SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：我国水泵的实际使用效率总体比发达国家低10% ~30%，同时水泵在我国供水系统中的耗电量通常占到90% 以上，能耗浪费 严重，因此对系统中水泵的节能降耗研究尤为重要。从水泵优化选型、水泵科学调度和搭配、水泵叶轮改造技术、水泵调速技术和 水泵能量损耗降低技术5个方面概述了我国供水工程中水泵节能降耗技术的研究进展。分析表明，我国供水工程中水泵节能降耗技 术取得了快速的发展，同时也存在不足之处，尚需解决的主要问题有以下几点：( 1 ) 缺乏水泵节能方面理论性的研究;(2 ) 水泵 安装过程中的节能问题研究不足;(3 ) 水泵进行节能技术改造后实践运用效果的对比性分析不足。建议未来加强此类领域的研究 工作以推动我国供水工程中水泵节能降耗方面的研究进展。
关键词：供水,水泵,节能降耗
Research Progress of Water Pump Energy-saving and Consumption Reduction Technology in Water Supply Engineering in China
Du Wenzhong，Zhang Jin，Zhao Yongliang
( Hefei Water Supply Group Co.，Ltd.，Hefei 230011.China )
Abstract：The actual efficiency of water pump in China is 10% ~30% lower than that in developed countries.The power consumption of water pump in China′ s water supply system usually accounts for more than 90%，the energy consumption is seriously wasted. Therefore，it is particularly important to study the energy saving and consumption reduction about pumps.The research progress of pump energy-saving and consumption reduction in China′ s water supply projects was summarized from five aspects：optimal selection，scientific dispatching，impeller reconstruction technology，speed regulation technology and reduction of energy waste technology.The analysis showed that the technology of water pump energy saving and consumption reduction in China′s water supply projects had achieved rapid development，but there were also shortcomings，the main problems still needed to be solved were as follows：( 1 ) the theoretical research on water pump energy saving;( 2 ) research in the installation process of water pumps for energy saving;(3 ) The comparative analysis of practical application effect of water pump after energy-saving technical transformation is insufficient.It was suggested to strengthen the research in these areas in order to promote the research progress in energy saving and consumption reduction of pumps in water supply projects in China.
