地热换热站循环水泵功率能耗在线监测系统与能耗双控监管方案研究

摘要

循环水泵是地热换热站水循环系统的动力核心，承担地热水开采输送、供暖管网水循环、地热回灌注水三大关键任务，水泵长期运行的功率变化、整体能耗水平，直接关系地热项目电能消耗、采灌系统运行效率。部分换热站存在老旧水泵能耗过高、水泵空转憋压、变频控制系统失效导致恒定高功率运行等问题，造成大量电能浪费；同时区域地热项目整体用电能耗缺乏统一监管，难以落实国家能耗双控政策。本文设计循环水泵功率能耗在线监测系统，采用智能电力采集终端实时采集开采泵、回灌泵、管网循环泵的瞬时功率、运行电流电压、日累计耗电量等参数，数据无线上传地热监管平台；平台建立单泵能耗基线模型与区域集群能耗管控体系，针对单泵功率异常突变、长期高能耗运行发出设备故障预警，同时对区域地热项目总能耗进行统计管控，落实能耗双控指标。通过12座换热站为期一年的应用表明，该系统可精准识别水泵叶轮结垢、变频失灵、管路憋压等故障，帮助运维企业优化水泵运行策略，平均单站水泵综合电耗下降16.3%；区域能耗统计功能满足主管部门能耗双控常态化监管要求，兼顾地热供暖民生保障与节能减排政策落地，为地热行业绿色低碳发展提供能耗管控技术方案。

关键词：循环水泵；功率能耗监测；智能电力终端；能耗双控；设备故障预警；地热节能减排

1 引言

地热换热站内配备多台大功率循环水泵，分为地热开采深井泵、回灌加压泵、末端供暖管网循环泵三类，是换热站内电能消耗占比最高的设备，水泵能耗通常占据换热站总用电量的70%以上。水泵运行工况与管路通畅程度、水泵叶轮状态、变频控制系统性能高度相关：当井筒管路、管网内壁结垢堵塞时，管路流通阻力变大，水泵会出现憋压运行，瞬时功率大幅升高，不仅耗电量激增，还极易烧毁电机绕组；水泵叶轮长期被地热流体砂砾冲刷磨损后，水力效率下降，想要达到同等水循环流量，水泵必须维持更高运行功率；变频控制系统故障失灵时，水泵无法根据供暖负荷动态调节功率，全年恒定满功率运行，在供暖淡季造成严重电能浪费。

在国家能耗双控大背景下，各地发改、住建、自然资源主管部门对大型地热供暖集群项目提出了整体用电能耗管控要求，需要实时掌握区域所有换热站水泵设备能耗数据，统筹分配年度能耗指标。过去换热站水泵能耗依靠人工月度抄录电表统计，只能获取月度总耗电量，无法区分水泵各自能耗，也无法捕捉单日功率异常波动，不能及时发现水泵故障造成的能耗异常飙升；区域层面缺少统一的能耗汇总平台，难以完成能耗双控台账上报、指标动态调控工作。因此，对站内各台循环水泵开展分机功率、能耗在线监测，配套构建单设备故障预警+区域集群能耗双控监管平台，成为地热行业落实节能减排政策、保障设备安全运行的重要举措。

本文采用分路智能电力采集终端，对每一台循环水泵进行独立的电功率参数采集，边缘终端完成功率异常逻辑判断与能耗累计统计；云端平台建立水泵历史能耗基线，自动识别功率突变、长期高能耗等异常工况并告警；同时平台汇总区域所有换热站水泵总能耗，对标年度能耗指标实现能耗双控动态管控，当区域能耗临近指标上，监管部门可督促各个站点优化水泵变频运行策略，在保障供暖的前提下降低整体能耗。

2 水泵功率能耗在线监测系统整体设计

系统由分路电力感知终端、站内边缘处理控制柜、物联网传输模块、云端能耗双控监管平台四部分组成，实现单泵精细化能耗监测、故障预警、区域能耗统筹管控功能。

2.1 分路智能电力感知终端

在每台循环水泵的独立供电回路上安装开合式智能电力终端，无需断电改造原有配电柜线路，兼容新旧水泵电控系统。终端可以实时采集单相/三相交流电的电压、工作电流、功率因数、瞬时有功功率，自动累计每日、每月单台水泵的有功耗电量。终端内置防雷、过压保护结构，适配换热站复杂的电磁干扰环境，设备测量功率误差小于±1%，满足能耗计量精度要求。终端支持总线组网，多个电力终端接入同一台边缘控制柜，简化站内布线施工。针对变频水泵，终端可适配变频交流电参数采集，精准捕捉变频状态下动态功率变化，解决传统电表无法测量变频设备能耗的短板。

