計，我國泵類設備用電量約占全國用電量的20%，使用效率比發(fā)達國家低10%~30%。因此，實現(xiàn)水泵機組的節(jié)能運行尤為重要。由于供水系統(tǒng)需用水量波動大，水泵機組的運行工況變化頻繁，通過精細化管理實現(xiàn)水泵機組節(jié)能運行的方法需要詳細的研究與工程實踐。
本文選取國內數(shù)十家典型供水公司，分析各生產(chǎn)環(huán)節(jié)能耗占比，識別系統(tǒng)能耗影響因素，提出有針對性的節(jié)能運行措施，并開展實踐應用；旨在為供水系統(tǒng)節(jié)能運行提供系統(tǒng)性方法與應用實例，助力供水系統(tǒng)綠色低碳發(fā)展。
01研究對象能耗現(xiàn)狀
本文統(tǒng)計所研究典型供水公司生產(chǎn)環(huán)節(jié)電耗占比數(shù)據(jù)如圖1所示。由于各公司泵房數(shù)量和運行水量高程不同，具體能耗占比分布不同，但整體而言，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中取水、送水、加壓泵房總能耗占比最高。因此，供水公司節(jié)能的重點在于保障供水量和供水壓力的前提下，降低泵房系統(tǒng)的電耗。
圖1 典型供水公司各生產(chǎn)環(huán)節(jié)平均電耗占比
02能耗影響因素分析對研究對象的實際運行情況進行分析，泵房系統(tǒng)能耗較高的主要原因有以下兩個方面：
（1）水泵設計工況與實際運行工況不匹配。部分泵房在設計時根據(jù)最不利工況進行水泵選型，選用水泵設計參數(shù)與實際需求相比偏大，水泵機組運行工況偏離設備的高效區(qū)間，效率低下，導致系統(tǒng)能耗偏高。此外，根據(jù)《室外給水設計標準》（GB 50013-2018），綜合用水的時變化系數(shù)范圍為1.2~1.6，日變化系數(shù)范圍為1.1~1.5。由于供水系統(tǒng)水量變化幅度大，當選用水泵的高效區(qū)間范圍較窄時，部分季節(jié)或部分時段設備無法在高效區(qū)運行，也導致能耗偏高。
（2）水泵實際工作揚程偏高。部分泵房水泵前后管路水力損失較大或前池水位偏低時，水泵實際工作揚程偏高。此時，部分電能并未用于對水的有效提升，浪費在管路中，導致泵房能耗偏高。
針對上述影響因素，提出以下針對性措施：
（1）針對水泵工況匹配問題，通過離心泵變頻調速或葉輪分級管理的方法，調節(jié)水泵機組高效區(qū)間，使之與實際運行工況更接近，提高系統(tǒng)效率，進而降低泵房能耗。
（2）針對供水系統(tǒng)水泵機組工作揚程偏高的情況，通過清水池高水位運行或管路附屬設備優(yōu)化的方法，在保障供水壓力的前提下，降低工作揚程，從而降低能耗。
03節(jié)能方法與工程實例
上述節(jié)能措施已推廣至數(shù)十家典型供水公司，實施后平均電耗同比下降約5%。
3.1 離心泵變頻調速
離心泵變頻調速通過改變電動機的轉速改變水泵轉速，進而改變水泵的流量、揚程和功率，從而調節(jié)設備高效運行區(qū)間。
3.1.1 適用范圍
離心泵變頻調速運行適用于水泵選型偏大的情況，通過調整泵的高效運行區(qū)間，使之與實際工況更接近，提升系統(tǒng)運行效率。當泵房流量波動明顯時，本方法也可以根據(jù)系統(tǒng)需求有效調節(jié)流量，實現(xiàn)節(jié)能。根據(jù)《全國民用建筑工程設計技術措施 節(jié)能專篇：給水排水》，變頻調速水泵的調速范圍不應低于70%。根據(jù)水泵相似定律，離心泵變頻調速方法主要適用于實際需求流量不低于水泵設計流量70%的情況。
