循環(huán)水泵的節(jié)能技術(shù)與應(yīng)用
作者： 2015年09月07日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 瀏覽量：
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目前我國的水泵運行效率總體偏低，水泵的給定效率多數(shù)比發(fā)達國家產(chǎn)品低5-10%，實際使用效率比發(fā)達國家低10-30%，能耗浪費嚴重，運行效率有較大的提升空間。但提高水泵的能源利用效率仍然面臨嚴重挑戰(zhàn)。
隨著中國加入WTO，以及對PM2.5指數(shù)的發(fā)布，節(jié)能環(huán)保逐漸成為一個企業(yè)的重要議題，在生活中，作為社會的每一個人，無時無刻不在感受著能源技術(shù)的發(fā)展給生活的每個層面所帶來的變化，但是能源的不斷消耗，如何以更低的能源消耗，來支持經(jīng)濟的發(fā)展成為了一個能源管理的重要任務(wù)。
根據(jù)通用機械工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，水泵耗電量占我國發(fā)電量的20%左右，水泵已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會發(fā)展的各個領(lǐng)域，成為能耗大戶之一。水泵作為工業(yè)流體輸送的核心設(shè)備，占據(jù)著耗能的主要部分，已經(jīng)成為節(jié)能工作首先需要解決的問題。因此，水泵行業(yè)的節(jié)能勢在必行，水泵運行效率的提升對于節(jié)能減排有著重大影響。
目前我國的水泵運行效率總體偏低，水泵的給定效率多數(shù)比發(fā)達國家產(chǎn)品低5-10%，實際使用效率比發(fā)達國家低10-30%，能耗浪費嚴重，運行效率有較大的提升空間。但提高水泵的能源利用效率仍然面臨嚴重挑戰(zhàn)。
1）對水泵的節(jié)能問題認識不足，影響水泵的節(jié)能效果。一是水泵的制造單位注重追求企業(yè)的經(jīng)濟效益，對節(jié)能工作積極性不高，并擁有較大的市場。二是水泵使用單位不關(guān)心水泵的節(jié)能技術(shù)指標，只是關(guān)心產(chǎn)品能否滿足使用要求，價格是否低廉。為了保險起見，使用單位往往選用流量和揚程余量過大的水泵，大馬拉小車，致使水泵不能在高效區(qū)運轉(zhuǎn)，實際運行效率遠遠低于水泵的最高效率。三是傳統(tǒng)的節(jié)能概念主要是提高水泵的效率指標，實際上水泵的節(jié)能內(nèi)容還包括水泵性能的持久性，延長水泵的大修期、維修比和壽命，水泵的節(jié)材，提高水泵的系統(tǒng)效率，減少水泵對環(huán)境的污染等。
2）目前國內(nèi)水泵設(shè)計單位采用的水泵設(shè)計方法主要是過去傳統(tǒng)的速度系數(shù)法和模型換算法，這些方法建立在已有設(shè)備設(shè)計的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，在效率方面超過已有水平的可能性不大。
3）科研開發(fā)投入不足，科研與生產(chǎn)缺乏有機的結(jié)合，相當一部分水泵制造廠缺乏科研手段，而研究手段和人才齊備的科研單位和高校的科研成果又缺乏產(chǎn)品化的渠道。
4）生產(chǎn)工藝落后，型線誤差大，過流表面粗糙。目前我國水泵大多采用木模整體鑄造。由于中、高比轉(zhuǎn)速離心泵葉片扭曲，造型起模困難，造型誤差較大。
5）水泵的使用條件比較復(fù)雜，需要水泵具備各種性能，例如水泵的水力性能技術(shù)指標、水泵的材料、密封性能、可靠性、總體結(jié)構(gòu)以及耐高溫性能等。有些性能又是不便于試驗室檢測的，即使能夠檢測，費用也特別昂貴，而這些性能又與水泵系統(tǒng)節(jié)能有著重要聯(lián)系，這種復(fù)雜性嚴重影響節(jié)能工作的進一步發(fā)展。
