泵系統能耗評估與節能建議的探討

吳玉珍，胡承煒，陳乃鏑

（北京航天動力研究所，北京 100076）

主題詞：泵系統；能耗評估；系統高效運行；節能建議

2021 年4 月“泵系統能耗評估”[1]國家標準頒布，并于2021 年11 月實施。該標準適用于工業、公共機構、商業和市政設施中電驅動、汽輪機或發動機驅動的開式或閉式泵系統。泵系統評估的目標是確定在用系統的當前能耗，并找出提高系統效率的方法。標準以示例的形式，從分析造成系統能耗過大的原因入手，在技術和管理兩方面給出了保證泵系統高效運行的一般性建議和針對性措施。該標準為泵系統能耗評估、泵系統節能降耗提供了技術保障，對促進“雙碳”目標的實現具有積極意義。

泵是能耗最大的設備之一。機泵產品每年的耗電量占總發電量的20%[2]，在火力發電裝置中，鍋爐給水泵的電力消耗占電廠用電的30%以上[3-4]；在石油化工裝置中，約70%的電耗由機泵產生；為此國家強制標準“清水離心泵能效限定值及節能評價值”[5]，率先對清水離心泵能效進行了限制。在泵的實際使用過程中，由于工藝和裝置需求多種多樣，泵的運行狀態可能隨時間、季節、生產需求等條件變化；在LNG 接收站、PTA 漿料輸送、鍋爐給水系統，往往存在多臺泵并聯運行情況；泵的驅動方式也多種多樣，包括電動機、汽輪機、液力透平、液力透平+電動機等多種動力驅動，其中以電機驅動最多；泵系統運行參數的調節也有多種模式，包括電機調頻、泵出口部分回流、泵出口調節閥調節、多泵并聯時部分泵調節或停部分泵等。造成泵能耗高的原因除涉及泵本體外，還與泵輸送系統流阻、工作運行條件等多方面有關，要實現高效運行必須根據裝置的具體配置、運行條件、驅動方式等，從系統的角度進行定性和定量的能耗評估，并在能耗評估基礎上給出改進方案，實現系統節能、降低碳排放目標。為此“十三五”期間國家投入經費，從基礎理論、結構和水力設計、工程應用等方面，開展泵及泵系統節能技術研究，希望降低能耗2% ～ 10%以上。

1 系統能耗評估過程簡介

泵的作用是實現流體輸送或壓力能的提升，有開式和閉式兩種運行方式。開式運行系統是將不可壓縮流體從A 地輸送到B 地，B 地靜壓力可以與A地相同、也可以高于A 地，即實現輸送的同時伴有靜壓力提升；閉式循環系統是泵將不可壓縮流體從A地泵出后又回到A 地的過程。無論是上面的哪種情況，構成完整系統的設備除泵外，還包括驅動機、管道、閥門、容器（或減壓設備等其他類型設備）等，如圖1 所示。

圖1 泵系統構成示意圖Fig.1 Schematic diagram of pump systems

系統能耗評估就是針對泵所處系統、驅動和運行方式進行的定性和定量評估，分為三個等級，評估等級的確定和各級評估應收集的數據包括泵基本參數、運行參數等，詳見文獻 [1]的表1 和表2。

評估應逐級進行，一級評估是定性評估，其中包含可能的定量元素，通過評估確定系統大幅節能的潛在可能性，并識別出應進入更高級別評估的特定系統；二級評估是定量評估，通過測量單個穩定工況點的相關參數，確定系統能耗水平和潛在節能量；三級評估也是定量評估，通過對系統進行足夠長時間跨度的連續檢測，得到系統內在不同工況點的參數，確定系統在變工況條件下的能耗需求。

