尤超

（河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司）

摘要：针对矿山企业循环水系统水泵运行效率低、能耗偏高的问题，本文以河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司选矿作业区浊水泵系统为研究对象，开展了基于三元流理论的节能水泵改造应用研究。文章阐述了三元流动理论的基本原理及其相对于传统一元流、二元流设计方法的技术优势，分析了司家营铁矿浊水泵系统的运行现状及存在问题，介绍了采用高效节能水泵替代原有水泵的改造方案及合同能源管理（EMC）合作模式。通过对改造前后一个月的运行数据对比分析表明，改造后系统节电率达到43%，远高于预期的20%目标，年节电效益显著。研究结果表明，三元流节能水泵在矿山循环水系统中具有良好的应用前景和推广价值，可为同类企业的节能改造提供参考。

关键词：三元流；节能水泵；循环水系统；合同能源管理；节电率

1引言

在全球能源形势日益严峻以及环保要求愈发严格的大背景下，节能减排已成为各行业实现可持续发展的关键任务。钢铁矿山行业作为高耗能产业，其循环水系统中的水泵设备是能源消耗的重要组成部分。据统计，我国循环水系统能耗远超国际先进水平，单机效率滞后约5%，系统能效落差超过20%，节能潜力巨大。

传统水泵设计多采用一元流或二元流理论，对叶轮内部复杂的三维流动进行了简化处理，导致设计出的水泵效率偏低，实际运行工况与设计工况偏离时效率下降更为明显。吴仲华院士提出的叶轮机械三元流动理论（吴氏理论）为水泵的高效设计提供了新的理论基础，该理论通过在三维空间研究流体运动规律，能够更准确地描述叶轮内部的流动状态，从而设计出效率更高的叶轮。

河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司选矿作业区浊水泵系统原有6台14SH-13型浊水泵，日常运行2至3台，系统运行效率偏低，能耗较高。为降低运行成本、提高能源利用效率，该矿采用三元流节能水泵对浊水泵系统进行了改造，并引入合同能源管理模式，实现了零投资、零风险的节能改造。本文对该项目的技术原理、实施方案及应用效果进行了系统研究，以期为同类矿山企业的水泵节能改造提供借鉴。

2三元流节能技术原理

2.1水泵叶轮设计理论的发展

水泵叶轮设计理论经历了从一元流到二元流再到三元流的发展历程，每一次理论进步都带来了水泵效率的显著提升。

（1）一元流设计理论。一元流设计将流体在叶轮内的流动简化为在弯曲管道内的匀速流动，假定进出口流通截面及流通内部任何流通截面的水流是均匀分布的，流速仅为一个自变量的函数。据此设计出叶片的几何形状，再通过制作多种模型进行试验择优选用。由于一元流计算设计简单、成本低，目前我国仍有部分水泵厂沿用此设计方法。但这种方法建立的数学模型很不真实，对流体在叶轮内部运动的反映不准确，导致叶轮效率极低，且无法保证优选模型与实际运行工况一致。

（2）二元流设计理论。二元流设计将叶轮流道及流体流态作为变量，考虑了水流从叶片根部到叶片顶部的S面流动，但忽略了叶片之间圆柱面内的流动阻力，将三坐标简化为二坐标。二元流设计相比一元流有了一定改善，但冲击损失和摩擦损失仍然很大，在实际选用过程中服从性较差。

（3）三元流设计理论。三元流动（简称三元流）是在三维空间研究流体的运动规律及特性。三元流动中所有的流体流动参数都是空间坐标系（X、Y、Z）上三个方向变量的函数，能够完整地描述流体在泵体中的实际流动轨迹。吴仲华院士创立的S1、S2两流面理论是三元流设计的核心理论基础，该理论被西方各大发动机制造公司和国际航空界称为"吴氏理论"或"吴氏方程"，吴仲华院士也被世界公认为叶轮机械三元流动理论的奠基人。1976年美国数十位泵专家合著的权威工具书《泵手册》，将吴氏理论列为今后泵设计的最先进方法。