離心泵變頻調速方法需要加裝變頻器或改造為變頻泵，初始投資較高，需要充分評估節(jié)能量與靜態(tài)投資回收期再實施。
3.1.2 工程實例
本工程來源于某設計規(guī)模10萬m3/d的城市凈水廠，其目前實際供水量5.8萬m3/d。水廠于2006年建成投產(chǎn)，送水泵房設計為6臺型號相同的工頻水泵并聯(lián)。
（1）存在問題。水泵設計工況與實際運行工況偏差較大。原用水泵設計流量830 m3/h，設計揚程58 m，實際運行時出廠壓力在0.40 MPa左右，水泵供水量偏大。當多臺水泵工頻并聯(lián)運行時，為使水泵流量與實際需用水量匹配，采取關閥措施，導致大量能量浪費在克服管道阻力中，泵房實際能耗偏高。
（2）應對策略。針對此類工程問題，已有一些實踐案例采用變頻改造的方式來調節(jié)水泵的運行工況，以改善水泵效率。本實例對送水泵房2臺水泵進行變頻改造，根據(jù)實際運行工況進行水泵選型。其中1臺重置水泵選用變頻泵，選型設計流量為1400 m3/h，設計揚程為40 m；并對1臺原用水泵軟啟動器改為變頻控制。
（3）實施成效。本工程的實施成效如表2所示，其中CO2減排量根據(jù)國家發(fā)改委《2016 年中國區(qū)域電網(wǎng)基準線排放因子（征求意見稿）》中各區(qū)域電能生產(chǎn)碳排放因子的均值0.94 tCO2/（MW·h）來測算，節(jié)能降碳和經(jīng)濟效益均十分顯著。
離心泵葉輪分級管理根據(jù)水泵的相似原理，通過改變葉輪出口直徑，調節(jié)泵的“流量-揚程”性能曲線，使水泵的高效運行工況與實際需求更加接近，以此提升水泵機組的運行效率，包括葉輪切削改造或更換同型號水泵的小直徑葉輪兩種形式。
3.2.1 適用范圍
針對離心泵選型過大的情況，適宜采取葉輪分級管理方法。但由于減小離心式葉輪出口直徑會導致葉輪內部流動出現(xiàn)漩渦，進而使水泵設計點的效率下降。因此，本方法需要在允許切削范圍內實施，具體效率影響情況和切削量限制如表3所示，可見低比轉速水泵使用本方法時允許切削范圍更大。
本工程來源于某設計規(guī)模5萬m3/d的城市凈水廠，其取水泵房目前實際取水量4.2萬m3/d。
（1）存在問題。水廠取水泵房由一臺工頻水泵機組取水，水量調節(jié)困難。每年夏季高峰供水時段與冬天低峰供水時段水量相差較大，由于取水量不易調節(jié)，冬季運行時水廠每天需要停機2~3次，影響生產(chǎn)運行凈水藥劑投加；且取水泵組能耗偏高，不利于節(jié)能運行。
（2）應對策略。針對該水廠各季節(jié)水量差別較大的特點，采用3種同系列、不同葉輪出口直徑的葉輪分別在夏季、春秋季和冬季運行。3種葉輪出口直徑分別為440 mm、425 mm、400 mm，小直徑葉輪對應切削量分別為3.4%和9.1%。該取水泵的比轉速為70，根據(jù)表3，切削改變葉輪出口直徑時，切削量不超過10%對效率的影響小于1%。
（3）實施成效。本實例改造后實際運行工況如表4所示。由于冬季水量降低，取水管道損失相應降低，揚程仍可滿足取水需求。經(jīng)過近兩年的實際運行，該分級管理方式可以滿足各季節(jié)的運行要求。本實例的實施成效如表5所示。本方法具有良好的經(jīng)濟效益。
清水池高水位控制是通過調節(jié)取水流量維持清水池高水位運行，降低機組出口與清水池水位的高程差，進而降低工作揚程的方法。
3.3.1 適用范圍
清水池高水位控制方法適宜在實際負荷與設計負荷有差距的水廠實施，且不適用于采用峰谷平電價的水廠。因為當水廠滿負荷運行時，機組不宜過于頻繁啟停，在用水高峰期維持清水池高水位運行的空間較小，所以難以保持清水池高水位運行。當水廠電度電價采用峰谷平電價時，由于用水高峰期與電價峰值區(qū)間重疊，出于經(jīng)濟性考慮，更適宜利用清水池調蓄功能，在低谷電價時充分取水以滿足用水高峰期的水量需求。