2.2 站内边缘控制柜本地处理

边缘控制柜接收各个水泵电力终端的功率、能耗数据，为每台水泵建立专属运行功率基线区间。当水泵瞬时功率短时间内大幅超过基线上限，判定为管路憋压、叶轮卡堵故障，控制柜本地声光报警，提醒站内运维人员停机检修；当水泵在供暖淡季负荷较低时长期维持满功率运行，则判定为变频控制系统失效，推送优化整改提醒。控制柜本地存储至少两年的单泵能耗历史数据，用于后期能耗趋势复盘、设备全生命周期能耗分析。同时控制柜汇总本站所有水泵总耗电量，上传至云端平台。

2.3 云端能耗双控监管平台

平台分为单设备管理模块与区域集群能耗管控模块。单设备模块：展示每台水泵实时功率曲线、月度能耗报表，对比历年同期能耗数据，分析水泵能效衰减趋势，预判设备大修节点；区域集群模块：汇总辖区全部地热换热站水泵总耗电量，对接主管部门下发的年度能耗指标，实时展示能耗使用进度。平台设置能耗进度三级提醒：能耗进度达到年度指标70%发出一级提醒，督促各站点优化变频运行策略；达到90%发出二级预警，监管部门下达节能整改通知；达到98%发出三级紧急预警，统筹区域站点错峰优化运行，严控能耗不突破指标。平台自动生成月度、年度区域地热项目能耗台账报表，可直接上报发改部门完成能耗双控台账备案。

3 水泵功率异常故障识别逻辑

系统通过两种逻辑识别故障：一是瞬时功率突变逻辑，水泵运行功率在短时间内增幅超过30%，大概率为管路结垢堵塞、异物卡住叶轮；二是长期能效衰减逻辑，在同等水循环流量、同等运行时长下，月度能耗逐年上升超过10%，代表水泵叶轮磨损水力效率下降，需要大修更换叶轮组件。两种逻辑结合，区分瞬时突发故障与长期老化故障，给出差异化运维建议。

4 站点应用实测结果

选取区域内12座地热换热站开展为期一年的水泵能耗监测系统落地应用，包含深井开采泵、回灌加压泵、管网循环泵共计41台大功率水泵。系统全年精准识别管路憋压故障9起、变频系统失灵6起、水泵叶轮老化能效衰减4起，运维人员及时开展管路除垢、电控维修、水泵大修工作，避免了电机烧毁等重大设备损坏事故。通过运维企业根据平台能耗数据优化水泵变频运行策略，根据冬季不同气温动态调节水泵运行功率，12座换热站水泵整体平均电耗下降16.3%。在区域能耗管控层面，平台实时跟踪区域总能耗进度，在能耗临近年度指标阈值时，监管部门统筹各换热站优化运行方案，本年度区域地热项目水泵能耗最终控制在年度能耗指标以内，顺利完成能耗双控考核。对比往年依靠人工抄表、区域能耗模糊统计的模式，能耗管控精细化程度实现质的提升。

5 系统优化方案

其一，将水泵能耗数据与流量监测系统联动，建立“单位水循环流量能耗"能效指标，更客观评价水泵水力运行效率，排除流量变化对能耗数值的干扰；其二，对接换热站热泵机组能耗、站内照明等其他用电设备监测，实现换热站全站用电能耗一体化监测；其三，平台增加能耗优化算法建议，根据历史气温、流量数据，自动给出不同季节水泵变频功率运行方案，辅助运维智能化节能运行。

6 结论

循环水泵功率能耗在线监测系统通过分路智能电力终端实现了单台水泵精细化功率与能耗计量，依托边缘端功率基线算法能够精准识别管路堵塞、变频失灵、叶轮老化等各类水泵故障，帮助运维企业提前开展设备维保，避免设备烧毁重大故障，同时通过优化运行策略实现显著节电效果。云端平台兼具单站设备运维管理与区域集群能耗统筹管控两大功能，既解决了传统人工抄表能耗数据滞后、无法区分单泵能耗、故障发现滞后的运维痛点，又满足了国家能耗双控政策下区域地热项目能耗台账统计、能耗指标动态管控的监管需求。经过一年多换热站集群实测，系统计量精度高、节能成效明显、监管台账，实现了设备安全运维、项目节能降耗、政府能耗管控三方共赢。该能耗监测方案可广泛应用于各类地热换热站改造项目与新建地热系统，是地热行业向着绿色低碳、精细化运维、数字化监管转型的关键配套监测系统。