（机械工程专业论文）扬子石化水厂供水系统节能措施及效果分析.pdf

墼鲨生_ l i i i l 川1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 l l l i l l | ! l 摘要 i y 2 0 8 3 6 5 4 目前，水厂普遍存在着供水能耗高的问题，这严重影响了供水行业的发展。加强水 厂节能管理研究，促进水厂节能工作方法的不断进步，对我国经济和社会的可持续发展 具有十分重要的意义。 水厂成本中的电力、折旧、药剂、人工支出中，电力成本最大，约占8 5 左右。在 电力成本中，水泵是耗能大户。因此，如何提高水泵的运行效率，对降低水厂的电耗至 关重要。 本论文以扬子石化水厂为研究对象，分析了扬子石化水厂供水能耗状况，探讨了扬 子石化水厂采取的水泵变频调速、增效涂层、叶轮切削三种提高泵站效率的措施，以及 供水管网节能措施，并分析了上述措施相应的节能效果。主要研究内容包括： ( 1 ) 通过对几种水泵调速方法的分析，得出采用变频调速节能的优点，对扬子石 化水厂实施变频节能进行效果分析。 ( 2 ) 水泵长期工作会导致水泵过流部件的磨损汽蚀破坏严重，使水泵的性能恶化、 出水量减少、效率降低、泵站能耗增高，根据叶轮及泵体表面粗糙度对水泵效率的影响 的理论分析，得出应用高分子节能涂层涂护可以使其保护水泵过流部件，从而降低能耗 并能延长使用寿命。 ( 3 ) 水泵长时间偏离高效区间运行，造成电能极大浪费，它是传统水泵选型方法 带来的弊端，而采用水泵叶轮切削改造方法可以改变水泵的运行工况点，使水泵运行于 高效区间内，达到节能的目的。 ( 4 ) 扬子石化给水管线运行已有2 0 多年，管线的腐蚀严重，因管线腐蚀造成的管 线漏损严重，通过加强对管网的管理、合理选用管材、降低管网的工作压力、及时查找 消除管网中的漏点等措施，可以减少管网漏损，降低供水能耗。 ( 5 ) 通过实施水泵变频调速、增效涂层、叶轮切削、供水管网节能四种措施后， 扬子石化水厂的水泵效率得到提高、管网漏损减少，供水能耗得到降低。 关键词t 扬子石化水厂节能措施变频调速增效涂层叶轮切削供水管网 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s 铋t ，t l l eh i 曲e n e r g yc o n s u m p t i o no fw a t e rs u p p l yg e n e r a l l ye x i s t si l lw a t e rp l a j l t ， w h i c h s e r i o u s l y a f 佗c t e dt h ed e v e l o p m e n to fw a t e rs u p p l yi i l d u s 仃i e s t o p r o m o t et 1 1 e c o n t i i l u o u sp r 0 伊e s so fe n e r g y - s a v i n gm e t h o d sa n ds 仃e n 昏h e nm er e s e 2 u r c h o fe n e r g y - s a v i i l g m a n a g e m e n ti nw a t e rp l 孤t a r eo f 鲈e a ts i g n i f i c a j l c ei i lc h i n a se c o n o m i c锄ds o c i a l s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t h ec o s to fw a t e rp l a n ti n c l u d e se l e c t r i cp o w e r ，d e p r e c i a t i o n ，m e d i c 锄e n ta 1 1 da r t m c i a l e x p e n d i t u 】r e a n da b o u t8 5p e r c e n to fa n 廿l ee x p e n d i t u 】陀i se l e c t r i cp o w e r i nm ee l e c 仃i c p o w e rc o s t ，p u 【r i l pi sv e d rd i s s i p a t i v e s o ，h o wt 0h p r 0 v em e0 p e r a t i l l ge 筋c i e n c yo fw a t e r p u i n pi sv e 巧s i g n i f i c a n tt or e d u c et 1 1 ep o w e rc o n s u m p t i o no f w a t e r p l a m t h ey 锄g z ip e 仃o c h e m i c a lw a t e rp