1.1 一級評估

一級評估過程是盡量收集數據和客觀信息，并完成以下工作：

按驅動裝置大小、年運行時間及預估的能源成本進行分類；

重點關注以固定轉速運行的離心泵；

重點關注用節流裝置或回流裝置控制流量的泵系統；

找出造成能源浪費的現象，如系統供需嚴重不符、通過調節閥或旁通回流的情況；

查看運行記錄和調研分析辨識低效運行的泵系統；

篩選出最具節能潛力的系統以便進行后續評估。

1.2 二級評估

二級評估前，應首先確認當前所觀測到的運行狀態能夠代表系統的實際狀態，系統的運行狀態應變化很小或無變化。二級評估應從一級評估過程中所獲得的數據入手，并可輔以現場測量數據；在進行現場測量時，應使流量、揚程（壓力）、功率（動力消耗）等多種數據盡量在同一時刻獲得。

1.3 三級評估

三級評估針對工況條件隨時間發生變化顯著或頻繁的泵系統。對于這類系統，評估數據應是在一定時間段內的系統運行數據，極端工況運行數據；如進行現場測量，應包括設計點、正常條件、額定與最大和最小流量工況運行條件。

在評估過程中，除關注上述過程的正常系統外，還需關注非正常信息，如振動、汽蝕、泄漏、異常故障等。

評估是對泵系統展開，因此還需關注驅動設備、閥門、管道等其他元件的情況。

2 系統高效運行和節能建議

2.1 標準推薦的系統高效運行建議

2.1.1 系統高效運行的一般性建議

圖2 為泵性能曲線和可靠性曲線示意圖。在圖2A 的泵性能曲線中，兩方框點之間為推薦運行范圍，在推薦運行范圍內，泵效率較高；兩圓點間為最大允許運行范圍，超出該范圍泵將出現振動加大、發熱、汽蝕等問題。圖2B 為泵的可靠性曲線示意圖，在最佳效率點附近，泵的平均故障間隔時間最長，偏離最佳效率點時，泵的平均故障間隔時間快速下降，當偏差在-20% BEP 和+10% BEP 時，平均故障間隔時間降低50%。

圖2 泵性能曲線和可靠性曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of pump performance curve and reliability curve

因此，應盡量保證泵的運行特性與載荷特性和系統阻力特性相匹配，使泵的運行點盡量落在最佳效率點附近；當系統參數變化時，泵應盡量維持在優先工作區域內，不可超出允許工作范圍運行。

對大功率、長周期運行的泵系統，宜定期測量運行工況點的流量、揚程、功率，確定泵的運行效率，從而保證系統高效運行。

2.1.2 保證經濟運行的系統管理建議

泵驅動機：在運行工況下，盡量使驅動機在高效率范圍內工作。對普通電動機，其載荷宜在50% ～ 100%范圍內；對高效電機，其載荷不應超出35% ～ 100%范圍。其他類型的驅動機，載荷不應超出設備允許的運行范圍。

泵系統管道：在保證液體中的懸浮物能順利輸送的情況下，宜盡量降低流速，即相應地適當增加管道直徑，降低管道阻力能耗，例如在紊流區，管徑增加10%可減少40%損耗；盡量減少管道彎頭數量、增大轉彎半徑、降低管道內表面粗糙度，從而降低阻力損耗；管道應盡量避免突然變徑，可能的情況下采用擴散管；儲罐的安裝位置宜盡量減少高度差，在滿足需求的情況下靜壓力盡量小。

系統管理：宜使用高效系統部件，并保持系統高效運行；當系統在部分載荷下長時間運行或要求改變較大時，宜采用合理措施保證系統在所有工況下均可高效運行。

2.2 泵系統能耗分析與改進措施

以回轉動力（速度型）泵為研究對象，分析討論造成泵系統能耗過大原因、并給出改進措施。

2.2.1 泵系統能耗分析

正如前面的分析，泵系統的構成包括多種（個）設備，其過多能耗的產生也涉及多方面原因。當實際運行條件與設計狀態不符，或采購設備狀態與運行最佳狀態不一致，實際運行工況調整等，都會造成能量的損耗。

