泵站的节能技术分析

屈仲毅;尹增强;伍红星

【摘 要】分析了泵站运行中存在的主要问题,阐述了当前泵站广泛应用的一些主要节能技术,分析了泵站节能改造的技术方案,对从事泵站的设计、运行和节能改造具有现实指导意义.

【期刊名称】《化工设计通讯》

【年(卷),期】2019(045)002

【总页数】2页(P102-103)

【关键词】泵站;运行;节能;改造

【作 者】屈仲毅;尹增强;伍红星

【作者单位】湖南农业大学,湖南长沙 410000;湖南农业大学,湖南长沙 410000;湖南农业大学,湖南长沙 410000

【正文语种】中 文

【中图分类】TM921.51;TV675

1 泵站运行中存在的主要问题

泵站存在的突出问题归纳起来，主要表现为以下两方面[1][2]：1）泵的选择型不合理，导致泵的设计点与工作点偏移，泵的运行效率下降，能耗损失大。在泵装置设计过程中，泵的工作点是泵的H-Q曲线与管路L-Q曲线的交点P，如图1所示。此工作点对应的扬程H、流量Q就应该是泵的设计点。因为该设计点的效率最高。偏离该设计点，泵效率就会降低。但是实际上，在工艺设计中，由于泵站管路系统比较复杂，往往导致人们对系统的流量和扬程的估算不切实际，多数情况下为求保险，在选型时把泵的流量和扬程都进行了放大，如此以来泵长期处于大流量区运行，效率下降；另外一种情形是，原先选出的泵与管路系统很匹配，但因后来进、出水管路发生重要变化，比如，增加或扩大了出水管、延长了出水管路、泵的吸水水位变化、受现场条件限制管路安装发生了重大变化等情况，都会导致泵实际运行工作点与泵设计的工作点（效率最高点）发生严重偏移，泵处于低效率区运行。

图1 泵的工作点

2）泵站的设计、安装不合理，导致高效泵处于低效区运行，能量损失大。即使泵本身设计制造精良，性能良好，但泵站装置设计安装不合理，同样导致泵的设计工作点偏移，高效泵处于低效区运行。一般来讲，泵装置的设计，除选泵以外，主要是指泵的吸入系统和排出系统的管路设计，包括管路尺寸、管件、阀件、监控仪表等的选择。在设计时，都要进行严格的经济核算、分析比较。管路尺寸要根据经济流速来确定，通常为1～3m/s。管径设计过小，管路阻力损失大。管径设计过大，则投资增大，也不经济。此外，设计合理的管路应与合理的安装相结合才能收到满意的效果。一般安装时应严格按照设计的管路

布置图进行。如安装不当，造成管路过长，阀门管件和弯头太多，选择配不合理，管壁粗糙度太大，都将导致管路阻力增大，造成管路特性L-Q曲线变陡，使泵的工作点向小流量偏移，泵的工作流量变小，效率下降。

以上两种情况是目前一些泵站存在的主要问题。此外，泵站可能还存在其他一些问题，比如，泵的结构陈旧，更新换代不及时；电机效率低，功率因素亦低，电机与泵不匹配，能量损失大；泵轴封结构不合理，寿命低，能耗高、泄漏严重，造成能量损失，甚至污染环境；管理水平落后，维修质量差，工艺控制不当（如泵内结垢、进入杂物堵塞流道等），运行操作不合理。这些情况都与泵装置运行效率紧密相关，必须用科学的方法去进行设计、制造、选型、安装、运行、维修和管理。

2 泵站节能改造技术综述

随着科学技术的快速发展，泵站节能技术日新月异，许多新技术得到了广泛应用。比如，对供水泵站实施了恒压变频改造，实现了向自来水管网恒压供水。采用高效泵、高速泵以及永磁调速等技术，可以大幅降低用电消耗。在污水处理泵站，采用变频技术，方便流量调节，并可以实现液位的精准控制。泵站的主要节能技术对比见表1。