2.2三元流理论基础

三元流理论把叶轮内部的三元立体空间无限地分割，通过对叶轮流道内各工作点的分析，建立起完整、真实的叶轮内流体流动的数学模型。在吴氏理论基础上发展起来的"射流-尾迹三元流动"理论，进一步引入进口轮径、出口轮径、轮毂比、子午流道曲率、叶型形状、叶片厚度分布、安装角等多种影响因素，结合泵的实际流量、扬程等参数进行叶轮设计。

叶轮机械内的完全三元流动，应用吴仲华教授创立的S1、S2两流面理论求解，采用直接计算流体流动速度的流面迭代法，物理上直观、接近实际。泵叶轮内部由两个叶片、前后盖板组成完整的空间流场，通过计算空间流场中任一点相对速度的大小及方向，建立叶轮数学模型。在叶轮出口附近，还能计算出"尾迹"——脱离叶片表面的漩涡区的大小。通过逐步迭代修正至计算收敛，得出最接近实际的叶轮叶片曲线，满足效率提升要求。

2.3三元流叶轮的技术特点

基于三元流理论设计的高效节能水泵具有以下显著技术特点：

（1）设计效率高、高效区宽。三元流叶轮自身效率比传统水泵高5%～10%，高效区流量范围宽12%～20%，即使偏离设计点运行也能保持在高效区内。

（2）量身定制，针对性强。采用"量体裁衣"式设计方法，根据现场实际运行情况设计与原叶轮可互换的非标准叶轮，更好地匹配实际运行需求。

（3）汽蚀余量低，抗汽蚀性好。设计中充分考虑流体流动特性，减小冲击损失，具有较低的必需汽蚀余量（NPSHr），抗汽蚀性能优异。

（4）运行平稳，寿命延长。相邻叶片相互交错结构使水流脉冲下降到扬程的±4%以内，径向力平衡设计显著延长机械密封与轴承寿命。

（5）改造成本低，实施便捷。不动原泵体即可换装三元流叶轮，改造成本低、效率提升显著，特别适合既有系统的节能改造。

（6）制造工艺先进。采用四轴或五轴加工中心加工铸造模型，精密铸造或砂模铸造，数控加工为主，静动平衡试验确保运行平稳。

3司家营铁矿循环水系统现状分析

3.1系统概况

河北钢铁集团滦县司家营铁矿有限公司选矿作业区浊水泵系统配置有6台14SH-13型浊水泵，单泵额定参数为流量Q=1260m³/h、扬程H=44m，配套电机为兰州电机Y2-4-200KW/3800V。日常运转开2至3台，其余备用，系统供水压力维持在0.39～0.42MPa。

2023年12月13日至2024年2月20日期间，该矿对浊水泵系统进行了技改实施前的调研工作，实测浊水泵每小时总耗电量为434.37kW·h。

3.2存在的主要问题

通过对现场运行数据的检测分析，浊水泵系统主要存在以下问题：

（1）水泵运行效率偏低。现场检测浊水泵系统实际运行总流量为Q=2300～2400m³/h，H=44m，实际运行偏离设备额定参数。经建模分析核算，实际单组水泵运行效率仅在70%～75%之间，远低于高效水泵85%以上的效率水平。水泵设计制造效率低及管路匹配程度低是水泵运行效率不高的主要原因。

（2）设备运行偏离最佳工况。系统原设计对不确定因素判断存在一定误差，导致设计工况与实际运行工况有所偏离，加上管路特性与实际运行工艺需要存在一定差别，累积误差叠加造成了一定的能耗浪费。设备运行状态偏离最佳工况运行高效区，系统运行效率较低。