l 锄tw 弱t a k e n 弱a ni i l v e s t i g a t e ds u b j e c ti l lt l l i sp a p e r t l l e 朗e 唱y w 雒t m gs i t u a t i o no fw a t e rs u p p l yi ny 锄g z ip e 仃o c h e m i c a lw a t e rp l a n tw 弱 i i l v e s t i g a t e d ，m r e em e 弱u r e s o f i i r i p r 0 v i n ge 佑c i e n c y f o r p u m p s t a t i o ni n y 锄g z i p e 仃o c h e m i c a lw a t e rp l a n tw e 陀d i s c u s s e d ，s u c h 雒，自羽q e n c yc o n 仃0 l0 fp u i n p ，s y n e 唱i s t i c c o a t i n g ，i i l l p e l l e rc u t t i n g 锄dt i l e e r g ) ，- s a v i n gm e a s u r eo fw a t e rs u p p l yp i p en e 铆o r k t h e c o n e s p o n d i i l ge n e 礓；y - 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s a v i n gc o a t i n gc 觚p r o t e c tm ep u m pf l o wc o m p o n e n t s ，w h i c hd e c r e 弱e t l l ee n e r g yc o n s u m p t i o na i l de x t e n dt h eo p e r a t i n gl i f e ( 3 ) p 啪pw 弱o r e no p e r a t e da tt h ec o n d i t i o no fd e v i a t i n gh i g he 衔c i e n ts p a c ei i l t e r v a l i i 工程硕士学位论文 f o rl o n gt i m e ，w h i c hc a u s e d 伊e a tw a s t eo fp o w e r ni st l l ed e f e c to ft r a d i t i o n a ls e l e c t i o n m e t l l o do fp 啪p h o w e v e r ，m ec u t t i n gr e f o n nm e t h o dw a sa d o p t e d ，w h i c hc h 锄g e dt h e o p e r a t i n gc o n d i t i o n sp o i n to fp u m p ，t 1 1 ep u 叩o s eo fe n e r g y s a v i n gw a sr e a c h e db yp u m p w o r k i n g a te f ! e i c i e n tr a i l g e ( 4 ) 1 1 1 ey 锄g z ip e 仃0 c h e m i c a lw a t e rs u p p l yp i p e l i n ew 硒r u nf o rt 、) i r e n 哆y e a r s ，m e s e r i o u sc o r r o s i o no fp i p e l i l l eh a sc a u s e dt 1 1 el e a k a g eo fp i p e l i n e t h el e a k a g eo f p i p e l m ew 雒 d e c r e a s e da 1 1 dt t l ew a t e rs u p p l yc o n s u m p t i o nw 雒r e d u c e db yi i l t e n s i 矽i n gm em 锄a g e m e n to f p i p e l i n e ，s e l e c t i i l gs u i t a b l em a t e r i a l ，d e c r e 硒i n gw o r k i n gp r e s s u r ea n ds e a r c h i n gt h em e 弱u r e s o fe l i n l i n a t i n gl e a l ( s o u r c eo fp i p e l i n e ( 5 ) b yt a k i i l gf o u rm e a s u r e so f 丘e q u e n