表1 泵站节能技术对照表序号 节能技术 优势 劣势 应用1 变频调速 控制精准；方便调节；节能显著系统较复杂，故障点多；投资较高 推荐使用2 永磁调速 方便调节节能显著系统复杂，故障点多，维护难度大；投资大 推荐使用3 改造叶轮 投资少，见效快，节能效果明显应用受限；由于存在叶轮与蜗壳匹配问题，泵效率受影响视情况使用4 高效、高速泵 效率高，节能效果好维修精度高，维修费用较高 推荐使用5 优化管路 节能效果较

好 投资高 视情况使用6 泵优化组合 节能效果好，零投资倒换操作频繁，劳动强度高 推荐使用

如前所述，当泵运行的工作点与设计工作点（最高效率点）发生较大偏离时，就应当对泵进行节能改造，以达到提高效率降低电能消耗的目的。泵节能改造的途径有多种，比如，变频调速、改造泵、改造管路系统、适用多种工况条件的多台泵的组合等。选用何种技术方案，需根据现场实际情况、难易程度、投资额度、节能效果等进行确定。

3 泵站节能技术方案分析

3.1 变频调速节能技术

异步电动机的变频调速是通过改变定子的供电电源频率来改变旋转磁场的同步转速，从而改变转子的转速。它不产生任何附加损耗，是一种比较理想的调速方法。异步电动机的变频调速一般通过变频器实现。变频调速节能的实质是改变泵的性能曲线，从而改变泵工作点，使之在高效区内运行，达到节能降耗的目的。应用变频调速装置，不仅有助于水泵设备的合理匹配，节省设备购置费用，又可以改善水泵的运行质量，消除设备负荷不均衡产生的“水锤效应”，减小对电网的冲击。同时，水泵的节能效果可达40%以上。

泵的变频调速技术的应用模型如图2所示。其原理是现场可编程控制器（PLC）测控终端通过有线通信方式和设置在泵的中央管理计算机组成分部、集散型测控管理系统。泵由变频器驱动，管路中信号传感器反馈实测信号（如压力、流量、液位等）与设定的开关量参数信号（可以是流量、压力、液位、电流等）输入PLC后，经可编程序控制器内部

PID控制程序的计算，传输给变频器一个转速控制信号。变频器为电动机提供可变频率的电源，使电动机获得无级调速所需的电压和频率，从而直接改变和控制电动机的输出轴功率，保证泵组一直运行在高效区。PLC控制逻辑可以根据泵的压力、流量以及水池的液位等参数作为参照，参数变化，则供电频率发生变化，从而实现恒压输送、恒流量输送和恒液位的精确控制。

图2 变频器控制原理图

由于变频调速技术具有精确控制、节能效果显著等优势，在工业生产等各行各业均有十分广泛的应用。自来水公司利用变频技术可以实现向管网恒压供水；化工装置中，利用变频技术可以实现化工物料的恒流量输送；泵装置中，当管路系统中所需的扬程、流量发生较大变化时，或者存在多个工况点时，运用变频技术均能有效地提高泵装置的运行效率，从而降低电能消耗。

3.2 改造泵

当泵装置运行工作点不在高效区时，改造泵[3]也不失为一种有效的方法。改造泵主要是改造叶轮，即根据泵站实际所需的扬程、流量，改变叶轮出口几何参数D2、b2、β2，以满足工况点的要求。通常，在叶轮其他几何参数不变的情况下，D2减少则扬程降低，b2增大则流量增大，β2增大则扬程增加，反之则相反。由于改变叶轮出口几何参数往往受到一定的限制，比如，叶轮吸入口直径、出口宽度、叶轮直径等不可能出现大幅度的变化，因此，必须根据现场测绘情况进行核算，确定是否可行，是否经济，否则应重新选泵。

不论是改造叶轮，还是重新选择新泵，都必须先确定泵的设计流量Q和扬程H。而要确定泵的设计参数，就必须知道泵站的管路特性曲线方程。

泵站扬程HZ按下式计算：

式中，Ha为净扬程，m，

pt为管路出口处绝对压力，N/m2；

pc为泵进口处绝对压力，N/m2；

ρ为液体密度，kg/m3；

g为重力加速度，g=9.18m/s2；

Σh为整个管路系统（泵本身除外）的水力损失，m；

v为液体流速，m/s，

λ为管路摩阻系数；

ξ为阻力系数；

Q为流量，m3/s。

查表，并将数值代入式（1）中，得到：

式（3）即为该泵站的管路特性曲线方程式。

式中，Ha为已知，数值A可求出，也可测量得出。这样就很方便地在H-Q坐标系中画出泵站的管路特性曲线。

在坐标系中，找出工艺所需的正常流量Q，并对应得到要达到该流量时泵所需的扬程H，并将该流量Q和扬程H作为泵的选型参数。这样就保证了泵的工作点就是设计点，其运行效率是最高的，从而达到节能的目的。

