技改“金點子” | 上海城投水務：基于CFD仿真的大型供水混流泵機組優化改造與工程應用

在 中，上海城投原水有限公司長江原水廠副廠長劉導介紹了《基于CFD仿真的大型供水混流泵機組優化改造與工程應用》。本文根據嘉賓發言內容整理，經過專家本人審閱后發布。

劉導

行業背景與節能需求

隨著城市化進程持續推進，城市供水規模不斷擴大，大型供水泵站已成為保障城市安全供水的重要基礎設施。由于泵站長期連續運行，尤其在高峰供水階段機組長期處于高負荷狀態，能源消耗問題日益突出。

在供水系統中，水泵機組通常占據較高比例的電能消耗。部分老舊機組因運行年限較長、水力結構老化及實際工況變化等因素，逐漸出現效率下降、能耗增加、運行穩定性變差等問題，既增加運行成本，也影響供水安全。

在“雙碳”背景下，供水行業對節能降耗與綠色運行提出了更高要求。傳統依賴經驗修型與現場反復試驗的改造方式，周期長、試錯成本高，且難以準確識別復雜流場中的流動分離、回流及能量損失問題，已難以適應當前寬工況、高穩定性的運行需求。

因此，采用CFD數值仿真、參數化設計及智能優化等技術，對機組內部流場進行分析并開展葉輪優化設計，已成為大型供水泵站節能改造的重要方向。

圖1 CFD仿真分析總體流程圖

泵站運行現狀與存在問題

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泵站運行現狀

陳行二輸水泵房是長江原水系統的重要輸水樞紐，自1996年投運以來長期承擔區域原水輸送任務，目前承擔全廠約70%的供水任務，共配置7臺立式混流泵機組。

由于供水需求具有明顯階段性特征，泵房全年運行揚程變化較大：低峰階段約12~15m，高峰階段可達27~33m，機組長期處于寬工況運行狀態。

近年來，隨著上海原水管網不斷優化改造，實際運行工況逐漸向中低揚程區域偏移，傳統基于早期設計工況的高效運行區已難以適應當前運行需求。

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原機組性能曲線問題

現場測試結果表明，21，局部區域出現典型“駝峰”特征。

當機組并聯運行并增開21，在部分壓力需求條件下容易出現流量波動問題。尤其運行工況接近駝峰區域時，同一揚程可能對應兩個不同流量點，導致運行狀態不穩定，影響調度精度。

從機理分析，駝峰現象通常與葉輪內部流場不均勻、局部流動分離及回流損失增加有關。長期偏離設計工況運行后，內部流態進一步惡化，最終導致性能曲線異常。

圖2 陳行二輸水泵房21#、27

從機組性能曲線可以看出，泵站實際運行工況覆蓋范圍較廣，不同供水階段對應揚程變化明顯。隨著近年來原水管網運行方式調整，部分運行工況已逐漸偏離原設計高效區，機組寬工況運行問題日益突出。這也為后續開展機組性能優化與節能改造提出了新的要求。

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高效區與實際工況不匹配

隨著原水管網運行方式調整，機組實際運行工況逐漸向中低揚程區域遷移，而原機組高效區仍對應早期設計工況，二者之間出現明顯偏離。

現場測試結果顯示，原機組最高效率點僅為72.3%，且高效區范圍較窄。機組長期偏工況運行后，葉輪內部更容易出現流動分離、回流及局部能量損失增加等問題，不僅降低運行效率，也加劇設備負荷。

根據泵站調度KPI指標分析，當前單位輸水能耗偏高，已具備明顯節能優化空間。

圖3 機組現場測試性能曲線與效率分析

從測試曲線可以看出，當前常用工況已明顯偏離原設計高效區，僅依靠調度方式已難以維持高效運行，必須從葉輪水力結構層面開展針對性優化。

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運行穩定性問題分析

在實際運行過程中，原機組對流量變化較為敏感。當運行工況接近性能曲線平緩段時，微小壓力擾動即可引起工作點大范圍遷移，導致流量波動。

圖4 機組實測流量揚程曲線

此外，當運行狀態接近駝峰區域時，局部流動分離與回流現象更加明顯，容易引發振動、噪聲增加及運行不穩定問題。

圖5 駝峰工況特性示意圖

從水力學機理分析，駝峰區存在“同一揚程對應兩個流量工況”的非唯一性特征。當增開機組或管網壓力發生變化時，運行點可能發生“跳躍式”遷移，這也是現場出現流量突變與調度精度下降的重要原因。