Key words：water supply;pump;energy saving and consumption reducing
0 引言
促进人类社会前进的根本基础是能源，节能降耗意 义重大。随着我国经济快速发展，人民对能源的需求和 供给之间的缺口日益增大，严重制约了我国的经济发展。 水泵作为一种通用性的机械设备而广泛地应用于社会经 济发展的各个领域。据统计，水泵是能源消耗的主要设 备之一，全国消耗总电能的20% 左右都用于各类水泵机 组的运行，且运行效率较低，普遍低于发达国家10%~ 30% 。在供水系统中，制水成本的50% 左右属于动能消耗费用，而供水系统中用电量的90% 以上用于水泵的运 转，可见供水厂的主要能耗设备是水泵[1-3]。因此，研究降低水泵电耗损失的技术，提高水泵运行效率是供水 项目节能的关键。
相较于国外供水工程水泵的节能降耗注重于细节工艺技术和管理模式方面的探索[4-7]，当前国内供水工程 针对水泵的节能降耗工作更倾向于对工程中的具体问题 进行实践尝试做技术改造，其中主要节能改造措施是根 据实际供需水量以及水质等情况，对水泵进行合理的选 型，科学调度搭配运行并做好定期维护检修工作，通过改变水泵的实际运行工况点，确保水泵一直处于其高效运行区，实现水泵节能[8-11 ] 。国外供水工程水泵节能技 术成效显著，我国应充分融合国外先进技术成果以发展 符合我国国情的供水系统节能降耗技术。本文概述了国 内的供水系统中水泵节能降耗技术的研究进展并分为5 个方面进行总结分析，指出当前我国水泵节能降耗技术 的优缺点并对未来的研究方向进行了展望，助力我国供水系统长效发展。
1 国内供水系统水泵节能降耗研究
1.1 水泵优化选型
水泵的选型搭配，特性曲线的功能性拟合和选泵智能 模型的搭建等方面都是国内学者在水泵优化选型方面的研究重点。
蒋任飞等[12] 在考虑水泵的数量以及供水流量不断变 化的因素前提下，以目标函数供水泵站年运行费用最低 搭建水泵选型模型，通过遗传算法对使用水泵台数及型号情况下优选结果的计算，实现水泵的选型优化。陈锦辉[13] 研究了在沙口水厂二级泵站改造工程中，通过计算 供水管网的用水的流量需求，对离心式水泵进行选型， 由原先的型号800S-50 离心泵选用奥地利的智慧流离心泵(型号SFWP80-800)，水泵的实际运行效率由80% 上升为91%，有效地降低了泵站的单位电耗。白咏梅等[14] 以不同型号的水泵使用台数为决策变量，将目标函数设 置为最小装机容量，依据供水系统运行成本及建设投资， 将泵站供水划分为不同供水阶段，并根据各个阶段情况 选择泵，采用整数规划法即全部的决策变量变为整数为止进行水泵优化选型，在此基础上结合水泵实际运行工 况进行校核可有效节省费用。刘洪海等[15] 针对变频调速的恒压供水系统中，综合考虑供水量、用水规律以及水 泵效率等因素。研究表明当选定系统中主水泵额定流量 范围的1/4~1/3 为辅助水泵的额定流量且工作主水泵的 额定扬程的80%~90%设定为辅助水泵的额定扬程时，仍可满足供水系统处于高效区运行，有效节约系统能耗。
汤跃等[16] 结合水泵的特性曲线设计了分段最小二乘多项 式拟合方法，有效解决拟合水泵特性测试曲线的多数算法拟合精度偏差大，拟合效果不理想等难题，为更加精准地进行水泵优化选型提供了理论基础。桂绍波等[17] 在 考量国内外高扬程离心水泵的性能参数水平的基础上， 结合实际工程中综合考虑水泵水力稳定性、水泵驼峰裕 度、空化余量安全系数以及水泵关键部件的抗磨损措施 等影响因素，提出了应用于大规模供水工程的高扬程、大功率水泵合理选型的理论依据。
1.2 水泵合理调度和搭配
针对水泵的优化运行方向，整个供水系统的管控优化 以及水泵机组的合理运行搭配等方面是当前国内学者的研究主要方向。