3.3.2 工程實例
本工程來源于某設計規(guī)模20萬m3/d的城市凈水廠，其目前實際供水量13.3萬m3/d。
（1）存在問題。該水廠送水泵房水泵機組實際工作揚程偏高，由于該水廠的出廠壓力根據(jù)城市供水管網(wǎng)壓力分布進行實時調節(jié)，無法通過直接控制泵后壓力進行節(jié)能。
（2）應對策略。為降低送水泵房水泵機組的揚程，采取清水池高水位控制的方法優(yōu)化運行。由于該水廠實際供水量與設計規(guī)模尚有一定差距，清水池可發(fā)揮調蓄功能的空間較大，凈水設備設施的處理能力也存在富余，維持清水池高水位運行不會對凈水工藝有沖擊。且水廠電度電價不是峰谷平電價，在經(jīng)濟性上也沒有限制。水廠的取水泵房具備大小泵組合運行的條件，可以配合大小泵搭配運行在高效區(qū)，為水位控制奠定基礎。因此，水廠根據(jù)智慧水務系統(tǒng)水力模型預測的出廠水量，充分利用取水泵組合的不同流量，制定多種調控方案，保持清水池水位在白天供水高峰時期處于高水位運行。
（3）實施成效。在該方法實施后，選取24 h清水池水位與實施前一年度同日數(shù)據(jù)進行對比作為示例，如圖2所示。該水廠清水池上限水位為3.3 m，水廠通過運行調控有效調節(jié)清水池水位變化。在實施本節(jié)能運行措施前，清水池年平均水位是2.4 m；實施后，清水池年平均水位為2.9 m，平均水位升高0.5 m，節(jié)能效果更顯著。
工程整體實施成效如表6所示。本方法通過管理措施進行調控，無需新增投資，具有良好的經(jīng)濟效益。
管路附屬設備優(yōu)化通過取消不必要的附屬設備或選用阻力小的附屬設備，降低局部阻力損失，進而降低水泵實際工作揚程，以實現(xiàn)水泵節(jié)能。
3.4.1 適用范圍
本方法適用于管路阻力損失較大，水泵機組工作揚程與需用供水壓力相比偏高的情況。在泵房中，對管路阻力損失影響最明顯的阻力部件之一是止回閥。實施本方法時，應重點監(jiān)測閥門前后壓降，結合設備狀態(tài)，識別節(jié)能空間。
3.4.2 工程實例
本工程來源于某設計規(guī)模19.5萬m3/d的城市凈水廠，其目前實際供水量22.2萬m3/d。
（1）存在問題。該水廠送水泵房某送水泵組原用泵后止回閥使用年限已近20年，過流部件老化，閥門阻力系數(shù)較高。加之供水負荷高，機組前后管路內流速較高，根據(jù)便攜式壓差計測量結果，閥門前后壓降超過0.05 MPa，閥門整體水力損失較大，導致水泵工作揚程較高，能耗較大。
（2）應對策略。針對該水廠泵后閥門水損較大的實際情況，采用管路附屬設備優(yōu)化的方法進行節(jié)能改造。靜音式止回閥依靠流體的流動方向自動開關，故障率低，維護簡單；過流斷面符合流動流態(tài)，對流體的干擾較小。因此，該水廠改造時采用靜音式止回閥與電動閘閥聯(lián)用作為泵后閥門。
（3）實施成效。該實例改造后止回閥前后壓差實測值小于0.02 MPa。本次改造較好地降低了泵后閥門的阻力，在保障出廠壓力不變的前提下，降低了水泵的工作揚程。同時，改造后水泵流量比改造前增加約9%，改造后新閥門的阻力系數(shù)顯著降低。工程整體實施成效如表7所示。
對原文有修改。原文標題：供水系統(tǒng)水泵機組節(jié)能改造方法與工程實例；作者：趙瀟然、汪 力、李 闊、王雙吉；作者單位：北控水務(中國)投資有限公司?？窃凇督o水排水》2022年第2期。