因此，需要通過CFD仿真分析進一步研究內部流場特性，并結合葉輪結構優化提升機組寬工況運行能力與穩定性。

基于CFD數值仿真的水力性能分析與優化

為深入分析原機組內部流場特征，揭示“駝峰”現象及高效區偏移的形成機理，并為葉輪結構優化提供理論依據，本文采用CFD（計算流體動力學）數值仿真方法，對21。通過建立高精度幾何模型、合理劃分計算網格、設置與實際工況一致的邊界條件，獲取葉輪及導葉內部速度場、壓力場等流動特征，并結合性能曲線對比識別不穩定流動區域，為后續優化改造指明方向。

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幾何建模與網格劃分

幾何模型的精確性是CFD仿真分析的基礎。基于原泵水力結構圖紙，建立包括進水流道、葉輪、導葉在內的全流道三維模型。在建模過程中，對葉片表面等關鍵區域保留全部幾何特征，同時忽略微小倒角、孔洞等非關鍵細節，以平衡計算精度與求解效率。

圖6 幾何建模流程示意圖

為保證計算域完整反映實際流動狀態，建立進水流道至導葉出口的完整計算域。采用非結構化網格與局部加密技術，對葉片表面、導葉進口等流動變化劇烈區域進行網格細化，非關鍵區域采用較粗網格以提升計算效率。各過流部件網格數量如下：進水流道：192.1萬，葉輪：283.7萬，導葉：235.4萬

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邊界條件與求解設置

為準確模擬25℃清水介質條件下的實際運行狀態，邊界條件與求解參數嚴格按照現場測試工況設定。進口采用壓力邊界條件，出口采用流量邊界條件，固壁邊界設為光滑無滑移壁面。湍流模型選取RNG k-ε模型，該模型對旋轉流動及強旋流具有較好適應性。空間離散采用二階精度格式，求解算法選用SIMPLEC算法，計算收斂準則設置為1×10??。

表1 求解器主要參數設置

上述求解設置能夠較好模擬機組在寬工況條件下的復雜三維湍流流動。利用高性能計算資源進行數值求解，可獲得各工況下內部流場的速度、壓力等詳細數據，為后續流場分析及性能評估提供依據。

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內部流場特性分析

通過對數值仿真結果進行后處理，提取葉輪及導葉內部的速度云圖、壓力分布及整體流態。結果表明，原機組在偏工況運行條件下，葉輪出口區域存在明顯流動分離現象，局部區域出現回流渦團，與現場“駝峰”現象的理論分析相吻合。

圖7 葉輪速度場及壓力分布云圖

從速度場分布可以看出，葉輪流道內速度分布不均勻，高速區域主要集中于葉片工作面靠近出口側，最大速度達到36.018 m/s，而葉輪進口吸力面附近速度較低，約為9.044~9.048 m/s，存在明顯速度梯度。這種不均勻分布易引起局部流動分離，增加內部能量損失。

圖8 導葉流態及壓力分布云圖

壓力分布云圖顯示，導葉內部壓力整體呈逐漸恢復趨勢，但局部區域出現壓力波動：高壓區約0.400 MPa，低壓區低至0.003 MPa。部分導葉流道內存在非均勻壓力場，表明流動未完全沿設計方向展開，產生額外的沖擊損失。

圖9 整體流態與軸向力-流量（Q-F）曲線

從整體流態可以看出，部分流道內出現流動偏斜及二次流現象。軸向力隨流量變化曲線（Q-F）顯示，在低流量工況下軸向力波動較大，這與葉輪前后蓋板壓力分布不均有關，進一步印證了現場運行中出現的振動及穩定性問題。

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葉輪優化設計仿真方案對比

針對原葉輪的仿真結果，重新優化葉片型線，減少出口角度，降低二次回流；增加葉輪流道出口寬度，降低出口流速，使得從進口到出口的面積變化趨勢更加平緩，讓葉片流道之間的速度變化更加均勻。為了尋找最優尺寸及型線方案，采用了多方案計算優選模式，并對計算方案進行對比選優，多方案計算曲線對比見下圖。

圖10 優化設計葉輪多方案對比

表2 方案FA1仿真計算結果

表3 方案FA2仿真計算結果

表4 方案FA3仿真計算結果

改造結果對比

為驗證優化改造效果，本項目基于CFD仿真方案FA2預測結果完成新型葉輪設計及加工制造。改造后于2025年5月21日對21，測試采用調節閥門開度和調節頻率兩種方法，并將實測數據與CFD仿真曲線進行對比，從揚程曲線形態、運行效率及穩定性等角度評估改造效果。

