国内数十家典型水司水泵节能改造后电耗同比下降约5%
第75届联合国大会期间，我国提出力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标。供水系统作为基础设施的重要组成部分，应将全生命周期低碳发展作为指导方向。对于已进入运营期的供水公司，实施精细化运营管理、提升能源利用效率是实现碳达峰、碳中和目标的重要路径。
在供水系统中，取水、送水、加压环节是主要耗能环节，其中关键的耗能设备是水泵机组。据统计，我国泵类设备用电量约占全国用电量的20%，使用效率比发达国家低10%~30%。因此，实现水泵机组的节能运行尤为重要。由于供水系统需用水量波动大，水泵机组的运行工况变化频繁，通过精细化管理实现水泵机组节能运行的方法需要详细的研究与工程实践。
本文选取国内数十家典型供水公司，分析各生产环节能耗占比，识别系统能耗影响因素，提出有针对性的节能运行措施，并开展实践应用；旨在为供水系统节能运行提供系统性方法与应用实例，助力供水系统绿色低碳发展。
01，研究对象能耗现状
本文统计所研究典型供水公司生产环节电耗占比数据如图1所示。由于各公司泵房数量和运行水量高程不同，具体能耗占比分布不同，但整体而言，各生产环节中取水、送水、加压泵房总能耗占比最高。因此，供水公司节能的重点在于保障供水量和供水压力的前提下，降低泵房系统的电耗。
图1 典型供水公司各生产环节平均电耗占比
02，能耗影响因素分析
对研究对象的实际运行情况进行分析，泵房系统能耗较高的主要原因有以下两个方面：
（1）水泵设计工况与实际运行工况不匹配。部分泵房在设计时根据最不利工况进行水泵选型，选用水泵设计参数与实际需求相比偏大，水泵机组运行工况偏离设备的高效区间，效率低下，导致系统能耗偏高。此外，根据《室外给水设计标准》（GB 50013-2018），综合用水的时变化系数范围为1.2~1.6，日变化系数范围为1.1~1.5。由于供水系统水量变化幅度大，当选用水泵的高效区间范围较窄时，部分季节或部分时段设备无法在高效区运行，也导致能耗偏高。
（2）水泵实际工作扬程偏高。部分泵房水泵前后管路水力损失较大或前池水位偏低时，水泵实际工作扬程偏高。此时，部分电能并未用于对水的有效提升，浪费在管路中，导致泵房能耗偏高。
针对上述影响因素，提出以下针对性措施：
（1）针对水泵工况匹配问题，通过离心泵变频调速或叶轮分级管理的方法，调节水泵机组高效区间，使之与实际运行工况更接近，提高系统效率，进而降低泵房能耗。
（2）针对供水系统水泵机组工作扬程偏高的情况，通过清水池高水位运行或管路附属设备优化的方法，在保障供水压力的前提下，降低工作扬程，从而降低能耗。
03，节能方法与工程实例
上述节能措施已推广至数十家典型供水公司，实施后平均电耗同比下降约5%。
3.1 离心泵变频调速
离心泵变频调速通过改变电动机的转速改变水泵转速，进而改变水泵的流量、扬程和功率，从而调节设备高效运行区间。
3.1.1 适用范围
离心泵变频调速运行适用于水泵选型偏大的情况，通过调整泵的高效运行区间，使之与实际工况更接近，提升系统运行效率。当泵房流量波动明显时，本方法也可以根据系统需求有效调节流量，实现节能。根据《全国民用建筑工程设计技术措施 节能专篇：给水排水》，变频调速水泵的调速范围不应低于70%。根据水泵相似定律，离心泵变频调速方法主要适用于实际需求流量不低于水泵设计流量70%的情况。
离心泵变频调速方法需要加装变频器或改造为变频泵，初始投资较高，需要充分评估节能量与静态投资回收期再实施。