（3）动力设备老旧。目前系统配置的电机为早期电机产品，体积过大、耗能偏高，比新型节能电机平均要多耗能4%～7%。电机能效水平有待提升。

（4）系统配置不合理。由于现场水泵效率本身较低，导致部分叶轮切割后水泵效率更低。原有6台泵的配置方式在满足生产需求的同时，也造成了一定的设备冗余和能耗浪费。

4节能改造方案设计与实施

4.1改造目标与原则

本次节能改造的总体目标是：在保证系统供水流量和压力满足生产要求的前提下，通过更换高效节能水泵及配套变频电机、控制器，显著降低系统能耗，提高能源利用效率。

改造遵循以下原则：一是安全可靠原则，改造后系统必须满足生产工艺要求，运行稳定可靠；二是高效节能原则，选用技术先进、效率高的节能设备；三是经济合理原则，采用合同能源管理模式，实现零投资、零风险；四是便于维护原则，设备结构合理，维护保养方便。

4.2技术方案

本次节能改造以度身定做高效节能水泵为核心，围绕整套循环水系统进行优化调整，主要措施包括：

（1）更换高效节能水泵。根据系统实际需求定做高效节能水泵，改造2台浊水泵（1#、6#），包含节能水泵、变频电机、控制器。节能水泵采用三元流理论设计的高效叶轮，效率可达85%以上。改造后开2台节能泵即可满足原3台泵的使用需要。

（2）配置变频调速系统。配套高效节能变频电机和智能控制器，实现变频调速运行。三元流技术针对叶轮提高实际工作效率，变频技术针对电机调整输出功率，两项技术结合实现充分节能。

（3）优化系统配置。更换高效定制泵头解决1#泵电机过载问题，单台耗电控制在185kW以内。改造后运行模式调整为开2备4，减少设备冗余。

（4）材质与工艺保障。叶轮采用SS304/双相钢材质，轴承采用"SKF"品牌。采用3D蜡模打印、精铸模具和覆膜砂精密铸造工艺，保证流道几何尺寸符合设计要求。每台水泵均做严格出厂测试，确保参数达标。

4.3合同能源管理模式

本项目采用合同能源管理（EMC）模式实施，由合作单位负责全部投资，向矿方提供的投资全部为实物及相关的技术服务。合作方一次性提供两台套节能水泵、变频电机、控制器，并负责五年内提供备件。

节能效益分享方式如下：节能改造合同有效期内产生的节电收益由司家营铁矿和合作单位共享，合作期限五年。期间合作单位分享的效益总额达到项目投资金额的1.5倍时，将终止合作。节能分配比例为司家营铁矿不低于20%。合作终止后，所有节电效益和节能设备所有权全部归司家营铁矿。

验收标准为：统计1个月能耗数据，节电率≥20%，现场改造成功，开始进行结算；节电率＜20%，改造泵拆除，设备恢复，项目结束。这种模式实现了矿方零投资、零风险的节能改造，有效降低了技改风险。

5改造效果与效益分析

5.1测试方法与数据

2024年8月对选矿作业区1#、6#浊水泵进行了节能改造，包含节能水泵、变频电机、控制器，于9月6日完成安装调整并投入使用。2024年9月6日至10月2日对节能改造后的1#、6#浊水泵累时器、电表进行了数据统计，以验证改造效果。

测试以2023年12月13日至2024年2月20日期间调研的浊水泵每小时总耗电量434.37kW·h为基准数据。通过累时器记录运行时间、电表记录有功总电能，计算每小时耗电量和节电率。

测试期间主要运行参数对比如表1所示。

表1改造前后主要运行参数对比

5.2节电效果分析

根据2024年9月6日至10月2日的实测数据，改造后1#泵每小时耗电量为119.75kW·h，6#泵每小时耗电量为127.84kW·h，两台合计每小时总耗电量为247.6kW·h。

与技改实施前调研的浊水泵每小时总耗电量434.37kW·h相比，节电率计算如下：

节电率=（434.37-119.75-127.84）/434.37×100%=43%

实测节电率达到43%，远高于合同约定的20%验收标准，也高于方案预期的20%～23%节电率。改造后电能消耗呈明显下降趋势，配电室负荷呈明显下降趋势，对改善循环水用电起到了正面积极意义。