齐维贵等[18] 通过研究智能压力设定器开发出针对某 水厂的水泵节能供水控制系统，并经过实际应用案例表 明，该控制装置系统性能可靠，相比于恒压变频供水系 统和恒速供水系统分别节约电能12% 和32% 。张承慧等[19] 为了进一步设计出满足变频调速供水泵站系统运行 的最优效率控制模型，在结合水泵实际的运行约束条件 和复杂性，提出了一种最小流量偏差模型，克服了传统 Cohen G 效率优化模型的不足。相比于传统模型，该新型模型更加符合水泵并联运行的特性，具有约束条件少， 运行时间短以及实用性强等特点。龙新平等[20] 针对泵站的优化调度问题，基于曲面拟合构造了水泵效率、扬程 和流量等各参数之间的连续函数关系，引入二层的分解 —协调模型结合动态规划法建立了泵站调度模型，并 针对该模型进行了算例分析，结果表明某设计流量为100 m3/s 的泵站，年节省电费约142.29 万元。麻栋兰等[21] 分析了供水系统中涉及的变频调速泵并联运行时的 能耗，得出水泵机组轴功率在几台并联调速泵的流量与 转速相同时最小的结论，并在满足供水量要求的前提下， 计算出水泵机组能耗最小的水泵调速率及所需使用台数。 以4台350S44A 型离心泵组成的某泵站为例，采用此方法可简单快速地得出水泵组合的最优解，使得投入的水 泵效率最高，从而降低水泵机组的能耗。岳金文等[22] 以某城水厂水泵的能耗系数为评估指标，比较改造前后供水系统的总KE-Q 方程变化情况，分析得出系统节能空间的方法。侯秀丽等[23] 针对多台水泵并联工作的水厂， 取代传统的以满足泵组运行功率为目标函数的做法，以 泵组实际提供的流量与实际需求流量的绝对差值作为目 标函数，改进数学模型，使模型的物理意义与实际运行工况相符，设计水泵组优化调度方案。对实际工程中优化泵组运行具有重要的指导意义。周君[24] 针对高层二次 供水的并联水泵无法持续高效稳定运行的难题，通过 实时监测水泵工况点的变化情况来轮换控制并联水泵 工作，取代传统的以时间为节点对水泵进行轮换，以 智慧水务的方式为供水系统的并联水泵持续稳定运行提供了新的研究方向。
1.3 水泵调速技术
主要通过改变水泵转速的调速运行来改变其运行曲线，使出水压力与管网需求一致，从而实现节能。
水泵的变频调速技术是目前研究的主流， 图1 变频器节能原理被广泛的应用于供水行业中[25] 。变频器进行水泵节能原理如图1所示[1]。N0 、N1 分别为转速高低不同的两条水 泵工作特性曲线，R1 为水泵出水阀门关小后的管路特性 曲线，R2 为水泵出水阀门全开状态时的管路特性曲线，A、C、D 分别为水泵的工况点。通过变频器控制水泵转速，改变扬程和流量，达到节能目的。
田锦钊等[26] 研发一套使用变频器控制水泵的多水泵 自动恒压控制供水系统，即使供水系统的末端用水量不 能确定的情况下，该系统通过变频器控制水泵调速以及PLC 控制，可实现水泵功率及数量的自动调节，从而实现供水系统的供压稳定。朱开求[27] 认为通过水泵的变频调 速改造，一方面能够降低水泵的工作电流区间由110 A 转 到60~90 A，另一方面降低水泵电机工作温度。一台搭配75 kV 电机的水泵在进行变频改造后，每年节约电能 24.7 万kW ·h，节能降耗效果显著。田政文[28] 采用水泵机组串级调速技术改造新会牛勒水厂，实现节约电费约 14.4 万元/年。解鹏[29]针对北京某日供水能力34 万m3 水厂的两台400 kW 定速卧式离心水泵机组进行中压变频节能改造，水厂经过2年的运行，年平均节约电能约6%~8% 。冯亚军等[30] 针对无锡市某水厂清水泵房一期存在 给水泵定频、满负荷运行时效率低和能耗高等情况。采 用6kV IGBT 变频器对其中2台工频启停、额定转速运行的水泵进行调速改造。变频改造后预计年节约电费可 达29.3 万元。胡俊杰等[31] 通过对江西省宜春市上高县第二水厂的中开式单级双吸式离心泵进行变频调速改造，年节约电量141 万kW ·h，节约电费月84.6 万。
1.4 叶轮改造技术