6）現(xiàn)階段我國對節(jié)能泵產(chǎn)品的生產(chǎn)還沒有太多的優(yōu)惠政策，高效節(jié)能泵產(chǎn)品價格偏高，缺乏使用市場。
根據(jù)全國第三次工業(yè)普查公布的統(tǒng)計數(shù)字，我國水泵的總裝機容量約為1000萬Kw，在國民經(jīng)濟中占比很大，節(jié)能潛力很大。我國泵的用電量約占全國用電量的20.9%。和國外相比，我國沒有改造的泵類產(chǎn)品的效率平均比國外低3-5%，而整個系統(tǒng)的效率同比低20%左右，所以存在非常大的節(jié)能潛力。國內(nèi)大量研究和成功的案例表明，應(yīng)用系統(tǒng)方法，在對系統(tǒng)進行全面測試分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用最合適的手段對泵系統(tǒng)進行優(yōu)化，可以達到30-50%的節(jié)能效果。由此可見，我國的泵系統(tǒng)節(jié)能市場空間巨大，有很大的開發(fā)潛力。
目前，國內(nèi)主要的水泵節(jié)能主要有以下幾種節(jié)能技術(shù)：切割葉輪、變頻技術(shù)、三元流技術(shù)和專用節(jié)能泵，下面我們來分析一下這幾種節(jié)能技術(shù)的特點。
①、切割葉輪節(jié)能
眾所周知，在離心式水泵的構(gòu)造中，決定水量大小和揚程高低的一個重要部件就是葉輪。其工作原理是高速旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動其內(nèi)部的液體旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生離心力。我們在初中物理課上就學過，決定離心力大小的一個重要因素是旋轉(zhuǎn)半徑，從這我們就可以看出，一旦一個離心泵的葉輪被切割，也就是將葉輪的直徑變小，那么該葉輪的內(nèi)部的液體的離心力肯定會變小，其后果只能是造成水泵的流量、揚程等參數(shù)下降，可能對安全生產(chǎn)造成隱患。
②、變頻節(jié)能技術(shù)
變頻的主要工作原理是依靠變頻改變水泵驅(qū)動電機的頻率，降低電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)節(jié)能的效果，其主要應(yīng)用的范圍是：①該電機的負荷隨生產(chǎn)工況的需要呈現(xiàn)周期性的變化，在這種工況下，當生產(chǎn)負荷降低時，該電機的負荷也隨之降低，運用變頻技術(shù)就可以使該電機在此時的轉(zhuǎn)速降低，從而達到節(jié)能的效果，但若是在運行工況比較平穩(wěn)的系統(tǒng)中，變頻技術(shù)的節(jié)能率會明顯下降。②適應(yīng)于某些循環(huán)水系統(tǒng)因設(shè)計參數(shù)富余量較大的水泵，即所謂的“大馬拉小車”時，才有一定的效果，在這種工況下，依靠變頻改變泵電機的頻率，降低泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)整水泵Q、H值工況點，使水泵的實際流量值低于水泵的額定流量值，以此來達到節(jié)能的目的。
離心泵是以水力特性最佳條件下的比轉(zhuǎn)速作為相似準則進行設(shè)計的，每一種泵的流道水力模型的幾何尺寸必須與它的設(shè)計參數(shù)Q（流量）、H（揚程）、r/min（轉(zhuǎn)速）一一對應(yīng)才能產(chǎn)生水泵的最終效率。因此，泵葉輪水力模型及幾何尺寸不可能隨轉(zhuǎn)速改變而相應(yīng)改變，所以變頻調(diào)速使泵的額定轉(zhuǎn)速降低，隨之泵的輸出流量減小，泵的揚程降低，泵實際效率降低，并遠低于該泵原效率值。