c yc o n t r o lo fp u m p ，s y n e 唱i s t i cc o a t i i l g ，i i l l p e l l e r c u t t i i l g 锄de n e r g y s a v i i l g ，t 1 1 ee m c i e n c yo f 耻n pw 舔e n h a i l c e d ，t i l e 锄e r g yc o n s 叩t i o no f w a t e rs u p p l y 锄dt h el e a l ( a g eo fp i p e l i n ew e r er e d u c e di i ly 锄g z ip e t r o c h e m i c a lw a t e rp l a m k e y w o r d s ：y 锄g z ip e 仃d c h e m i c a lw a t e rp l a n t ；e n e r g y s a v i i l gm e 弱u r e s ；f r e q u 明c y c o n t r o l ；s y n e r 百s t i cc o a t i n g ；1 1 1 1 p e l l e rc 眦i n g ；p i p en e t w o r ko f w a t e r s u p p l y i i i 工程硕士学位论文 1 1 本文研究的意义 第一章绪论 能源是人类赖以生存的物质基础。我国正处在经济社会发展的重要阶段，随着经 济的快速发展和人民生活水平的不断提高，工业化、城镇化进程加快，能源需求将大 幅度上升【1 1 。 水厂是耗能大户。在美国，每年生产出的电约有7 被给水厂消耗掉了。以1 9 9 8 年 计，我国自来水生产和供应业总共消耗了5 4 1 7 3 万吨标准煤，我国供水系统的电耗均 值约为o 4 0 k w h m 3 ，而在水厂供水整个系统的用电量中，8 5 以上的电量是用来维持水 泵的运转。就一般的水厂而言，泵站消耗的电费通常占供水成本的4 0 一7 0 ，就全国水 泵机组的电能消耗而言，它占全国电能总耗的2 0 以上。 水资源短缺已经成为经济发展和社会进步的主要制约因素。我国水资源非常短缺， 季节性、结构性和水质型缺水十分突出。同时，我国还存在着严重的用水效率低下问题， 进一步加剧了水资源紧张局面。国家发改委、科技部会同水利部、建设部和农业部组织 制定了中国节水技术政策大纲，于2 0 0 6 年4 月2 1 日起正式施行。6 月3 0 日，国务 院召开的建设节约型社会近期重点工作电视电话会议提出，要深入持久地开展资源节约 活动，加快推进节约型社会建设，促进经济社会全面协调可持续发展。节约工业用水是 节水的重点，工业用水量的比重逐年增加【2 1 。2 0 0 0 年世界各国的工业需水量约占世界总 需水量的2 5 。为了解决水资源不足的问题，许多国家和城市把节约用水作为节水的重 点。 因此，加强水厂节能管理研究，降低单位水电耗，节约水资源，提高水厂的能源管 理水平，促进水厂节能工作方法的不断进步，加强水厂的节能工作力度，做好供水行业 的节能工作对我国经济和社会的可持续发展具有重要意义。 1 2国内外研究现状分析 降低能耗是供水企业追求的目标之一，近年来供水企业在泵站节能、提高泵站效率 方面已取得了较大的成果。但由于供水泵站量大、面广、发展速度快，在泵站的规划设 第一章绪论 计、运行管理等方面还存在不同程度的不合理现象，致使加压泵站的效率偏低，造成了 能源浪费，加重了供水企业的负担，同时管网老化，地下管道年久失修，腐蚀严重，再 加上地下管网检测手段跟不上，造成了生产水量逐年增加，吨耗水的能源较高。 国内外对供水企业节能的研究主要集中在节电和节水两个方面，现在较为成熟有效 的节能技术措施表现在以下三个方面【3 】： ( 1 ) 泵站的选择设计。泵站的选择设计泵站能否节能的关键因素，合理的泵站选择 设计能使供水企业的供水成本得到降低。 ( 2 ) 提高泵站效率。对于已经建好的泵站，经过几年甚至十几年的运行后，如果外 界需水量的变化远远偏离了泵站选择设计时的供水量，造成不必要的压力损失时，原先 合理的泵站选型就会变的不合理，因此就必须对水泵进行改造，以满足实际供水的需要。 主要的措施有三种：泵的调速、叶轮切削、高分子修复技术。 ( 3 ) 供水管网节能【4 】。目前我国供水行业管线漏损比较严重，主要原因是上世纪7 0 9 0 年代敷设的供水管道材质低劣，施工质量差，管道抗腐蚀和抗冲击能力弱，导致管 网的漏损问题比较突出，近十年来总体呈上升趋势，1 9 9 2 年到2 0 0 2 年全国城镇供水 管网平均漏损率从7 8 9 上升到1 6 7 1 。据2 0 0 2 年建设部对4 0 8 个城市的统计表 明：我国城市公共供水系统的管网漏损率平均达2 1 5 ，全国城市供水系统年漏损近 1 0 0 亿立方米。因此，通过选择合适的管材，加强管道的检漏消漏工作，可以减少管网 的漏损，从而企业的降低供水成本。 