高效节能型水泵在循环水场中的应用

高效节能型水泵在循环水场中的应用

孙智

大庆石化公司水气厂供水车间大庆163714

摘要：大庆石化水气厂第二循环水场通过改造高效节能型水泵，采用三元流叶轮、增加压力平衡装置、喷涂纳米涂层等技术，在水泵性能没有改变的前提下，节能效果明显，实现了预期的效果。

关键词：高效节能循环水泵

1、前言

大庆石化公司第二循环水场是由大庆石油化工设计院设计，二循共有水泵13台，由均投产30年以上，各传动部件已接近或达到其设计使用寿命，使离心泵整体运行可靠性下降，故障率不断升高，导致每年的检修次数增多，检修和维护费用升高，已不能保证循环水系统的长周期运行；同时由于离心泵设备、叶轮、叶型技术落后，造成离心泵运行效率较低，产生大量电耗、水耗、不适于现代化工行业节能生产要求。

2、新方案投用前后的工作情况

为了提高循环水泵的运行效率，保证装置的稳定运行，降低运行能耗，主要做了以下工作：

2．1前期调查

通过对大庆石化水气厂供水车间二循装置循环水系统运行中6台水泵进行现场测量与数据采集、调查分析，综合考虑现有系统工况是否稳定高效运行、节能改造现场施工、节能效益等因素，拟对已具备节能改造条件的9#水泵实施“高效节能泵”的改造。

2．2相关设备改造

改造主要对长沙水泵厂的24SH-9A型号单级双吸离心泵改为上海同沐流体科技生产的600SN-60型高效节能水泵，现场配管连接泵体，驱动电机及出入口管线并没有改变。

3、循环水系统运行状况

3．1性能指标及能耗情况

从水泵整体运行性能和部件运行精度以及工作效果上做了大量的积累，首先从设备运行来看，水泵无明显振动、轴承箱无异常声响。检查部件无损坏，轴承箱密封无漏油现象，水泵运行稳定无异常。

3.2节能原理

目前，国内主要的水泵节能主要有以下几种节能技术：切割叶轮、变频技术、三元流技术。此次节能改造利用了三元流叶轮、纳米涂层、稳流装置及平衡装置等技术，具体原理如下：

3.2.1三元流高效叶轮

三元流技术，实质上就是通过使用先进的泵设计软件《射流一尾迹三元流动理论计算方法》，结合生产现场实际的运行工况，重新进行泵内水力部件（主要是叶轮）的优化设计。具体步骤是：根据实际情况，先对“在用”离心泵的流量、压力、电机耗功等进行测试，并提出常年运行的工艺参数要求，作为泵的设计参数；再使用泵设计软件设计出新叶轮，保证可以和原型互换，在不动管路电路、泵体等条件下实现节能或扩大生产能力的目标。

a．一元、三元流动基本概念

aeh&bfgc是两个相邻的叶片，dcnghid是叶轮前盖板，bkfeja是叶轮后盖板。传统的“一元流理论”，就是把叶轮内的曲形流道abcdefgh，视为一个截面变化的弯曲流管，认为沿流线的流速大小仅随截面大小而变化，但假定在每个横断面上如abcd、efgh等等，流速是相同的。这样在流体力学计算中，流动速度（就只是流线长度坐标）的一元函数。这种简化使泵内部流体力学的计算可以用手工算法得以实现。双吸水平中开泵，就是采用这种理论设计的。

然而由于叶轮流道abcdefgh的三元曲线形状又是高速旋转的，流速（或压力）不但沿流线变化，而且沿横截面abcd，ijkn、efgh等等，任一点都是不相同的，即流速是三元空间圆柱坐标（R、Z）的函数。特别是叶片数也是有限的，流速和压力沿旋转周向（坐标）的变化，正是水泵向流体输入功的最终体现，忽略这一点就无法计算水泵内部的压力变化，这也就是为什么一元流动理论只能计算叶轮进口、出口参数，而不能准确分析叶轮内部流动参数的原因。水泵的效率显然与其内部流动状况的好坏是密不可分的，一元流理论固然简单，但不能完全反映泵内的真实流动，这就在设计上阻碍了泵效率的提高。

b．“射流一尾迹”三元流动

最早在航空用离心压气机中，用激光测速技术观察到“射流一尾迹”现象，如图2所示，弧状弯曲线dh和分别代表两个相邻的叶片，dc为叶片进口边，hg为叶片出口边，W1为叶片进口流速，W2为叶片出口流速，都是不均匀的。t是流动分离点，htv即是尾迹区，是一些低能量流体组成，类似一个旋涡。cdtvg则是射流区可视为无粘性的位流区，可按通常的三元流计算。