當工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)選用的循環(huán)水泵的性能參數(shù)Q、H值富余量不大時，如果采用變頻調(diào)速將泵的實際參數(shù)Q、H值變小，可能會造成水泵流量減小值過大，系統(tǒng)冷卻水量不足，造成冷卻水系統(tǒng)水溫升高。
③三元流技術(shù)
三元流技術(shù)就是把葉輪內(nèi)部的三元立體空間無限地分割，通過對葉輪流道內(nèi)各工作點的分析，建立起完整、真實的葉輪內(nèi)流動的數(shù)學模型。
通過這一方法，對葉輪流道分析可以做得最準確，反映流體的流場、壓力分布也最接近實際。葉輪出口為射流和尾跡（漩渦）的流動特征，在設(shè)計計算中得以體現(xiàn)。因此，設(shè)計的葉輪也就能更好地滿足工況要求，效率顯著提高。但是，如果單純的將普通水泵的葉輪更換為三元流葉輪，其節(jié)能效果可能不能達到預(yù)期，因為在泵殼及其他部件都已經(jīng)定型的情況下，單獨的三元流葉輪不能改變整個水泵內(nèi)部所有的過流部件的水阻力和水損失。
④、節(jié)能專用水泵：
節(jié)能專用水泵專為各類型循環(huán)水系統(tǒng)量身定做，其綜合利用各項技術(shù)，將虹吸原理、三元流技術(shù)及技術(shù)專利完美的結(jié)合在一起，并將節(jié)能專用水泵從設(shè)計、開模、鑄造、加工全過程把關(guān)控制，使其設(shè)計合理、開模符合設(shè)計要求，再應(yīng)用先進的鑄造工藝，減少鑄造誤差，最終通過精心加工、打磨，使最終的產(chǎn)品與設(shè)計理念相吻合，達到最佳狀態(tài)。
流體在節(jié)能專用水泵內(nèi)部循環(huán)時，可呈現(xiàn)相對規(guī)則的流動狀態(tài)，減小進口沖擊、出口尾跡脫流等損失，極大的避免了紊流的出現(xiàn)，減少了普通泵單通道水力模型設(shè)計中流體的撞擊和脫流，并且避免水在葉片之間形成回流，使水在葉輪間的流動更接近設(shè)計狀態(tài)，提高了水泵流量，減少了無用功，，降低了能耗，提高了水泵效率。運用這種技術(shù)的水泵可以在流量不發(fā)生任何改變的情況下使水泵的有效軸功率顯著減小，而且完全滿足工業(yè)系統(tǒng)滿負荷運行工況，不會使冷卻水系統(tǒng)的水溫升高，具有高效率，不改變系統(tǒng)的運行參數(shù)，對正常的生產(chǎn)工作沒有任何影響。
根據(jù)通用機械工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，水泵耗電量占我國發(fā)電量的20%左右，水泵已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會發(fā)展的各個領(lǐng)域，成為能耗大戶之一。水泵作為工業(yè)流體輸送的核心設(shè)備，占據(jù)著耗能的主要部分，已經(jīng)成為節(jié)能工作首先需要解決的問題。因此，水泵行業(yè)的節(jié)能勢在必行，水泵運行效率的提升對于節(jié)能減排有著重大影響。
目前我國的水泵運行效率總體偏低，水泵的給定效率多數(shù)比發(fā)達國家產(chǎn)品低5-10%，實際使用效率比發(fā)達國家低10-30%，能耗浪費嚴重，運行效率有較大的提升空間。但提高水泵的能源利用效率仍然面臨嚴重挑戰(zhàn)。
1）對水泵的節(jié)能問題認識不足，影響水泵的節(jié)能效果。一是水泵的制造單位注重追求企業(yè)的經(jīng)濟效益，對節(jié)能工作積極性不高，并擁有較大的市場。二是水泵使用單位不關(guān)心水泵的節(jié)能技術(shù)指標，只是關(guān)心產(chǎn)品能否滿足使用要求，價格是否低廉。為了保險起見，使用單位往往選用流量和揚程余量過大的水泵，大馬拉小車，致使水泵不能在高效區(qū)運轉(zhuǎn)，實際運行效率遠遠低于水泵的最高效率。三是傳統(tǒng)的節(jié)能概念主要是提高水泵的效率指標，實際上水泵的節(jié)能內(nèi)容還包括水泵性能的持久性，延長水泵的大修期、維修比和壽命，水泵的節(jié)材，提高水泵的系統(tǒng)效率，減少水泵對環(huán)境的污染等。