1 3 本文研究的主要内容 扬子石化水厂1 9 8 7 年建成投产，随着扬子公司的不断发展，供水量发生了很大的 变化，导致泵的工作性能与工艺要求不匹配、泵机组存在效率下降、泵腔腐蚀、管线腐 蚀漏损等问题，这些问题直接导致供水能耗增加。扬子石化水厂针对自身的特点，采用 泵调速、叶轮切削、高分子涂层等措施提高泵机组效率；采用新型供水管材、加强管网 检漏消漏等措施降低管网漏损，来降低水厂的供水能耗，取得了较好的效果。 课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 首先阐述了本文研究的背景和意义，其次回顾了国内外关于水厂节能的研究 成果，最后说明了本文研究的主要内容。 ( 2 ) 分析了泵调速、高分子涂层、叶轮切削三种提高泵站效率的措施：采用新型 2 工程硕士学位论文 供水管材、加强管网检漏消漏，降低管损的节能方法。 ( 3 ) 在分析扬子石化水厂供水能耗状况的基础上，对水厂实施的变频调速、增效 涂层、叶轮切削、管网节能四种措施分别进行阐述和效果分析。 本文的框架结构图如图卜1 所示。 研究的背景与意义 弋 7 i 扬子石化水厂供水系统节能措施总体 u 增叶 效轮 涂切 层削 节节 能能 o 结论和展望 图卜1 本文的框架结构 f i g 1 - lt 1 i e 丘狮e w o r ks 臼u c t 眦o fm ep a p e r 第二章供水系统节能措施分析 2 1 泵站的选择 第二章供水系统节能措施分析 在泵站的选择上，国外水泵优选方法【5 - 8 】有：启发式方法，c h a o ( 1 9 7 9 ) 和 j a c o b s ( 1 9 8 0 ) 等采用高效的水泵组合方式或是用蓄水池来削弱高峰流量对泵站的冲击 性：用数学方法优化选择水泵，如l i n d e l le 0 r m s b e e ( 1 9 9 4 ) 的动态规划算法 d g ( d y n 锄i cp r o g r 猢i n g ) 。c h e n ( 1 9 8 8 ) 认为，在没有水塔的供水系统中，动态规划算 法适用于选出可以提供最优连续流量的水泵。l i t t l e 和m c c r o f d d e n ( 1 9 8 9 ) 则发展出 一种动态规划算法来选择水泵最优组合，这一算法的目标函数中既包括能耗项，也包括 高峰流量项。t i m o t h yd h i r r e l ( 1 9 8 9 ) 提出利用图解法进行水泵的优选，该法在考 虑用水量变化的基础上确定水泵的流量和扬程。b u 1 a n i c k i 和j p r a n c e ( 1 9 9 3 ) 等人 用多个约束条件来选择水泵，每一个约束条件都对选泵进行一次筛选，只有符合所有约 束条件的水泵，才被列入优选结果，这种方法被称为优化枚举法，该法也可以找到全域 最优解，但是计算时间太长【9 】。 国内学者采用的选泵方法主要是整数规划法和图解法【1 0 】。整数规划法是将流量时间 曲线分成不同的供水阶段，用枚举法为每一阶段选适合的泵，再将各阶段的水泵型号可 能的情况进行排列组合，列出所有可能方案，再比较这些方案的年费用值，年费用值最 小的就是最优解，该法计算量太大，所有方案都要计算年费用值；图解法是根据系统特 性曲线和水泵的特性曲线，找到高效段符合系统水量、水压的水泵，这种方法的优点是 计算简单，容易理解，使用方便，适用于简单泵站的水泵选取。 2 2 提高泵站效率 扬予石化水厂3 0 万吨天的供水量使其供水系统相当于一个中型城市的供水系统那 么复杂，电力除消耗了极小一部分在变配电系统中损耗以外，几乎9 7 是水泵电机耗掉 的。理论上每千吨时送上1 m 的高度耗电是2 7 2 度，但实际上由于水泵的效率是随水 泵运转过程中，管路中的流量大小即水头损失的变化而改变的。水泵效率高的可达9 2 9 5 ，低的只有6 0 6 5 ，两者相差3 0 ，即每千吨米电耗在2 9 6 度4 4 5 度之间浮 动。可见提高泵站效率对于节能十分重要。 4 工程硕士学位论文 水泵效率是输出功率和轴功率之比，是衡量水泵工作效能高低的一项技术经济指 标。水泵效率的高低，很大程度上取决于水泵设计和管理维护，因此，在水泵实际运行 中要尽量降低各项能量损失，提高水泵效纠1 1 】。 水泵的设计工况大于实际需要工况，导致水泵低效运行，能耗增加。因此，通过分 析用水量的变化特点，根据水泵特性曲线和管路特性曲线确定泵站工况点，以此工况点 作为选泵的依据，使设计工况更接近实际需要工况，达到节能的目的。扬子石化水厂是 按照1 9 8 6 年时扬子石化公司的规模设计的，经过公司2 0 多年的发展，原先设计的泵站 逐步变的不合理。对目前运行不合理的泵站，扬子石化水厂借鉴国内外现有的提高泵机 组效率的手段，采用变频调速、叶轮切削、增效涂层等方法对水泵进行改造，提高水泵 的运行效率。 2 2 1 调速节能 供水控制，归根结底，是为了满足用户对流量的需求【1 2 】。