從泵的基本參數看，泵的能耗可用下列公式表示：

式中Nr——泵輸入功率（或稱為軸功率）；

ρ——泵輸送液體的密度；

Q——泵的流量；

H——泵的揚程；

η——泵的效率。

式中Nz——泵實際消耗的總能量；

η1——傳動機構的效率；

通過兩式可以看出，泵的總能耗與流量、揚程、介質密度有關，還與泵自身效率、傳動效率、驅動機效率有關。降低能量消耗的辦法是盡可能降低泵運行時的流量、揚程，提高泵、傳動機構和驅動機效率。

泵的實際運行點由泵所處系統特性決定。圖3中1 和2 是不同流阻特性曲線，11、22 分別對應1和2 有靜壓需求時的流阻特性曲線；P1、P2點P11、P22為泵的實際運行工作點，是系統流阻曲線1、2、11、22 與泵性能曲線的交點。從圖中可以看出，當泵系統需要靜壓升時，對相同的管線系統，流阻特性基本相同（只是上移靜壓值），此時泵的工作點揚程增加、流量降低；當泵系統流阻較大時，對同一臺泵，泵系統的輸送能力減少，泵的運行點揚程增加，如圖3 中從P1或P11點，移動到P2或P22點。

圖3 泵性能曲線與工作點Fig.3 Pump performance curve and operating points

2.2.2 提高泵系統效率改進措施

減少泵系統水頭損失：取消或減少不必要的節流和/或再循環流動；清洗淤塞的管道或設備，清除管道和流程部件的積垢；隔離或拆除不需要的設備；保持管路高位液流和高位排氣，避免管路與接收設備之間存在氣隙。

減少泵系統流量損失：保持泵系統中設備的運行效率，減少對流量需求，例如熱交換器效率；隔離不必要的泵再循環、最小流量閥、有泄漏的閥門等；在保證生產需要的前提下，降低系統流量；在系統不需要流量時關閉泵、盡量不采取回流的方式。

改變泵系統運行時間：對于提升系統、多泵并聯運行系統、采用回流而不是關泵的系統、泵運行流量大于系統實際需求流量的系統等，可以通過改變運行時間的方法實現系統節能。如圖1 中閉式系統或開式系統高壓容器與低壓容器內靜壓力相同時，泵運行以克服系統阻力為主（如圖3 中的1 號和2 號曲線所代表的系統），如果降低泵系統的流量，管道內介質流速降低、系統流阻降低，所需泵的揚程降低、泵功率消耗降低；但要達到同樣的總流量輸送效果，運行時間需增加，所以可以對比運行時間和流量的整體效果進行評價，從而調整運行時間。對于可以間斷運行的系統，可以采用峰谷電價時間調整運行時間；對多泵運行系統，可以通過對比系統需求流量變化改變投入運行的泵數量或改變泵運行轉速等。

總而言之，初中語文語言教學是教師和學生之間傳遞信息的橋梁。在新課程改革下，教學語言的學習對于語文學科是相當重要的，同時也是初中語文教學中不能缺少的重要部分。教師和學生的交流主要是靠語言，這對于教師而言是一個挑戰。因此，教師應該不斷加強自身的學習，配合學生的實際情況，當然，學生也要配合教師的教學。相信在教師和學生的共同努力下，能真正實現初中語文課堂教學的本質。

保證泵系統各部件運行在高效率范圍：盡量使構成泵系統的各部件運行在其各自高效范圍內，例如使電機運行在性能曲線平坦區，泵運行在最佳效率點附近。

2.2.3 節能計算案例

泵系統確定后，系統運行過程的能耗除應考慮泵、驅動系統外，還應考慮輔助系統能耗，如密封沖洗系統、潤滑冷卻系統等，因此泵系統的總能耗和節能降耗評估應包括所有部分。為突出重點，本文暫不考慮輔助系統的節能措施和節能貢獻，僅給出離心泵單臺運行節能計算案例，簡單介紹多臺泵并聯運行系統和節能方案。