2）目前國內(nèi)水泵設(shè)計單位采用的水泵設(shè)計方法主要是過去傳統(tǒng)的速度系數(shù)法和模型換算法，這些方法建立在已有設(shè)備設(shè)計的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，在效率方面超過已有水平的可能性不大。
3）科研開發(fā)投入不足，科研與生產(chǎn)缺乏有機的結(jié)合，相當一部分水泵制造廠缺乏科研手段，而研究手段和人才齊備的科研單位和高校的科研成果又缺乏產(chǎn)品化的渠道。
4）生產(chǎn)工藝落后，型線誤差大，過流表面粗糙。目前我國水泵大多采用木模整體鑄造。由于中、高比轉(zhuǎn)速離心泵葉片扭曲，造型起模困難，造型誤差較大。
5）水泵的使用條件比較復(fù)雜，需要水泵具備各種性能，例如水泵的水力性能技術(shù)指標、水泵的材料、密封性能、可靠性、總體結(jié)構(gòu)以及耐高溫性能等。有些性能又是不便于試驗室檢測的，即使能夠檢測，費用也特別昂貴，而這些性能又與水泵系統(tǒng)節(jié)能有著重要聯(lián)系，這種復(fù)雜性嚴重影響節(jié)能工作的進一步發(fā)展。
6）現(xiàn)階段我國對節(jié)能泵產(chǎn)品的生產(chǎn)還沒有太多的優(yōu)惠政策，高效節(jié)能泵產(chǎn)品價格偏高，缺乏使用市場。
根據(jù)全國第三次工業(yè)普查公布的統(tǒng)計數(shù)字，我國水泵的總裝機容量約為1000萬Kw，在國民經(jīng)濟中占比很大，節(jié)能潛力很大。我國泵的用電量約占全國用電量的20.9%。和國外相比，我國沒有改造的泵類產(chǎn)品的效率平均比國外低3-5%，而整個系統(tǒng)的效率同比低20%左右，所以存在非常大的節(jié)能潛力。國內(nèi)大量研究和成功的案例表明，應(yīng)用系統(tǒng)方法，在對系統(tǒng)進行全面測試分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用最合適的手段對泵系統(tǒng)進行優(yōu)化，可以達到30-50%的節(jié)能效果。由此可見，我國的泵系統(tǒng)節(jié)能市場空間巨大，有很大的開發(fā)潛力。
目前，國內(nèi)主要的水泵節(jié)能主要有以下幾種節(jié)能技術(shù)：切割葉輪、變頻技術(shù)、三元流技術(shù)和專用節(jié)能泵，下面我們來分析一下這幾種節(jié)能技術(shù)的特點。
①、切割葉輪節(jié)能
眾所周知，在離心式水泵的構(gòu)造中，決定水量大小和揚程高低的一個重要部件就是葉輪。其工作原理是高速旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動其內(nèi)部的液體旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生離心力。我們在初中物理課上就學過，決定離心力大小的一個重要因素是旋轉(zhuǎn)半徑，從這我們就可以看出，一旦一個離心泵的葉輪被切割，也就是將葉輪的直徑變小，那么該葉輪的內(nèi)部的液體的離心力肯定會變小，其后果只能是造成水泵的流量、揚程等參數(shù)下降，可能對安全生產(chǎn)造成隱患。
②、變頻節(jié)能技術(shù)