所以，流量是供水系统的 基本控制对象，但流量的检测比较困难，费用也较高，考虑到在动态供水情况下，供水 管道中水的压力的大小与供水能力和用水需求之间的平衡情况有关：当供水能力大于用 水量时，管道压力上升；当供水能力小于用水量时，则管道压力下降；当供水能力等于 用水量时，则管道压力保持不变。可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在 供水压力的变化上。从而压力就成了用来作为控制流量大小的参变量，也就是说，保持 供水系统中某处压力的恒定，也就保证了使供水能力和用水需求处于平衡状态，恰到好 处地满足了用户的用水要求，这就是恒压供水【1 3 】所要达到的目的。 过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置需要扬程曲线进行 调节。这种调节方式虽然简便易行，但往往造成很大的能量损失。大量的统计调查表明， 一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的 调节方式。因此，研究并改进它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。 水泵调速【1 技术是恒压供水的一种重要的调节方式。水泵的调速运行，是指水泵在 运行中根据运行环境的需要，人为的改变泵运行工况点的位置，使流量、扬程、轴功率 等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的工况点【1 5 】是由性能曲线和装置需要扬程曲 线的交点确定的。因此，只要这两条曲线之一的形状或位置有了改变，工况点的位置也 就随之改变。所以，水泵的调节从原理上讲是通过改变水泵的性能曲线或装置需要扬程 第二章供水系统节能措施分析 曲线或二者同时改变来实现的。 采用调速的方法来减少水泵电机能耗是十分显著的 1 6 1 ，当所需流量减少、水泵转速 降低时，其电动机的所需功率按转速的三次方下降。采用变速调节，阀门全开状态，无 水压损耗，根据工况的要求自动调节泵的转速，使水泵适应流量和扬程变化的要求，即在 管道特性曲线基本不变时，采用改变转速来改变泵的h _ q 特性曲线。使它的工作点保 持在高效段，达到输入功率减少的目的。 2 2 2 水泵的调速方法 水泵的调速方法【1 7 】可分为改变传动装置调速和改变电机转速，详细划分如图2 1 ： 图2 1 水泵的调节方式 f i g 2 一ia d j u s t e dw a yo fw a t e rp 啪p 改变传动装置的调节方式为八十年代的产品，改变电机转速的调节方式为9 0 年代 后的产品，代表性的调节方式特点如下： ( 1 ) 电磁转差离合器的变速调节【1 8 】 电磁转差离合器调速属低效无级调速，它由恒速电机、电磁滑差离合器组成。电磁 滑差离合器安装在恒速电动机和水泵之间，通过调节电磁滑差离合器的励磁电流来改变 电磁滑差离合器的转差以实现调速。优点是：调速范围大，调速平滑，无谐波污染，结 构简单，运行可靠。缺点是：轴向安装尺寸大，电磁滑差离合器出现故障则须停机处理， 滑差损耗大，节能效果差。 6 工程硕士学位论文 ( 2 ) 液力偶合器的变速调节【1 9 】 液力偶合器属于低效无级调速。它由恒速电动机、液力偶合器组成。它安装在电机 和水泵之间，通过调节液力偶合器内的油压来改变液力偶合器的转差从而实现调速。它 的优、缺点与电磁调速相同。 ( 3 ) 异步电动机的变极调速 异步电动机的变极调速是通过改变定子绕组的接线方式来改变电机的极对数从而 实现调速，优点是：有较好的机械特性，稳定性良好，无转差损耗，效率高，接线简单 方便，成本低廉。缺点是：有级调速，级差大，调节范围小。 ( 4 ) 绕线式异步电动机的串极调速 绕线式异步电动机的串级调速属高效调速方式，它将绕线式电动机部分转子能量取 出以改变电动机转差率来实现调速，并将这部分能量经变换后通过逆变变压器回馈给电 网实现节能。装置容量与调速范围成正比，优点是：投资小，调速效率高，故障时可全 速运行。缺点是：功率因数低，谐波污染大。 ( 5 ) 内反馈串级调速 内反馈串级调速是在普通绕线型电机的定子上与原定子绕组同槽嵌放一套绕组长 而制造成内反馈串级调速电动机。将该电机的部分转子能量取出以改变电动机转差率来 实现调速，并将这部分能量经变换后反馈给该电动机的调节绕组再利用其产生拖动转 矩，使主绕组从电网中吸收能量减少，达到节能效果。优点是：投资小，体积小，谐波 污染小，功率因数高。缺点是：有滑环，维护量稍大。 ( 6 ) 变频调速 变频调速是高效调速方式【2 0 1 ，通过改变电动机定子的频率以实现调速，是交流电机 调速的发展趋势。实践证明，变频调速是调速技术中最好的一种，在国内水厂已经得到 广泛的应用，节能效果十分明显。泵采用变频调速电动机后除节能效果明显外，主要还 有以下几方面的优点【2 1 】：调速效率高，是一种高效调速方式。