关于尾迹区的计算，目前还没有准确的方法，只能依靠半经验的方法加以计算，详见参考文献：。研究表明，由于粘性和压力梯度的存在，泵轮出口沿叶片吸力面及前盖板表面都会有流体的脱流，形成“尾迹”区——它们不但消耗了有用功，降低泵效率，而且由于流道的堵塞，使流量减少。这些都是一元流动理论无法预测和分析的，只有通过“射流一尾迹三元流动”计算才能得出定量分析，这样才能使通过改善叶轮内流动状态，减少进口冲击和出口尾迹脱流等损失，使泵效率真正得以提高。

目前应用的“射流-尾迹三元流动”理论，把叶轮内部的三元立体空间无限地分割，通过对叶轮流道内的各工作点的分析，建立起完整、真实的叶轮内流动的数学模型。通过这一方法，对叶轮流道分析可以做得最准确，反映流体的流场、压力分布也最接近实际。叶轮出口为射流和尾迹（漩涡）的流动特征，在设计计算中得以体现。因此，叶轮也就能更好地满足工况要求，效率显著提高，计算方法如下：叶轮机械内的完全三元流动，应用吴仲华教授创立的S1、S2，两流面理论可以用不同方法求解，一种是流函数方法，这一方法在数学上严谨，但物理上不太直观。另一种是直接计算流体流动速度的流面（或流线）迭代法，这一方法物理上比较直观，反映问题更接近实际，因此现在设计泵叶轮，用的就是这种方法。泵叶轮内部由两个叶片、前后盖板组成一个完整的空间流场，观察者与叶轮同步旋转看到的是与时间无关的定常相对流动，要求计算空间流场中任何一点的相对速度的大小及方向，从而建立的叶轮数学模型。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。在为提供的改造服务中，叶轮前后盖板是设计给定的，对于中间流道内的众多S1流面而言，是先假定形状，逐步迭代修正至计算收敛，从而得出最接近实际的准确设计，得到在具体使用情况下，最合理的叶轮叶片曲线，满足对效率提升的要求。

运行的循环水泵处于高功耗状态下运行，改造后电机运行电流会大大降低，水系统会有更好的流量调节度。

3.2.2高效稳流装置

离心泵叶轮进口的流动状态是影响离心泵性能的一个关键因素，但由于选型或设计不当等原因，工程应用中大多数离心泵都在远离设计工况的偏离工况区运行，从而导致实际运行效率低，浪费了大量能源。

传统的离心水泵工作时因水泵的叶轮高速旋转时在叶轮的吸水口处会形成涡流，由于涡流的产生而消耗了水泵的部分能效，降低了水泵的整体效率。高效稳流装置是由空腔导管、隔水板、预旋调节板等构成，在空腔导管中设置有隔水板，预旋调节板设置在隔水板的前端，其二侧向内的倾斜角与专用水泵叶轮的吸水口处向内的倾斜角向对应。当流体经过预旋构件后，水泵的入水由传统的单通道进入叶轮的吸水口而变成旋转进入且旋转的角度与叶轮转动方向一致，克服了水泵叶轮吸水口处的涡流现象，提高进水口的能效；同时可以改变泵本身的特性来完成运行工况点的调节，能够有效地扩展其高效运行区，改善离心泵在非设计工况点的水力性能。

4、结束语

经过一年的的运行观察，实践证明，该型离心泵在循环水系统中可以发挥重要的作用，通过更新改造，不但提高了技术含量因素，而且增强了离心泵运行可靠性，节约了大量的电耗及检维修费用，降低了员工的巡检强度，保证了工艺过程的顺畅，为技术改造提供了实践和数据依据，推广性较强。