2.2.3.1 評估基本步驟

第一步是確定泵系統的運行參數：泵系統實際運行參數是節能計算的基礎，因此應明確構成泵系統的各部件運行參數、額定參數；

第二步是根據泵系統運行參數、終端需求參數、泵和各部件特性參數，確定可能的節能方案；

第三步是計算各方案條件下系統的能量消耗，確定節能效果；

第四步是在計算和分析基礎上確定最佳的節能方案。應注意最佳方案未必是節能最多的方案，需要考慮實際需求、實施的便捷性、節能和投入的平衡等。

2.2.3.2 單臺離心泵運行節能計算

圖4 為單臺離心泵系統，由低位容器、高位容器、泵、回流管線和回流閥（減壓閥）、主路管線和流量調節閥、以及壓力傳感器和液位傳感器等組成；泵由電動機驅動。泵將低位容器內的水輸送到高位容器內，泵出口壓力通過回流閥保持恒定；進入高位容器的主管路流量通過液位傳感器控制閥門開度進行調節，從而實現高位容器的液位恒定，系統壓差為4.5 bar[1]。

圖4 單臺離心泵系統Fig.4 Single Centrifugal Pump System

確定泵系統運行參數測量數據如表1 所示。

表1 泵運行參數Table 1 Pump operating parameters

計算能耗和運行成本：

根據式（2），計算得到電機消耗功率為78/0.94 =82.9 kW；

年運行成本為Y= 0.6×6 132×82.9 = 305 005（元）

確定可能的節能方案

（1）確定實際需求

根據測量數據可知，系統實際流量340 m3/h，可通過將110 m3/h 的回流量適當減少實現節能。

（2）確定可能的方案

① 所有部件不變，僅改變泵的運行點

根據已知的泵曲線，當泵在340 m3/h 流量點運行時，泵的揚程為48.7 m、效率66%。

計算的電機輸入功率為77.3 kW（電機效率94%）；年運行成本Y1= 284 400（元）

② 改變葉輪直徑

由于泵運行流量降低，系統流阻降低。在不考慮管道流阻情況下，根據調節閥特性其壓力降由1.75 bar 減少到1 bar，泵工作點揚程可以降低為41.3 m。根據泵葉輪切割特性，該點效率為65%。計算電機輸入功率63.5 kW（電機效率94%），年運行成本為Y2= 233 580（元）。

③ 采用變頻器驅動現有泵，系統所有部件不變

降低泵運行轉速，使流量達到340 m3/h，此時泵揚程為37.9 m、效率66%。計算泵總的功率消耗（含電機效率94%、變頻器效率95%）為59.5 kW，年運行成本為Y3= 218 940（元）。

④ 根據實際需求選擇新泵

泵流量340 m3/h、揚程41.9 m、效率84%，電機效率94%。計算的電機輸入功率49.1 kW，年運行成本Y4= 180 660（元）

（3）對比分析

根據上述方案，避免回流是必要措施。在此基礎上采用與需求系統相適應的新泵節能效果最好；采用變頻器驅動的效果次之，此時還應評估在流量滿足情況下，揚程是否足夠的問題；切割葉輪是比較經濟有效的方案。最后采取哪種方案，需要根據一次性投入和運行成本的綜合評估。

2.2.3.3 離心泵多臺并聯運行系統簡介

隨著工業裝置大型化、城市規模大型化，離心泵多臺并聯運行系統在工業和市政工程中已經成為一種常見的現象。在電力行業鍋爐給水系統多采用2臺泵并聯運行方式[3]；在抽水蓄能系統和二次供水系統，存在多臺離心泵或不同轉速泵并聯的情況[6]；在LNG 接收站和大型PTA 裝置中，往往存在4 ～ 8 臺泵并聯運行的情況[7-8]。

圖5 為多臺泵并聯運行系統圖。在多泵并聯系統中，一般取完全相同的泵并聯運行，也可以根據使用需要，采取大流量泵與小流量泵并聯、可調轉速泵與固定轉速泵并聯，無論采取哪種組合運行，最好每臺泵的運行工作點在該泵的最佳效率附近，或至少在推薦的運行流量范圍內。