一般说来，泵采用变频 调速技术后，约可节能3 0 9 卜4 0 。调速范围宽，一般可达2 0 ：1 ，并在整个调速范围 内均具有较高的调速效率。实现了软启动，泵启动时对电网的冲击小，停机时可实现 软停车，防止系统出现水锤现象。可有效延长泵及相关调节阀、管道的使用寿命，减 少维护费用，为装置长周期运行创造了条件。在一定程度上可降低装置噪声，改善工 作环境。除此之外，变频装置万一发生故障，可以退出运行，改由电网直接供电。缺点 是：技术复杂，造价高，检修困难。 7 第二章供水系统节能措施分析 2 2 3 水泵调速节能分析 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。 ( 1 ) 水泵的性能曲线 水泵的工作是以输送流量q 、产生的扬程h 、所需功率p 及效率f l 来体现的。这些工 作参数之间存在相应的关系。当流量q 与转速n 变化时，就会引起其它参数相应变化。 为了正确使用泵，必须了解这些参数的相互关系。将泵主要参数间的相互关系用曲线来 表达，即称为泵的性能曲线【2 2 】。性能曲线是在一定的进口条件和转速时，泵供给的扬程 h ，所需功率p ，具有的效率n 与流量q 之间的关系曲线。泵的性能曲线至今还不能用理 论方法精确地绘制，这是由于泵内的损失还难于精确计算的缘故。所以通常用试验的方 法绘制性能曲线。在试验时，必须保持泵在某一固定转速下，如果试验时泵的转速是变 化的，则应将它们的参数换算至某一定转速，然后绘制性能曲线。试验时，逐点变更泵 的流量，则相应的扬程、功率、效率也发生变化，从而得到在某一定转速下流量与扬程、 功率及效率的对应关系。通过这些测量与计算，得到一系列的流量q 与扬程h 、功率p 及 效率r l 的对应关系，绘制在图上，得到h q ，p q ，n q 性能曲线( 图2 2 ) 。 h ，t 1 ) 图2 2 泵的性能曲线 f i g 2 - 2p e r f 0 肌2 m c ec u r ，e s0 fp u m p 一般n q 曲线上有一最高效率区域( 图2 2 中r l q 曲线上a b 点范围内) ，泵在此 工况下运行经济性最佳。选择泵时，应考虑它们经常运行在最高效率点及其附近区域。 要使泵的运行经济性提高，除选择高效率产品外，还要特别注意使它们的工作点落在高 效率区。否则，即使有高效率的泵，但运行却是低效率的，仍然很不经济。高效泵能否 8 工程硕士学位论文 高效运行完全取决其运行工况，也就是由泵的性能曲线与管路特性曲线交点来决定的。 若设备选型不当、规格不合适、管网不匹配或者运行调节不当都有可能使得高效泵低效 运行，将低效运行经适当的改造，如调速调节、变压调节、联合调节、入口调节等，使 其运行在高效范围内，就是泵节能改造工作的重要内容。 ( 2 ) 水泵的节流节能分析 水泵功率【2 3 】p 表示为： p ： 2 望丝 l027 7 ( 2 1 ) 式中：p 一水的密度( k g m 3 ) ； q 一供水量( m 3 s ) ； h 一水泵扬程( m ) ； r l 一水泵的效率。 每台水泵只有在原设计工况点时，泵的使用效率才为最高点，偏离这个工况点效率 就会降低。根据以上分析，按照供水系统的实际流量q 。和扬程h o 以及与之相对应的水泵 使用效率p 。可以得出水泵经济的轴功率p 。即： 肛筹 ( 2 2 ) l0 2 7 7 这样整个供水系统的节能潜力为： p = p 一户o ( 2 3 ) 式中：p 一水泵消耗的总轴功率； p 。一水泵经济的轴功率。 泵在管道输送时，受到管网阻力的作用，图2 3 绘出了供水管网的h q 阻力曲线。 9 第二章供水系统节能措施分析 h 。、 h q 2 d 一 哪 q h j q 图2 3 供水管网的阻力曲线 f i g 2 3r e s i s t 孤c ec u r v eo fw a t e rs u p p l yn e 铆。极 管网装置特性可以从阀门全开时测得的各种数据由下式【2 4 】求得： = 鲤2 + 胁 ( 2 4 ) 式中：k _ 阻力系数； h j 一泵进出口水位差。 由图2 3 可知泵的特性曲线与管网阻力曲线的交点a ，即为泵的正常使用工况点。 从管网特性上求得管网实际所需的性能以及泵与管网性能的匹情况，以此作为水泵节能 依据。 图2 4 为水泵调速时的h q 曲线。 h h 1 h 0 h 2 h j i n n 1 q 图2 4 水泵调速时的h q 曲线 f i g 2 4t h eh qc u r v eo fp 啪pa d j u s t e ds p e e d 1 0 工程硕士学位论文 水泵运行在水泵特性曲线n 与管网阻力曲线r 的交点d 。传统的流量控制用阀门控 制时，由于必须关上阀门才能减小流量，使阀门对供水的摩擦阻力变大，阻力曲线从r 移到r ，扬程则从h o 升到h 。，流量从q 。减小到q 。运行工况点从d 点移到a 点。用 调速控制时，阻力曲线r 不动，泵的特性曲线取决于电机的转速，如果把速度从n 降 到n 。