胥媛

（北京京源水务有限公司，北京100049）

某水务公司取水站统筹整合京西南地区供水资源，保障北京西南地区供水安全。年供原水约1.4亿立方米，主要供水设备为8台离心泵。由于设备投用时间较早，运行中一直存在效率低、能耗高等问题。为聚焦“双碳”目标，公司主动寻求节能降耗路径。

1 早期节能改造分析

水泵耗电量在社会总用电量中所占比重很大，该领域进行的各种节能技术研究也一直为世界各国所重视。据我国第三次工业普查数据，水泵用电量占社会总用电量21%。节能工作一直是国家经济发展的一项长期战略方针，也是企业降低成本的有效手段。因此推进节能技术进步，降低单位产值能耗和单位产品能耗是一项重要工作。

由于设计工况与实际工况不符使水泵无法高效运行，造成能源浪费。企业自2015年开展合同能源管理项目，针对取水站4号泵进行了高效节能叶轮改造。

1.1 改造思路

改造前对水系统泵组的运行数据和设备参数进行分析，判别水系统泵组是否存在高能耗及原因，并找出设备与流体输送的最佳工况点，设计出最佳水泵参数（包括流量、扬程等）。这样设计出的节能叶轮运行参数与工况所需参数较为吻合，节能水泵运行保持在最佳工况点附近，运行电耗降低。

1.2 改造结果

取水站单开4#泵，双管运行，通过记录泵后压力计算扬程，流量通过某山水厂配合实时记录出水流量。详见表1及表2。

表1 4#泵改造前数据

表2 4#泵改造后数据

按照现有技术规程，取水站送出水的压力为0.20～0.32 MPa，而4#泵供水压力在0.2 MPa时供水流量为5 854 m3/h，可知改造后4#泵的供水能力有所下降，如图1所示。从改造前后泵的性能曲线对比来看，在4#泵供出相同流量的前提下，扬程有所下降。

图1 实测4#泵改造前后性能曲线对比

1.3 存在问题

（1）尽管水泵高耗能问题有所改善，但切削叶轮后水泵无法满足满负荷运行工况，造成该设备只能在特殊工况下使用，极大限制了运行调度。

（2）从项目投资情况来看，按照合同能源管理约定，对方收取节能效益的80%作为改造报酬，此方式周期长达60个月，双方需投入大量精力进行结算；且由于双机组运行无法精准测量单台泵的出水量和结算量，节能效益核算易产生纠纷。

2 三元流叶轮及碳化硅陶瓷涂层相结合的节能技术

该节能减排计划提出后，通过对多种节能技术进行综合比选，最终确定采用三元流叶轮注注：“三元流叶轮”是指以“三元流动”理论为依据而设计、改造或制造的叶轮，其叶片更适应流体的实际流动情况，在实际应用中效率更高、能耗更低。及碳化硅陶瓷涂层技术相结合对水泵进行节能改造。该方法针对水泵本体进行改造，在提升水泵运行效率的前提下，不改变设备性能，避免早期改造后出现的水泵无法满足满负荷工况的情况。

取水泵站自团成湖取水后通过离心水泵为某市属自来水集团提供原水，下游用户用水量较为稳定，常年运行2台大功率水泵保障下游供水，其中2#和7#为主力泵组，1#和8#为备用泵组。

根据以往经验，由于现有设备设施计量不完善，不能准确提供单台水泵的流量及用电数据，易导致在节能率确认阶段产生纠纷。因此，该改造项目将主力泵组2#和7#两台水泵作为一组，同时约定以水泵配用电机的额定功率630 kw作为节能测量基准。

2.1 改造方法

（1）2#及7#泵设备参数

改造前，两台泵至今已分别运行38年和46年。常年运行的大功率水泵能耗较高，年均耗电量1 044万kW·h。

（2）工艺流程

第一步：泵体内壁脱盐脱脂，去除内壁的可溶性污染及油脂，增加涂层的粘结强度。

第二步：修补泵内壁的凹凸、破损、磨损处及叶轮的汽蚀破损和穿孔。增加泵体及叶轮的厚度及间隙，密封环与叶轮的间隙调整到最精准范围内，最大限度的减少流体回流现象。

第三步：应用“三元流动”理论[1]，把叶轮内部的三元立体空间无限分割，通过对叶轮流道内各工作点的分析，建立完整、真实的叶轮内流动数学模型[2]。

此次改造在水泵原有叶轮上进行。将叶轮内部三元立体空间无限分割，对叶轮流道内的各工作点分析，建立完整、真实的叶轮内流动数学模型，准确的分析叶轮流道情况。该方法反映流体的流场、压力分布，也最接近实际[3]。通过模拟流体流动的实际情况，修整扇叶和盖板的曲率和斜率，调整出最佳的叶轮结构，使流体在叶轮中实现三元流动，从而更好的满足工况要求，提升流动效率，降低能量损失，节能率可达到5%～20%。

与传统加工方法不同，在该叶轮加工过程中，为了实现高精度修复，使用冷焊接技术进行修复补全。该方法可有效避免传统焊接所产生的热变问题，实现测试数据与实际情况的成功转化。