根据工程运行需求，改变叶轮形状，提高工作效率，达到节能的目的，在叶轮进行切削技术改造时，应遵循切削量限制，如表1所示[9]。张建国[32] 考虑水在泵内的 流态，依据三元流动迭代算法，针对河南某水厂水泵进 行三元流技术改造后，水泵安装新型三元叶轮后在供水流量不降低的情况下电机运行电流降低，年节约电能约 32 万kW ·h，节电率达到16% 。张雪[33] 等通过对苏州 城区西北部某水厂在13.05、13.30 和13.80 × 104 m3/d 供水量下经过水泵切削处理后效率分别提高0.38% 、1.06% 和0.79%，电耗分别降低0.04、1.1 和2.07 kW ·h/km3. 何芳[34] 通过对某水厂二级泵房水泵进行切削改造，将水泵叶轮直径从445 mm 切削至390 mm，切削后的水泵节 省约27% 的功率。韦志新[35] 针对芜湖某水厂水源水位落差较大，导致水泵运行电耗增加，将原水泵叶轮直径由413 mm 切削至383 mm，每年可节省电能2.87 kW ·h， 叶轮切削投资费用14 个月即可收回成本。马姗姗等[36]在实测试验和CFD 流体分析的基础上重点研究如何进行 叶轮切削，结果表明当叶轮切削量大于5% 时，则通过 切割定律公式不能精准确定切削量，可通过CFD 模拟分 析确定切削量。
1.5 减少能量损耗技术
泵轴的功率总是要大于水泵的有效功率，因为泵轴 功率中有一部分能量在泵轴旋转过程中被消耗，一部分 能量在泵内损失。如何尽可能地降低水泵能量损耗成为研究的热点。其中选用先进涂层材料涂覆技术近年来发展较快。陆爱良[37] 认为，利用贝尔佐纳有机超滑涂层涂 装修复水泵叶轮和水泵过流部件等部位，可以有效增加 水泵工作效率5% 以上，降低能耗。陆企亭等[38] 研制了应用于水泵节能防护的聚氨酯/环氧复合涂层，涂层具有 优良的物理性能和抗磨蚀性能，复合涂层使用2年后完好无损，对水泵过流件起到防护作用且年节能约3%~ 8% 。刘光浩等[39] 对柳州供水公司的的9 台14SH 型离心泵进行超滑金属涂层节能改造，以其中1台输水量为1 500 m3/h 的水泵为例，每天可节约电能约313.8 kW ·h，2个月即可收回涂装改造成本，节能效果显著。
2 国内水泵改造技术的优缺点
多年来，国内供水工程的节能降耗技术在取得较快 的发展的同时也有待进一步完善的领域。首先水泵选型 及优化运行的算法研究虽然能够为泵站的合理设计以及 持续稳定运行提供理论依据和技术手段，但是现行研究较多的算法模型仍然存在无法适应较复杂的泵站，求解耗时较久，不太适合实时线控制等问题[40-41]。未来应更 加强化供水工程中水泵模型算法的实际应用研究，经过 工程项目考察后选择最佳工艺。其次水泵的相关改造技 术虽然在应用中节能降耗效果显著，但是未充分考虑系 统的整体融合，自动化程度较低，易引发水泵及供水系 统其他附带问题。其中水泵变频改造技术适用范围较广， 节能降耗效果显著，但是也存在缺点，如系统初期投入成本较高，运维复杂，操作时易导致水泵效率损耗以及变频调速实际适用场合有限等问题[42-43]。水泵切削改造 的代价较小，见效较快，切削改造的难点在于确定叶轮 切削的直径量，切削后的水泵易引起水泵老化及自身稳定性的影响，需长期注意水泵运行噪声、气蚀、振动等 问题[44] 。最后当前水泵的涂层种类主要分为两类，一类是金属涂层，另一类是有机高分子涂层，其类型及优缺点如表2所示。
3 结束语
本文参照水泵的特点，根据现有的国内供水工程中 水泵节能改造技术的文献资料和研究成果，从水泵优化 选型、水泵科学调度和搭配、水泵叶轮改造技术、水泵 调速技术和水泵能量损耗降低技术5个方面总结出当前 国内供水系统中水泵节能改造技术措施并指出各自的优 缺点及需要改进的方向。表明当前的水泵节能技术手段 主要是集中于针对工程中的具体产生问题进行对应的单 项技术改造，未能充分重视供水工程中智能化管控以及 水泵的应用科技、节能和环保等方面的综合特性研究。 最后提出了对我国供水系统水泵节能改造技术未来发展 方向和研究趋势的展望。主要包括3个方面：( 1 ) 加强 水泵设备安装程序中的节能问题研究;(2 ) 加强水泵节 能基础理论性结合供水工艺的选用比较研究;(3 ) 加强 水泵节能技术改造后运用效果的对比性分析研究。水泵 的节能改造能够有效促进我国供水行业长效绿色发展， 对于国家能源战略具有一定的意义，未来还需要加大注 意力和资金的投入。
参考文献：
[1]杨和茵.供水泵站变频水泵节能控制方式研究[D].广州：华 南理工大学，2017.
[2 ] 王立.我国泵系统节能的现状及发展前景[J].水泵技术， 2012 ( 1 )：28-30.
[3 ] 屠复举.水厂的节能降耗技术[J ].科技风，2018 ( 11 )：101.