，工况点将从d 点移到c 点，扬程将从h 0 降到h 2 ，流量从q 。减小到q 。与阀门控制 时输出的流量相同。 根据公式( 2 1 ) 求出运行时在a 点的泵轴功率为： 尸彳：2 望! 丝! ( 2 5 ) l0 2 7 7 c 点泵的轴功率为： 尸c = 旦望! 丝!( 2 6 ) l0 2 7 7 两者之差： 尸：n p c ：2 望! ! 丝! 二丝塑 ( 2 7 ) 1 0 2 刁 也就是说，用阀门控制流量【2 5 】时有p 的功率被白白浪费了，而且损耗随着阀门 的关小增加；用转速控制时，由水泵相似定律： 虽= 景，去= c 去= c 景，3 亿8 ， q o 刀。日o、门0 7p o、刀o 7 式中：q 一离心泵流量； h 一离心泵扬程； n 一离心泵转速； p 一轴功率。 由这些关系可知：流量与泵的转速成正比，扬程与水泵转速的平方成正比，轴功 率与转速的三次方成正比。采用改变水泵转速从而达到调节流量的方法，其扬程特性曲 线( h q ) 及功率特性曲线( p q ) 对于转速的变化如图2 5 所示【2 6 1 。 第二章供水系缠节能措施分析 9 n 8 n 7 n q 9 n 8 n 7 n q 图2 5 泵调速特性 f 谵2 - 5a d j u s t e ds p e e dc h 啪c t e r i s t i c so fp 哪p 对于特定的管路，当流量为h 。，需要扬程为h 时，可在泵特性曲线上求得工作点a ， 假定此时泵的转速为额定转速n 可以满足要求，相应的功率是p ；当流量从q 。降低到 q 2 时，由管路要求此时扬程为如，所以出现了q ：时的工作点b ，其相应的功率是p b ；此 时若有调速实现泵得转速控制，由图2 5 看出可获得p 肥大小的节电效果。 2 3 叶轮切削 泵站水泵的选型是按最不利条件下所需相应扬程决定的。而当泵站的需水量减少、 管网压力过高时，就会造成压力白白损失。叶轮切削【2 7 】改造是一种改变水泵工况点的途 径【2 引，它是通过改变水泵的叶轮外径，减小水泵流量和扬程，降低水泵轴功率。经过 叶轮的切削，泵的特性曲线会按一定规律发生变化，根据切削后的运行参数，计算切削 量，改变叶轮的外径，使水泵特性曲线按要求发生变化，从而使水泵运行于与管网实际 所需一致的高效区间内，达到节能的目的。叶轮切削具有投资小、节能效果明显等优点 1 2 工程硕士学位论文 【2 9 1 ，是改变水泵性能的一种简单易行的方法，在水厂的改造中已得到了广泛的应用。 例如洛河电厂n s3 0 0 p 2 0 0 型水泵由于扬程远大于运行所需值，且泵的设计流量也大于实 际流量较多，采用叶轮切削方法，将泵的流量、扬程、及功率降低至合理值，切削前实 际运行时电机功率平均在5 8 0k w ，切削后平均为5 2 0k w ，实际每小时可节省电耗6 0 度， 年可节约1 4 4 万元，切削后投入运行以来各项性能指标均能满足系统需求，泵组运行平 稳【3 0 1 。 在一定切削限度内，叶轮切削前后满足下列关系： 罟= 苦，等= c 告) 2 ，等= c 舍) 3 ， c 2 9 ， odh 、d 。n、d 。 式中：q 、h 、n 、d 一分别表示水泵叶轮切削前的流量、扬程、功率和叶轮直径； q 、h 、n 、d 一分别表示叶轮切削后流量、扬程、功率和叶轮直径。 方程组( 2 9 ) 称为水泵切削律3 ，可以看出，叶轮切削可以显著降低水泵轴功率。 由水泵切削律得： 县：罢：k ( 2 1 0 ) 一= 一= lz i j q 哩q 2 一 一一 l ( _ 叶轮切削系数。 推广可得： = 鲤2 ( 2 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 称为水泵叶轮切削抛物线，凡是满足切削定律的工况点都在这条抛物线 上，在切削限度内，叶轮切削前后的水泵效率可视为不变，又称为等效率曲线【3 2 1 。 2 3 1 切削量的具体规定 在实际操作中，对叶轮切削量还有诸多规定： ( 1 ) 叶轮的切削限度【3 3 】 水泵切削限度与叶轮比转速有着密切关系：叶轮切削量随其比转速增加而递减。 表2 一l 叶轮切削限度 t a b 2 一lc u t t i n gl i n l i t so fi m p e u e r 1 3 第二章供水系统节能措施分析 注：当比转速为6 0 、1 2 0 时，每切削1 0 ，效率下降1 ；当比转速为2 0 0 、3 0 0 时，每切削4 ， 效率下降1 。 当比转速n 。 3 5 0 时，因对效率影响过大，一般不允许再切削，表2 1 列出了水泵叶 轮切削限度与切削后的效率下降值【3 4 1 。 ( 2 ) 叶轮切削量与效率的关系 3 5 】 水泵的效率【3 6 】是泵的有效功率n ，和轴功率n z 的比值。由于泵内的各种损失，泵的 有效功率总是小于轴功率，故泵的效率总是小于1 。有效功率小于轴功率的那一部分是 在泵内损失掉了，只有尽可能地减少泵内的各种损失【3 7 1 ，才能提高效率。