市政给排水系统中水泵节能运行优化技术探析

引言

水资源保障与能源消耗的矛盾在现代城市发展中日益凸显。市政给排水系统作为城市基础设施的能耗大户，其电能消耗主要集中于水泵机组。在“双碳”战略背景下，深入挖掘水泵运行节能潜力，已成为行业技术升级与管理优化的迫切需求。传统水泵运行模式常存在“大马拉小车”、恒速运行低效、水力失调等问题，导致大量无效能耗。因此，系统性地研究与应用水泵节能优化技术，不仅是降低运营成本的经济考量，更是提升城市基础设施韧性与可持续性的关键路径。本研究旨在从技术原理与应用实践层面，构建涵盖设计、运行、控制、维护全链条的水泵节能优化体系，为市政水务领域绿色发展提供理论参考与实践指导。

一、水泵能耗构成与节能潜力关键制约因素

市政给排水水泵的能耗可解构为有效功能耗与无效损耗二元体系。有效功能耗指提升水体势能及克服管道沿程摩擦阻力、局部阻力的最小理论能量，遵循流体力学基本方程；无效损耗则源于系统设计冗余（如流量扬程过度裕量）、运行工况失配（偏离最佳效率点 BEP）、设备机械老化（叶轮汽蚀、轴承磨损）及控制策略滞后（阀门节流调节）等系统性缺陷。其节能潜力受多重耦合因素制约：管网拓扑结构不合理导致水力损失增加 15%～25% ；水泵长期在 70% 以下负荷率运行致使效率衰减超 20% ；多泵并联时因流量分配不均引发回流水力振荡，额外增加 5%～10% 能耗；管网压力失衡造成的局部超压现象（超过需求压力 0.2MPa）形成持续能量浪费。量化分析需融合伯努利方程与系统阻力曲线理论，构建动态能耗评估模型，为优化技术路径提供理论基础。

二、变频调速技术的物理机制与工程化实施框架

变频调速（VFD）技术本质是通过电力电子器件调制电机输入频率（范围 0～50Hz ），驱动水泵转速无级变化。其物理基础为相似定律三阶关系：流量（Q） ∝ 转速（n），扬程（H） ∝n² ，轴功率（P） ∝n³ 。当转速降至80% 额定值时，轴功率可降至 51.2% ，节能效益呈立方级放大。工程化实施需构建三层技术框架：感知层集成压力变送器（精度 ±0.1%FS ）、电磁流量计（误差 ⩽0.5% ）及雷达液位计，通过 LoRaWAN 传输实时数据；控制层采用自适应 PID 算法（比例带 0.8%～2.5% ，积分时间 0.5～3min ）动态调节 VFD 输出频率，结合 FFT 谐波分析抑制电流畸变率至 <5% ；决策层应用纳什均衡算法优化并联泵组转速组合，使系统工作点始终沿等效效率包络线移动。在雨污混流泵站中，需嵌入抗水锤控制模块（压力上升率 ⩽10%/ s）保障突变负荷下的系统稳定性。

三、高效水力模型匹配与叶轮精准改造技术

水泵本体效率提升的核心在于高效区重合度优化。设计阶段应采用 WaterGEMS 水力仿真平台，建立包含哈代-克罗斯迭代的管网模型，精确生成系统阻力曲线（S²特性），据此选择 BEP（最佳效率点） ±10% 高效区覆盖 90% 运行工况的水力模型。针对已建系统负荷偏移，叶轮外径切削技术通过五轴数控机床精密加工（切削量≤原直径 15% ），依据切割定律（ Q/ Q₀=D/D₀,H/H₀=(D/D₀)² ）重构性能曲线，实现与当前工况的再匹配。切削后需满足 ISO 5198 标准进行动平衡校验（残余不平衡量 ⩽G1.0 级）及 NPSHr（必需汽蚀余量）测试（安全裕度 ⩾0.5m ）。对于流量波动 30% 以上的系统，推荐采用双流道复合叶轮（后弯式 ⋅+ 混流式组合）或 IE5 永磁同步电机（效率 >96% ），通过拓宽高效区范围与降低电磁损耗提升系统适应性。

四、智能控制系统多算法融合与数字孪生应用

现代智能控制系统以信息物理系统（CPS）架构为支撑：感知层布设振动加速度计（频响 0.5～10kHz ）、温度传感器（ ±0.5C ）及电能质量分析仪；传输层采用 OPC UA 协议工业环网；平台层部署基于 Kubernetes 的SCADA 云平台；应用层集成四类核心算法：模型预测控制（MPC） 通过状态空间方程（ dx/dt=Ax+Bu ）滚动优化 15min 调度序列，能耗降低 12%～ 18% ；深度强化学习（DRL） 利用 Actor-Critic 网络在奖励函数（能耗-压力偏差加权）驱动下生成最优策略；联邦学习（FL） 实现多泵站数据协同训练而不泄露本地隐私；数字孪生体基于 ANSYS Fluent 构建三维湍流模型（k-ε Realizable），通过实时数据驱动仿真预演不同控制策略的能效响应（误差 <3% ），为预防性维护提供决策支持。

五、系统协同优化与全生命周期精细运维

节能效益最大化需实施三级协同优化：顶层设计层面，通过 GIS 空间分析优化泵站布局（服务半径 ⩽5km ），利用地形高差实现重力流占比 ₅₆₀ % ；管网重构采用环状拓扑降低平均泵送距离 30% 。水力平衡层面，在管网分区界面安装自力式压力调节阀（PRV），将压力波动控制在 ±0.05MP a 内，消除“高压低用”现象；排水系统通过优化巴歇尔槽堰流公式（ Q=0 .372B∙H¹∙⁵⁸ ）精准控制溢流量。运维管理层面建立全生命周期技术体系：运行阶段采用 ISO 9906 热力学法定期检测泵效（不确定度 ⩽1.0% ），基于Weibull 分布预测设备剩余寿命；维护阶段实施激光熔覆技术修复叶轮汽蚀损伤（表面粗糙度 Ra<0.8μm) ，按 RCM（以可靠性为中心）策略更换机械密封；管网管理应用多探头相关仪（定位精度 ±1m ）与瞬态水力模型进行漏损控制，保障系统水力效率持续最优。

结论

市政给排水系统水泵节能优化的核心在于系统化解构有效功能耗与无效损耗的二元矛盾，通过多层级技术融合实现能耗结构性削减。在设备层面，高效水力模型精准匹配（覆盖 90% 运行工况）与 ISO 5198 标准下的叶轮切削技术改造，从能量转换源头提升效率 8%-15% ；在运行层面，变频调速技术（VFD）依托比例定律的立方级节能特性，结合模型预测控制（MPC）与深度强化学习（DRL）算法，动态优化泵组运行策略，实现能耗削减 25%40% ；在系统层面，水力平衡阀门（ PRV±0.05MPa ）消除管网超压，环状管网拓扑降低输送阻力，配合基于热力学法的 RCM 精细化运维（效测误差 ⩽1.0% ），保障节能效益长效稳定。实践证明，上述技术体系的深度融合可达成综合节能率超 30% ，其核心价值在于打破设备高效化、控制智能化、系统协同化的传统边界。未来需聚焦宽禁带半导体变频器与碳纤维叶轮新材料应用，并在 ISO 50001 能源管理体系框架下构建标准化评价工具，为水务系统碳中和目标提供核心技术支撑。

参考文献：

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