[4 ] Meyer D J，Khari J，Whittle A J，et al.Effects of hydraulically disconnecting consumer pumps in an intermittent water supply[ J ].Water Research X，2021.12 ( 1 )：100-107.
[ 5 ] Martin C，Santillán G. Pump Efficiency Analysis for Proper Energy Assessment in Optimization of Water Supply Systems [ J ]. Water，2019.12 ( 1 )：132.
[ 6 ] Pelli T，Hitz H U.Energy indicators and savings in water supply [ J ].AWWA，2000 (6 )：55-62.
[7 ] Pulido Calvo I，Gutiérrez Estrada J C.Selection and operation of pumping stations of water distribution systems [ J ].Advances in Environmental Research，2012 (8 )：49-67.
[ 8 ] 刘娟，徐跃增，蒋帆，等.水源更换对自来水厂进水泵房给水 泵的影响[J ].现代农机，2021 (2 )：5.
[9 ] 赵潇然，汪力，李阔，等.供水系统水泵机组节能改造方法与 工程实例[J ].给水排水，2022.58 (2 )：1-5.
[ 10 ] 刘广胜.水泵电动机系统中变频节能技术的研究[J].电气 时代，2020 (8 )：56-57.
[ 11 ] 马锐澄.浅议汕头市新津水厂扩建工程建设项目[J ].工程 技术，2016 (6 )：69-70.
[ 12 ] 蒋任飞，白丹，唐莲，等.遗传算法在水泵优化选型中的应用 [ J ].中国农村水利水电，2003 ( 10 )：54-55.
[ 13 ] 陈锦辉，黄羽舟.浅谈离心式水泵的节能改造[J].城镇供 水，2008 (6 )：40-41.
[ 14 ] 白咏梅，叶晓红.浅议水泵优化选型的整数规划法[J].水 利科技与经济，2010.16 ( 1 )：29-30.
[ 15 ] 刘洪海，李鸿敬，李明，等.变频调速恒压供水系统中小流量 水泵及气压水罐的选择[J]. 中国给水排水，2012.28 ( 16 )：37-40.
[ 16 ] 汤跃，肖妹，汤玲迪.泵性能测试曲线分段最小二乘多项式拟合算法[J ].排灌机械工程学报，2017.35 ( 9 )：744-748.
[ 17 ] 桂绍波，彭志远，陈笙.高扬程大功率离心泵选型关键技术研究与实践[J ].人民长江，2022.53 ( 2 )：111-117.
[ 18 ] 齐维贵，朱学莉，丁宝.深水泵节能供水的智能控制[J]. 中国给水排水，2002 ( 12 )：73-74.
[ 19 ] 张承慧，李洪斌，廖莉，等.变频调速给水泵站效率最优控制策略[J ].控制理论与应用，2004.21 ( 3 )：47-74.
[ 20 ] 龙新平，朱劲木，刘梅清，等.基于性能曲面拟合的泵站优化调度分析[J ].水利学报，2004.35 ( 11 )：27-32.
[ 21 ] 麻栋兰，汪建华，华剑.变频调速泵并联运行最优调度策略分析[J].长江大学学报(自科版)，2017.14 ( 1 )：48-51.
[ 22 ] 岳金文，李志鹏，秦武，等.基于目标电耗的城镇供水泵机组节能技术的研究及应用[J].流体机械，2017.45(5)：46-50.
[ 23 ] 侯秀丽，张雪，蒋福春，等.水厂取水泵组优化调度设计[ J ].给水排水，2020.46 ( 8 )：31-36.
[ 24 ] 周君.智慧水务在高层供水水泵并联工况优化的应用[J ].低碳世界，2021.11 ( 1 )：2-5.
[25 ] 王淑珍.节能降耗在机械设计加工中的应用[J ]. 中国机 械，2014 (8 )：135-135.[ 26 ] 田锦钊，孟宪波，周余强，等.末端负荷不确定的自动恒压供水系统设计[J ].工矿自动化，2017.43 ( 6 )：80-83.