圖11 項目實物葉輪及葉輪三維實體圖

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CFD仿真與改造前后對比

將實測曲線與仿真曲線進行對比，發現仿真曲線和實測曲線的趨勢幾乎一致。在流量揚程曲線對比上，仿真揚程稍高，但整體曲線趨勢高度一致；流量效率曲線對比也是仿真效率較高，可能是仿真時未考慮間隙泄漏，高效區域幾乎一致。整體工況數據上稍有偏差，但在可接受范圍內。

圖12 CFD仿真曲線與改造后測試曲線對比

圖13 改造前與改造后曲線對比

從曲線對比可以看出：

• 改造后的曲線變陡，在同等流量區間，改造后的揚程變化值明顯高于改造前，說明揚程變化1個刻度時流量變化幅度較小，調度穩定性顯著提升；

• 最高效率比改造前有顯著提升，最高效率提升6.3%，節能效果明顯；

• 最高效率點稍微往小流量偏移，滿足當下實際運行工況。

圖14 改造前后的實測曲線對比（圖例：藍色線-流量（m3/h）、紅色線-壓力/米水柱、黃色線-功率/kW；橫坐標1.0~17.0，縱坐標0~200）

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現場測試結果與運行穩定性

2025年5月21日，對21。測試采用調節閥門開度和調節頻率兩種方法，兩種方法測試數據點一致性較高，在流量3000m3/h附近才出現壓力波動，該區域已脫離實際運行工況點。測試最高機組效率達到78.6%，比原機組最高效率（72.3%）高了6.3%。機組在投入運行后至今未發生震動異常等現象，運行穩定。

表5 21#機組現場測試參數

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改造后機組實時監測數據

下表為2025年5月21日至6月28日期間改造后機組的連續監測數據（部分日期數據略有重復，按原始記錄提取）：

表6改造后機組實時監測數據

從連續監測數據可以看出，改造后機組各項參數運行平穩，各測點數值波動較小，進一步驗證了機組長期運行的穩定性與可靠性。

綜上所述，通過CFD仿真優化設計的新型葉輪，成功消除了原機組的“駝峰”現象，使揚程曲線變陡，調度穩定性顯著提升；最高效率由72.3%提升至78.6%，節能效果明顯；且機組長期運行未出現振動異常，驗證了CFD仿真技術在泵站機組優化改造中的工程應用價值。

改造成果綜合評估

21，項目不僅通過現場測試驗證了水力性能提升，也從經濟、社會和推廣價值三個方面體現出較好的綜合效益。

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經濟效率分析

以21，按智能調度開票方案，對每個揚程下水泵最優工況進行配水經濟分析。選取16m、20m、28m三個典型揚程工況，對比改造前后最優運行參數及節能潛力。

表7 最優點分析對比（改造前后）

以21，按智能調度方案對16m、20m、28m三個典型揚程工況進行經濟分析，改造后機組在不同工況下均表現出較好的節能效果，其中高揚程工況下節能更為顯著。

由上表分析，按最優節能工況運行，計算節能量基本是一樣，千噸水耗差三個揚程工況下分別為（5.04、6.32、8.62）kW/km3，同樣按低揚程占比80%運行時間，高揚程占比20%時間，每年運行150天，21，則年總節能量為：

150*200000*（5.04*0.8+8.62*0.2）/1000=12,096+5,172=17,268（kWh）

綜合測算表明，按電價0.8元/kWh計算，年節約電費約13.8萬元。項目葉輪改造成本約40萬元，投資回收期約3年，具有較好的經濟可行性。若按10年使用壽命計算，累計節約電費可達98萬元以上。

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社會效益

除直接經濟收益外，本次改造還具有較好的社會效益。項目有效降低了能源消耗，減少了碳排放，符合國家“雙碳”發展要求，也為上海水務綠色低碳運行和降本增效提供了實踐案例。與此同時，本項目結合南水北調優秀模型參數與CFD仿真工具，形成了大型機組優化改造的可行路徑，對同類老舊泵站節能改造具有一定示范意義。

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總結與展望

本項目成功完成葉輪優化改造，消除了原機組性能曲線平緩“駝峰”現象，現場測試最高效率提升至78.6%，較原機組提高6.3%，且機組運行穩定，未出現異常振動。

實踐表明，CFD仿真結合參數化優化設計，能夠有效指導大型供水泵站機組節能改造，具有較強工程應用價值。

后續可繼續結合智能調度、變頻優化及高效電機等技術，進一步挖掘節能潛力，推動供水系統持續向高效、低碳方向發展。

編輯整理：《凈 水技術》編輯 楊潔

排版：李濱妤

審核：孫麗華

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