3.3 配备多种工况条件的多台泵的组合

在泵站中，由于生产需要，可能存在多种不同工况条件，如果强行使用同一型号的泵势必会使泵运行工作点不在高效区，造成能源浪费。这时，可以配备多台不同型号的泵搭配使用，以适应各种工况条件的需要。

3.4 改造管路系统

泵装置管路系统的改造主要包括改变吸入及排出管路的管径和路线、改变安装高度等几个方面。通过改造管路系统，从而降低管路阻力损失，并使其与泵的扬程相匹配，进而保证泵运行工作点在高效区。此方法比较复杂，投资大，须认真核算其经济性。

3.5 永磁调速技术

永磁调速是由永磁调速驱动器和辅助冷却系统等组成。永磁调速驱动器主要由铜转子、永磁转子和控制机构3部分组成。永磁调速的机理是：铜转子固定在电动机轴上，永磁转子固定在负载转轴上，控制机构控制铜导体和永磁体之间的气隙。固定在电动机轴上的铜转子和固定在负载轴上的永磁转子之间存在相对运动。根据电磁感应原理可知：导体在磁场中移动产生感应涡电流，导体上产生感应磁场，从而产生扭矩，越靠近磁力线越密集，效应越强、扭矩越大。相对运动越快，两者感应同极磁场越强，产生扭矩越大。通过调节永磁体和铜导体之间的气隙就可改变负载轴上输出的转矩，从而实现负载转速变化。

永磁调速在工作时伴随热量产生，因此需要冷却介质将热量带走。冷却可以是风冷、水冷、油冷。风冷适应于小功率的永磁调速，水冷和油冷适用于大功率的永磁调速。永磁调速对冷却介质的要求很苛刻，必须满足洁净、无盐等要求。同时，因为冷却介质受电磁作用，易出现结垢、杂质释出凝结等现象，进而堵塞气隙导致故障发生，因此还需增加精密过滤器。这样以来，永磁调速机构就变得复杂，故障点多，维护难度增大。其实，大功率电机的永磁调速技术，由于冷却系统暴露的问题太多，出现很多失败的案例。这些案例归结起来主要有：一是节能效果并不太理想。因为冷却水泵等也消耗较多电能，两者相抵，绝对值自然降低了。二是冷却系统问题多，尤其是冷却介质易出现结垢、杂质释出凝结等现象，造成故障频发，可靠性差。目前，永磁调速技术尚不太适用于大功率电机。

4 结束语

泵站的节能问题是绝大多数工业生产企业的一个重要课题。本文对泵站存在的突出问题进行了分析，提出了解决这些问题的正确方法，并提供多种节能改造的技术方案。归结起来，主要有以下几点需准确把握：

1）泵站节能改造有效的落脚点是保证泵的实际工作点与设计点相吻合，即保持泵始终在高效区内运行，节能效果较为显著。

2）泵站节能技术方案有多种，如何选择，需结合实际综合分析比较，选择出一种成熟、可靠、经济、节能的技术改造方案。永磁调速技术在大功率电机上应用时存在的问题多，建议慎用。

3）泵站的运行对节能有着重要影响，应重视泵站工况条件发生变化情况下的优化运行问题。

4）泵站的管理也很重要，不仅要做好技术管理，更要做好泵站设备全寿命周期的管理，保证设备时刻处于良好的状态。

参考文献

【相关文献】

[1] 徐庆华.污水处理厂水泵节电技术的实践与研究[J].通用机械，2007，（7）：21-23.

[2] 邹正文、周耀密.化工泵装置的问题分析与设计[J].化工装备技术，1991，（2）：16-20.

[3] 关醒凡.泵的理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1987.