3.1.2 工程实例
本工程来源于某设计规模10万m³/d的城市净水厂，其目前实际供水量5.8万m³/d。水厂于2006年建成投产，送水泵房设计为6台型号相同的工频水泵并联。
（1）存在问题。水泵设计工况与实际运行工况偏差较大。原用水泵设计流量830 m3/h，设计扬程58 m，实际运行时出厂压力在0.40 MPa左右，水泵供水量偏大。当多台水泵工频并联运行时，为使水泵流量与实际需用水量匹配，采取关阀措施，导致大量能量浪费在克服管道阻力中，泵房实际能耗偏高。
（2）应对策略。针对此类工程问题，已有一些实践案例采用变频改造的方式来调节水泵的运行工况，以改善水泵效率。本实例对送水泵房2台水泵进行变频改造，根据实际运行工况进行水泵选型。其中1台重置水泵选用变频泵，选型设计流量为1400 m3/h，设计扬程为40 m；并对1台原用水泵软启动器改为变频控制。
（3）实施成效。本工程的实施成效如表2所示，其中CO2减排量根据国家发改委《2016 年中国区域电网基准线排放因子（征求意见稿）》中各区域电能生产碳排放因子的均值0.94 tCO2/（MW·h）来测算，节能降碳和经济效益均十分显著。
3.2 离心泵叶轮分级管理
离心泵叶轮分级管理根据水泵的相似原理，通过改变叶轮出口直径，调节泵的“流量-扬程”性能曲线，使水泵的高效运行工况与实际需求更加接近，以此提升水泵机组的运行效率，包括叶轮切削改造或更换同型号水泵的小直径叶轮两种形式。
3.2.1 适用范围
针对离心泵选型过大的情况，适宜采取叶轮分级管理方法。但由于减小离心式叶轮出口直径会导致叶轮内部流动出现漩涡，进而使水泵设计点的效率下降。因此，本方法需要在允许切削范围内实施，具体效率影响情况和切削量限制如表3所示，可见低比转速水泵使用本方法时允许切削范围更大。
3.2.2 工程实例
本工程来源于某设计规模5万m³/d的城市净水厂，其取水泵房目前实际取水量4.2万m³/d。
（1）存在问题。水厂取水泵房由一台工频水泵机组取水，水量调节困难。每年夏季高峰供水时段与冬天低峰供水时段水量相差较大，由于取水量不易调节，冬季运行时水厂每天需要停机2~3次，影响生产运行净水药剂投加；且取水泵组能耗偏高，不利于节能运行。
（2）应对策略。针对该水厂各季节水量差别较大的特点，采用3种同系列、不同叶轮出口直径的叶轮分别在夏季、春秋季和冬季运行。3种叶轮出口直径分别为440 mm、425 mm、400 mm，小直径叶轮对应切削量分别为3.4%和9.1%。该取水泵的比转速为70，根据表3，切削改变叶轮出口直径时，切削量不超过10%对效率的影响小于1%。
（3）实施成效。本实例改造后实际运行工况如表4所示。由于冬季水量降低，取水管道损失相应降低，扬程仍可满足取水需求。经过近两年的实际运行，该分级管理方式可以满足各季节的运行要求。本实例的实施成效如表5所示。本方法具有良好的经济效益。
3.3 清水池高水位控制
清水池高水位控制是通过调节取水流量维持清水池高水位运行，降低机组出口与清水池水位的高程差，进而降低工作扬程的方法。
3.3.1 适用范围
清水池高水位控制方法适宜在实际负荷与设计负荷有差距的水厂实施，且不适用于采用峰谷平电价的水厂。因为当水厂满负荷运行时，机组不宜过于频繁启停，在用水高峰期维持清水池高水位运行的空间较小，所以难以保持清水池高水位运行。当水厂电度电价采用峰谷平电价时，由于用水高峰期与电价峰值区间重叠，出于经济性考虑，更适宜利用清水池调蓄功能，在低谷电价时充分取水以满足用水高峰期的水量需求。