圖5 多臺泵并聯運行系統示意Fig.5 Schematic diagram of parallel operation system of multiple pumps

圖6 給出了三臺相同性能的泵并聯運行的曲線圖，圖中A點為單臺泵高效運行最小流量點，B點為單泵高效運行最大流量點，A-B為單泵高效運行范圍；C、D點為兩臺泵和三臺泵并聯高效運行的最大流量點。在并聯運行時，即使是相同泵、相同吸入條件和運行轉速下，每臺泵運行的流量點也可能不同，但單臺泵與多臺泵并聯運行的關死點揚程相同、運行點的揚程相同（如A、B、C、D點）。

圖6 三泵并聯運行性能曲線示意圖Fig.6 Schematic diagram of performance curve of parallel operation of three pumps

并聯運行泵系統的運行曲線與單臺泵的運行曲線有相當大的區別，兩臺泵并聯的運行流量是相同揚程下每臺泵流量和；多臺泵并聯運行時總流量是運行揚程下每臺泵的流量總和。

根據圖5 可知，構成并聯運行系統，每臺泵入口、出口都會設置調節閥和單向閥。由于零件制造偏差，同一批泵，很難保持每臺泵自身的性能完全相同；在同一個并聯泵系統，運行時各泵間可能存在揚程或閥門開度的差異。這是由于泵的流量-揚程、流量-汽蝕性能的微小差異，以及布置上的差別，導致并聯系統在相同的入口條件下，抽吸能力不同，表現在揚程相同時泵的流量不同；當采用控制閥調節流量時，完全相同的兩臺泵在相同流量下，每臺泵所對應的管道系統特性不同，表現在調節閥開度有較大差異[3，9]。由于多臺離心泵并聯運行相對單臺泵存在的問題比較多，因此廣受關注。多臺泵并聯運行系統的能耗評估比較復雜，節能方案應考慮多方面因素。

2.2.3.4 離心泵多臺并聯運行節能探討

根據前面的分析，多泵并聯系統運行場景較多且復雜，需要根據系統配置和泵特性考慮可實現的節能方案。

（1）多泵并聯運行時，應盡量保證每臺泵均運行在最佳效率點附近；

（2）對供水系統或有流量峰值需求運行的系統，并聯運行過程中需要調節流量，可以采用大泵與小泵匹配，先對小泵進行調節直至關閉小泵，再對大泵進行調節直至切換到小泵啟動；或采取定轉速泵與可調轉速泵匹配，通過可調轉速泵實現流量調節，盡量減少或避免調節閥改變流阻特性的方法；

（3）對工業裝置多臺并聯運行系統，盡量采取相同泵，并保證運行過程中各泵運行在高效率范圍內；需要調節的流量范圍較大時，可采取關閉一臺或多臺泵的方式，減少或避免回流或通過節流閥改變系統流阻特性的調節方式[10-11]；

（4）對有條件的工業裝置，可采取電機驅動與汽輪機或液力透平驅動泵組合方式，汽輪機（膨脹機）和液力透平可以實現工業裝置熱能和壓力能的回收，另一方面通過電力驅動泵保證系統的穩定運行；

（5）從泵自身角度，提高泵的性能及能量轉換效率，保持泵具有較寬的高效運行范圍；從系統配置角度，在保持系統安全性和功能性基礎上，降低系統管線流阻和靜壓力需求，從而減少對泵揚程的需要。

3 結論

本文介紹了泵系統能耗評估過程，從技術和管理兩方面給出了單臺和多臺離心泵并聯運行系統節能建議；以單臺運行離心泵系統為例，介紹了泵系統能耗計算方法，高效節能運行途徑及節能效果。

泵作為工業和市政工程中流體輸送的關鍵設備，在工程設計中各環節多從工藝角度考慮，對流量或揚程層層加碼，導致泵系統運行過程中存在較大的能量浪費。文獻 [1]從系統角度提出了能耗評估和節能改進方法，對提高能源利用效率、降低碳排放具有積極的推動作用。