损失可分为： 机械损失、容积损失和水力损失三部分。叶轮切削后，对容积损失、水力损失影响较小， 对机械损失影响较大，而机械损失又由两部分组成，即：轴承和轴封摩擦损失，因切削 调节不涉及水泵转速，故上述损失可视为常量；圆盘摩擦损失【翊，叶轮在充满液体的泵 壳内旋转时，叶轮外表面与液体有摩擦损失，因最初测定这部分损失时常使用圆盘进行 试验，故常把这种损失称为圆盘摩擦损失，圆盘摩擦损失比较大，在机械损失中占主要 成分，尤其是对中、低比转速的泵，圆盘摩擦损失更加重要。由图2 6 可以看出，对高 比转速的泵，圆盘摩擦损失所占的比重较小：而在低比转速时；圆盘摩擦损失急剧增加。 当比转速n 。= 3 0 时，圆盘摩擦损失增加到接近于有效功率的3 0 。 圆 盘 摩 擦 损 失 比转速 图2 6 圆盘摩擦损失与比转速的关系 f i g 2 - 6t h ei i e l a t i o n s h i pb e t w e e nf h c t i o no fd i s kl o s sa n ds p e c i f i cs p e e d 影响圆盘摩擦损失功率大小的因素比较多，对于一般整体铸造的叶轮，可以用下式 近似地计算圆盘摩擦损失n d f ： 姚= 裟1 0 - 1 0 d 5 ( 2 1 2 ) 式中：p 一水的密度( k g m 3 ) ； 1 4 工程硕士学位论文 n 一水泵转速( r p m ) ； d 一叶轮直径( 姗) 。 由式( 2 1 2 ) 可以看出，圆盘摩擦损失与叶轮直径d 的5 次方成正比，故而叶轮的 切削量对圆盘摩擦损失的影响特别敏感。实践表明，当n 。 2 0 0 的泵按表2 1 切削叶轮外 径时，泵的效率基本上是不变的，或降低很少。例如，对比转速n 。= 6 0 1 2 0 的泵，叶泵 外径切到0 o 8 d 范围内，泵的效率几乎不变，试验的性能曲线与计算值也基本相同。 但当切削叶轮直径至( o 8 0 9 ) d 时，泵的效率下降l 左右，试验的性能曲线也较计算 值低。对n 。 6 0 的泵，少量切削叶轮直径甚至能使泵效率略有提高。应该注意的是，表 2 一l 中所给定的数据，是允许切削叶轮直径的最大值，非最佳值。当切削量接近这些值 时，泵的效率将会有明显降低，试验的性能曲线与计算值差距也比较大。因而，在应用 切削方式进行水泵性能调节时，特别要谨慎，不能因要满足对流量q 扬程h 的要求，而 不顾水泵效率的降低一味强行切削，此点亦应引高度重视。 2 3 2 切削节能分析 切削叶轮后，泵的特性曲线发生了改变，节能原理【3 9 1 如图2 7 所示，d 。为切削叶轮 前泵特性曲线，d 2 为切削叶轮后泵的特性曲线： 图2 7 切削节能原理 f i g 2 - 7e n e r g yc o n s e r v a t i o np 血c i p l eo fc u t t i i l g 从图2 7 中可以看出，同样提供q 。的流量，泵的工作点从a 点转移到b 点，泵提供的扬 程从h ，降至h 2 ，根据公式( 2 7 ) ，切削叶轮后可节约的功率： 1 5 第二章供水系统节能措施分析 肚：丝! ! 丝! 二丝尘( 2 1 3 ) 1 0 2 7 7 因此泵的能耗得到降低，并且，叶轮切削后，泵负荷的降低使得电机电流降低，避 免了电机超负荷运行带来的安全隐患。 2 4 高分子增效涂层 我国水泵性能落后，产品更新换代十分缓慢。即使是新改型的高效叶轮也和一般大 型铸件一样，还存在许多不足之处，铸造表面不够光滑，还有许多如汽孔或夹杂等铸造 缺陷。造成这种现状的原因是我国大型水泵叶轮的铸造工艺比较落后，大多还是采用木 模整体铸造。精密铸造只能用在小型叶轮，用在大型叶轮上目前还存在困难。对于有特 殊要求的叶轮如核泵叶轮采用的工艺是：锻造后，用数控机床铣出线性的工艺进行加工。 产品线型误差很小，叶轮表面光洁度也很高，但是成本太高。采用木模铸造出的叶轮只 能靠打磨方法提高表面的光洁度，目前水泵厂依不同的要求对叶轮分别按a 、b 、c 三个 等级用砂轮进行打磨。一般都是简单打磨后喷上防锈漆了事【q 。因为打磨的环境条件较 差，标准不高，加上工人对这道工序不够重视，所以生产出的叶轮表面光洁度不可能太 好。据水泵厂技术人员介绍：水泵叶轮经打磨后表面粗糙度好的能达到2 5um ( 相当于 老标准的v 3 ) ，一般表面粗糙度也就能达到5 0i lm ( 相当于老标准的v 2 ) ，而循环泵泵 体内的流道光洁度还远赶不上叶轮，大多数厂家都不进行打磨，铸造清砂之后直接喷漆 【4 l 】 o 除了制造工艺方面的原因外，水泵在在运行过程中还存在着腐蚀的实际问题，水泵 在运行过程中受进水口压力而产生的气泡破裂和水质中各种杂质的冲刷、磨损等因素影 响，叶轮、泵体高压区等处经常产生“蜂窝状气蚀 和“沟槽”现象，使水泵的性能恶 化、出水量减少、效率降低、泵站能耗增高，而且磨损严重后还容易使设备振动增加， 影响水泵的寿命，甚至对电机的寿命也造