3.3.2 工程实例
本工程来源于某设计规模20万m³/d的城市净水厂，其目前实际供水量13.3万m³/d。
（1）存在问题。该水厂送水泵房水泵机组实际工作扬程偏高，由于该水厂的出厂压力根据城市供水管网压力分布进行实时调节，无法通过直接控制泵后压力进行节能。
（2）应对策略。为降低送水泵房水泵机组的扬程，采取清水池高水位控制的方法优化运行。由于该水厂实际供水量与设计规模尚有一定差距，清水池可发挥调蓄功能的空间较大，净水设备设施的处理能力也存在富余，维持清水池高水位运行不会对净水工艺有冲击。且水厂电度电价不是峰谷平电价，在经济性上也没有限制。水厂的取水泵房具备大小泵组合运行的条件，可以配合大小泵搭配运行在高效区，为水位控制奠定基础。因此，水厂根据智慧水务系统水力模型预测的出厂水量，充分利用取水泵组合的不同流量，制定多种调控方案，保持清水池水位在白天供水高峰时期处于高水位运行。
（3）实施成效。在该方法实施后，选取24 h清水池水位与实施前一年度同日数据进行对比作为示例，如图2所示。该水厂清水池上限水位为3.3 m，水厂通过运行调控有效调节清水池水位变化。在实施本节能运行措施前，清水池年平均水位是2.4 m；实施后，清水池年平均水位为2.9 m，平均水位升高0.5 m，节能效果更显著。
工程整体实施成效如表6所示。本方法通过管理措施进行调控，无需新增投资，具有良好的经济效益。
3.4 管路附属设备优化
管路附属设备优化通过取消不必要的附属设备或选用阻力小的附属设备，降低局部阻力损失，进而降低水泵实际工作扬程，以实现水泵节能。
3.4.1 适用范围
本方法适用于管路阻力损失较大，水泵机组工作扬程与需用供水压力相比偏高的情况。在泵房中，对管路阻力损失影响最明显的阻力部件之一是止回阀。实施本方法时，应重点监测阀门前后压降，结合设备状态，识别节能空间。
3.4.2 工程实例
本工程来源于某设计规模19.5万m³/d的城市净水厂，其目前实际供水量22.2万m³/d。
（1）存在问题。该水厂送水泵房某送水泵组原用泵后止回阀使用年限已近20年，过流部件老化，阀门阻力系数较高。加之供水负荷高，机组前后管路内流速较高，根据便携式压差计测量结果，阀门前后压降超过0.05 MPa，阀门整体水力损失较大，导致水泵工作扬程较高，能耗较大。
（2）应对策略。针对该水厂泵后阀门水损较大的实际情况，采用管路附属设备优化的方法进行节能改造。静音式止回阀依靠流体的流动方向自动开关，故障率低，维护简单；过流断面符合流动流态，对流体的干扰较小。因此，该水厂改造时采用静音式止回阀与电动闸阀联用作为泵后阀门。
（3）实施成效。该实例改造后止回阀前后压差实测值小于0.02 MPa。本次改造较好地降低了泵后阀门的阻力，在保障出厂压力不变的前提下，降低了水泵的工作扬程。同时，改造后水泵流量比改造前增加约9%，改造后新阀门的阻力系数显著降低。工程整体实施成效如表7所示。
以上应用实例表明，针对离心泵实际运行工况偏离设计工况的问题，采用离心泵变频调速的方法可在较宽的范围内调整高效运行区间，节能效果十分显著；对于低比转速叶轮采用分级管理方式，能够在低投资的前提下实现工况调节与水泵节能运行。针对水泵工作扬程偏高的问题，在水厂负荷条件满足时，采取清水池高水位控制的管理措施可以有效降低能耗；识别阻力损失较大的管路附属设备并进行优化，可实现保障供水压力前提下的泵房节能。供水公司在生产管理中可根据实际情况采用上述方法，实现水泵节能运行，助力绿色低碳发展。