第四步：为水泵内腔喷涂陶瓷涂层材料，利用其固有的超疏水性和耐磨特性，提升并持续保持水泵节能效果，同时延长零部件的使用寿命。

常见的通过减少水利损失，降低水泵能耗的方法对比见表3。

表3 减少水利损失降低水泵能耗的方法对比

该改造所使用的HP2011 Cer-Clide超滑疏水陶瓷涂层，具有“超疏水性”，有效克服了流体的“粘滞性”特性，使泵输送的液体在泵内流动时，降低水力、容积和机械损失，具体特性参数见表4。

表4 特性参数测试结果

碳化硅陶瓷涂层内不含水及有机溶液，配合BTS专利型喷涂系统，智能控制涂层厚度和形状，为水泵内壁提供紧密保护层。涂层中不会产生气泡，进而避免了针孔腐蚀及层下腐蚀，保证在一定程度的流体冲刷、腐蚀等工况下不会发生脱落现象。通过材料的疏水性和抗磨损特性提升并持续保持水泵效率，同时利用其牺牲保护特性，可延长零件使用寿命。

（3）针对2#和7#水泵本体进行节能改造，设备外观变化仅为涂镀于水泵内腔的碳化硅陶瓷涂层。

2.2 测量方法

改造前，在两条出水管线上分别安装两台流量计，用以改造前后数据的计量。

由于供应水量处于持续波动状态，瞬时测量法可能存在较大误差，因此采用区间测量法。通过连续测量一定周期内累计电量、累计流量，计算单位水量耗电量。该方法可有效反映节能率，避免水量波动、测量周期时长等干扰因素引起的误差。

通过对比改造前后的单位水量耗电量，得到改造节能率。

3 项目节能量测算

3.1 项目节能量测算的依据和基础数据

测算依据：2#和7#水泵节能改造前耗能为电能，单位耗能具体体现为水泵配用电机送水时所消耗的用电度数及度电/吨水（kw·h/t）。

通过对水泵本体技术改造提高水泵运行效率，在保证水泵输出流量和压力不变的情况下，降低水泵配用电机的功率，降低水泵耗电量10%以上。

3.2 改造前后数据记录

改造前测量周期从2021年9月23日16时至2021年10月9日8时，具体数据详见表5。改造后测量周期从2021年12月8日8时至2021年12月23日8时，具体数据详见表6。

表5 改造前监测数据

表6 改造后监测数据

3.3 节能率计算

根据改造前后实际数据测量结果，吨水电耗从0.097 84下降到0.087 59，根据节能率计算公式可以得出：

节能率＝（改造前单耗-改造后单耗）/改造前单耗×100%＝

（0.097 84-0.087 59）/0.097 84×100%＝10.47%

由此可见，改造达到降低水泵耗电量10%以上的节能目标。

3.4 节能减排收益计算

1）节能效益：

改造后水泵年节约用电：

630×2×8 600×10.47%＝1 134 529.2 kw·h

2）减排效益：

标准煤与电能的换算：

1 134 529.2 kw·h×0.000 27 t标准煤/kw·h＝306.32 t标准煤

CO2与电能的换算：

1 134 529.2 kw·h×0.000 592 t CO2/kw·h＝671.64 tCO2

此次改造为我公司节约标煤306.32 t/a、减少二氧化碳排放671.64 t/a。

3）经济效益：

按照运行电费0.7元/kw·h进行计算，可节约电费：

1 134 529.2×0.7＝79.42万元/a。

3.5 实际节能效果展示

经过4个月常规运行，2#泵及7#泵耗能量明显下降，详见表7。

表7 水泵年均单位电耗变化 kw·h/m3

由于1-4月为低水位期，单位水耗电已发生明显下降，曲线对比如图2所示。

图2 2#及7#泵改造前后月度电量单耗曲线对比

6 结论

取水泵站2#、7#泵组的改造达到了预期的节能效果。三元流叶轮与碳化硅陶瓷涂层技术相结合后取得的节能效果明显，该节能技术的优势已得到充分体现。

（1）该项技术是针对水泵本体进行改造，在不改变电机、泵体、泵轴、管线等设备设施的情况下进行，工期短、影响范围小、改造方便、易实施，实用性强。

（2）三元流叶轮技术实用性和灵活性强，应用前景好。供排水行业水泵运行普遍存在水泵设计工况与实际工况不吻合的情况，使水泵无法高效运行，造成能源浪费。三元流叶轮模型搭配冷焊技术应用，通过修整扇叶和盖板的曲率等工艺流程对水泵叶轮进行设计优化，使泵叶轮输水效率提高是该项水泵节能技术的创新之处。

（3）专利型碳化硅陶瓷涂层技术可有效降低流体阻力损失，长周期提升水泵运行效率，同时增强水泵抗耐磨性。

（4）一般情况下改造后叶轮槽道更宽，水流速减小，且内壁进行了涂层处理，可避免气蚀或减缓气蚀现象发生。

（5）三元流叶轮及碳化硅陶瓷涂层相结合的节能技术降低水泵能耗效果显著。