[ 27 ] 朱开求.自来水厂水泵变频器节能改造分析[J].现代商贸工业，2009 ( 23 )：277-278
[ 28 ] 田政文.串级调速技术应用在新会牛勒水厂的节电概况[ 28 ] 田政文.串级调速技术应用在新会牛勒水厂的节电概况
[ 29 ] 解鹏.中压变频器在自来水厂中的使用与节能分析[D].北京：北京建筑大学，2018.
[ 30 ] 冯亚军，孙倩雯，于广其，等.高压变频器技术在水厂水泵改 造中的应用[J].净水技术，2021.40 ( 6 )：154-157.
[ 31 ] 胡俊杰，李丽红.水厂运行的节能降耗措施探析[J].江西 水利科技，2021.47 ( 2 )：152-156.
[ 32 ] 张建国.水厂水泵节能改造技术探讨[J]. 中国设备工程，2011 ( 8 )：2-4.
[ 33 ] 张雪，李新华，余海珍，等.水泵叶轮切削在供水泵房中的探索及应用[J ].供水技术，2014.8 ( 6 )：50-53.
[ 34 ] 何芳.供水二级泵房水泵叶轮切削的工程案例[J].城镇供 水，2014 ( 6 )：8-10.
[ 35 ] 韦志新，李祥林.水泵叶轮切削在节能降耗中的应用[J ].中国设备工程，2021 ( 3 )：122-124.
[ 36 ] 马姗姗，刘国涛，刘兵，等.基于实测试验和CFD 分析基础上水泵叶轮切削的水力性能验证[J].水泵技术，2021 ( 3 )：4
[ 37 ] 陆爱良.高分子超滑涂层在水泵节能降耗中的应用[J ]. 中 国新技术新产品，2013 ( 9 )：9-10.
[ 38 ] 陆企亭，黄茂松，史以洪.水泵节能防护复合涂层[J].粘接，2007 ( 28 )：8-11.
[ 39 ] 刘光浩，黄伟，刘晓辉.超滑金属涂层在水泵上节能应用的研讨[J ].装备制造技术，2009 ( 12 )：18-19.
[40 ] Lanicki B U，Rance J P. Computer - aided optimal pump selection for water distribution network [ J ]. Water Resour Planning and Mgmt.ASCE，1993 ( 5 )：42-44.
[ 41 ] 王子祥，邹旻，张朦淅，等.基于数值模拟的新型摆动泵流场 分析[J ].机电工程，2021.38 ( 12 )：1552-1557.
[ 42 ] 陈宝文.水泵维护工作探讨[J].城市建设理论研究，2013 ( 17 )：10-11.
[ 43 ] 吴剑平.中小水厂供水系统的几点节能措施[J].机电工程 技术，2005.34 ( 12 )：90-91.
[ 44 ] 曾军，任胜德.离心泵叶轮切削的节能运用实例[J]. 泸天化科技，2014 ( 1 )：38-40.
[ 45 ] 朱兆通，戴振伟，储训.水泵叶片抗汽蚀涂层材料研究应用[ J ].江苏水利科技，1997 ( 2 )：41-44.
[ 46 ] 王者昌，陈静.水轮机抗空蚀磨损金属复层方法、材料和应 用[J ].焊接，2009 ( 2 )：38-46.
[47 ] 张瑞珠，李静瑞，严大考，等.水泵叶轮表面电火花熔覆WC-8Co 耐磨涂层的机械性能研究[J].稀有金属材料与工程， 2015.44 (7 )：1587-1590.
[ 48 ] Ding X，Cheng X D，Yu X，et al. Structure and cavitation erosion behavior of HVOF sprayed multi -dimensional WC- 10Co4Cr coating [ J ].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2018.28 ( 3 )：487-494.
[ 49 ] 吴洁.尼龙11 涂层提高泵使用寿命的表面防护方案[J]. 中 国建设信息(水工业市场)，2010 ( 2 )：55-57.
[ 50 ] 代青华.抗空蚀复合涂层的制备及性能研究[D].北京：机 械科学研究总院，2017.
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