變頻的主要工作原理是依靠變頻改變水泵驅(qū)動電機的頻率，降低電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)節(jié)能的效果，其主要應(yīng)用的范圍是：①該電機的負荷隨生產(chǎn)工況的需要呈現(xiàn)周期性的變化，在這種工況下，當生產(chǎn)負荷降低時，該電機的負荷也隨之降低，運用變頻技術(shù)就可以使該電機在此時的轉(zhuǎn)速降低，從而達到節(jié)能的效果，但若是在運行工況比較平穩(wěn)的系統(tǒng)中，變頻技術(shù)的節(jié)能率會明顯下降。②適應(yīng)于某些循環(huán)水系統(tǒng)因設(shè)計參數(shù)富余量較大的水泵，即所謂的“大馬拉小車”時，才有一定的效果，在這種工況下，依靠變頻改變泵電機的頻率，降低泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)整水泵Q、H值工況點，使水泵的實際流量值低于水泵的額定流量值，以此來達到節(jié)能的目的。
離心泵是以水力特性最佳條件下的比轉(zhuǎn)速作為相似準則進行設(shè)計的，每一種泵的流道水力模型的幾何尺寸必須與它的設(shè)計參數(shù)Q（流量）、H（揚程）、r/min（轉(zhuǎn)速）一一對應(yīng)才能產(chǎn)生水泵的最終效率。因此，泵葉輪水力模型及幾何尺寸不可能隨轉(zhuǎn)速改變而相應(yīng)改變，所以變頻調(diào)速使泵的額定轉(zhuǎn)速降低，隨之泵的輸出流量減小，泵的揚程降低，泵實際效率降低，并遠低于該泵原效率值。
當工業(yè)循環(huán)水系統(tǒng)選用的循環(huán)水泵的性能參數(shù)Q、H值富余量不大時，如果采用變頻調(diào)速將泵的實際參數(shù)Q、H值變小，可能會造成水泵流量減小值過大，系統(tǒng)冷卻水量不足，造成冷卻水系統(tǒng)水溫升高。
③三元流技術(shù)
三元流技術(shù)就是把葉輪內(nèi)部的三元立體空間無限地分割，通過對葉輪流道內(nèi)各工作點的分析，建立起完整、真實的葉輪內(nèi)流動的數(shù)學模型。
通過這一方法，對葉輪流道分析可以做得最準確，反映流體的流場、壓力分布也最接近實際。葉輪出口為射流和尾跡（漩渦）的流動特征，在設(shè)計計算中得以體現(xiàn)。因此，設(shè)計的葉輪也就能更好地滿足工況要求，效率顯著提高。但是，如果單純的將普通水泵的葉輪更換為三元流葉輪，其節(jié)能效果可能不能達到預(yù)期，因為在泵殼及其他部件都已經(jīng)定型的情況下，單獨的三元流葉輪不能改變整個水泵內(nèi)部所有的過流部件的水阻力和水損失。
④、節(jié)能專用水泵：
節(jié)能專用水泵專為各類型循環(huán)水系統(tǒng)量身定做，其綜合利用各項技術(shù)，將虹吸原理、三元流技術(shù)及技術(shù)專利完美的結(jié)合在一起，并將節(jié)能專用水泵從設(shè)計、開模、鑄造、加工全過程把關(guān)控制，使其設(shè)計合理、開模符合設(shè)計要求，再應(yīng)用先進的鑄造工藝，減少鑄造誤差，最終通過精心加工、打磨，使最終的產(chǎn)品與設(shè)計理念相吻合，達到最佳狀態(tài)。
流體在節(jié)能專用水泵內(nèi)部循環(huán)時，可呈現(xiàn)相對規(guī)則的流動狀態(tài)，減小進口沖擊、出口尾跡脫流等損失，極大的避免了紊流的出現(xiàn)，減少了普通泵單通道水力模型設(shè)計中流體的撞擊和脫流，并且避免水在葉片之間形成回流，使水在葉輪間的流動更接近設(shè)計狀態(tài)，提高了水泵流量，減少了無用功，，降低了能耗，提高了水泵效率。運用這種技術(shù)的水泵可以在流量不發(fā)生任何改變的情況下使水泵的有效軸功率顯著減小，而且完全滿足工業(yè)系統(tǒng)滿負荷運行工況，不會使冷卻水系統(tǒng)的水溫升高，具有高效率，不改變系統(tǒng)的運行參數(shù)，對正常的生產(chǎn)工作沒有任何影響。
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