从分段数据来看，不同时间段的节电率在39.93%～48.33%之间波动，整体保持在较高水平，说明三元流节能水泵在不同工况下均能保持良好的节能效果，高效区较宽，服从性好。

5.3经济效益分析

以改造前每小时总耗电量434.37kW·h为基准，年运行时间8760小时，电费0.62元/度（含税）计算：

改造前年电费：434.37×8760×0.62=235.92万元/年

改造后年电费：247.6×8760×0.62=134.48万元/年

年节省电费：235.92-134.48=101.44万元/年

备件费用方面，2020—2023年浊水泵年均备件费用44.84万元，改造后设备运行更平稳、寿命更长，备件费用将进一步降低。按五年合作期计算，矿方可节省备件费用约224.2万元，加上按20%比例分享的电费收益约101.44万元，五年预计总节省费用约325.64万元。合作期满后，节能设备所有权全部归矿方所有，此后每年可全额享受节电收益。

社会效益方面，按年节电量计算，每年可节约标准煤约320吨，减少二氧化碳排放约850吨，符合"双碳"战略要求，具有良好的推广价值。

6结论与展望

6.1结论

本文以司家营铁矿浊水泵系统为研究对象，开展了三元流节能水泵的应用研究，得出以下主要结论：

（1）三元流理论通过在三维空间研究流体运动规律，能够更准确地描述叶轮内部的流动状态，基于该理论设计的高效节能水泵效率可达85%以上，比传统水泵效率提高5%～10%，高效区流量范围宽12%～20%，节能效果显著。

（2）司家营铁矿浊水泵系统原有水泵运行效率仅为70%～75%，存在较大的节能空间。采用三元流节能水泵改造后，系统节电率达到43%，远高于预期目标，节能效果十分显著。

（3）合同能源管理模式实现了矿方零投资、零风险的节能改造，有效降低了技改风险，是矿山企业开展节能改造的有效途径。改造后矿方既可分享节能收益，又可在合作期满后获得全部节能设备所有权，经济效益和社会效益显著。

（4）三元流节能水泵改造成本低、实施便捷，在不动原泵体的情况下即可完成叶轮换装，特别适合既有循环水系统的节能改造，在钢铁、矿山、石化等行业具有广阔的推广应用前景。

6.2展望

三元流节能技术在矿山循环水系统中的应用取得了良好效果，但仍有进一步优化和拓展的空间：

（1）可在现有改造经验基础上，逐步将三元流节能技术推广到全矿其他水泵系统，如清水泵、加压泵等，实现全矿水泵系统的高效节能运行。

（2）结合智慧泵房技术，引入物联网监控和AI智能调控系统，实现水泵运行状态的实时监测、故障预判和智能调参，进一步提升系统能效水平。

（3）开展三元流节能技术与其他节能技术（如永磁电机、高效换热器等）的组合应用研究，探索多技术耦合的系统节能方案，实现更大幅度的节能降耗。

（4）加强对三元流节能水泵长期运行性能的跟踪研究，积累更多运行数据，为技术优化和推广应用提供更充分的依据。

参考文献

[1]吴仲华.叶轮机械三元流动理论[M].北京:科学出版社,1980.

[2]泵手册编写组.泵手册[M].美国:1976.

[3]袁寿其.离心泵现代设计方法[M].北京:机械工业出版社,2013.

[4]国家发展和改革委员会.合同能源管理技术通则(GB/T24915-2010)[S].北京:中国标准出版社,2010.

[5]中国节能协会.节能水泵应用技术指南[M].北京:中国电力出版社,2019.

[6]张克危.流体机械原理[M].北京:机械工业出版社,2011.

[7]司家营铁矿.浊水泵节能改造试用报告[R].2024.