射流——尾跡三元流動(dòng)技術(shù)在水泵節(jié)能改造中的應(yīng)用

邢少偉，吳 明，李 龍

（中國(guó)石化勝利油田石油化工總廠，山東 東營(yíng) 257000）

勝利油田石化總廠利用三元流動(dòng)技術(shù)對(duì)循環(huán)水泵葉輪進(jìn)行了技術(shù)改造。在不改變泵體、電機(jī)、管路系統(tǒng)的前提下，設(shè)計(jì)制造了新型三元流葉輪，代替原泵的普通葉輪；改造后，流量增加，電機(jī)耗電量降低，單耗明顯下降，節(jié)能效果顯著。

一、運(yùn)行現(xiàn)狀及特性分析

勝利油田石化總廠二循有8臺(tái)水泵，編號(hào)為P3201-1~P3201-7和P3201-8；P3201-1~P3201-7(7臺(tái)泵)的型號(hào)為600S-75B，P3201-8的型號(hào)為12SH-9；冬天運(yùn)行2臺(tái)600S-75B型和1臺(tái)12SH-9型水泵，夏天運(yùn)行3臺(tái)600S-75B型水泵。

該泵設(shè)計(jì)參數(shù)(銘牌標(biāo)定)如下。

P3201-1~P3201-7(7臺(tái))泵：流量Q=2 710m3/h，揚(yáng)程H=55m；配套電機(jī)的額定功率N e=560kW，額定電壓U=6 000V，額定電流I=67.9A；

P3201-8泵(型號(hào)12SH-9)：流量Q=792m3/h，揚(yáng)程H=68m；配套電機(jī)的額定功率N e=220kW，額定電壓U=6 000V，額定電流I=25.5A。

現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如表1。

說(shuō)明：由于泵出口沒(méi)有單獨(dú)的流量計(jì)，流量為3臺(tái)泵循環(huán)水量的總和。

通過(guò)表1可以看出，泵組的效率只有51%；泵效較低。

二、水泵節(jié)能改造技術(shù)方案對(duì)比

目前，離心泵提高效率的方法主要有以下幾種：

⑴更換新泵。投資大、施工周期長(zhǎng)，有時(shí)還得對(duì)管線、閥門(mén)、配電系統(tǒng)、電機(jī)等都作改動(dòng)。

⑵在電機(jī)上增加變頻調(diào)速裝置。變頻裝置一次性投資大，且可靠性較差，此方法調(diào)整了泵的轉(zhuǎn)速同時(shí)，盡管因轉(zhuǎn)速降低，電機(jī)耗功減少，但由于泵的流量也減少了，噸水電耗并沒(méi)有優(yōu)化，相反對(duì)于泵本身效率是下降的，因此噸水電耗有時(shí)反而是上升的，節(jié)能的效果不好。

表1

⑶對(duì)目前使用的泵進(jìn)行簡(jiǎn)單的改造，諸如切割葉輪，多級(jí)泵拆級(jí)等。這只能使泵降低壓力和流量，泵效率反而降低。這種節(jié)能只是降低泵的運(yùn)行狀態(tài)，從而電機(jī)功率減少，但是效果和使用范圍局限性很大。

(4)采用國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的泵設(shè)計(jì)軟件《射流——尾跡三元流動(dòng)理論》，結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行工況，對(duì)葉輪重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行制造和更換，提高泵效率，減少能耗。也可以針對(duì)實(shí)際使用要求，在不動(dòng)電機(jī)、泵體、管線等條件下增大流量、提高壓力，以滿足生產(chǎn)需要。

三、射流——尾跡三元流動(dòng)技術(shù)

1.三元流動(dòng)概述

水泵由電機(jī)帶動(dòng)泵葉輪旋轉(zhuǎn)。將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w的動(dòng)能和壓力能。在與葉輪同步旋轉(zhuǎn)的空間坐標(biāo)系(R、φ、Z)中，任何空間一點(diǎn)均可由此坐標(biāo)系確定。任何一點(diǎn)的流速W，可表示為該點(diǎn)坐標(biāo)的函數(shù)W=f(R、φ、Z)，這就是三元流動(dòng)的基本概念。計(jì)算圖1流道中任何空間一點(diǎn)的流速W，這就是三元流動(dòng)解法。也就是說(shuō)通過(guò)三元流動(dòng)計(jì)算，可以得到水泵內(nèi)任意點(diǎn)的流速。

圖1 葉輪、園柱坐標(biāo)(R、φ、Z)及流動(dòng)速度W

2.射流——尾跡三元流動(dòng)計(jì)算方法

在航空用離心壓氣機(jī)中，用激光測(cè)速技術(shù)觀察到射流——尾跡現(xiàn)象；在水泵葉輪試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。在流道出口附近出現(xiàn)了一個(gè)低能量流動(dòng)區(qū)，它類(lèi)似于一個(gè)旋渦，稱(chēng)之為尾跡；其主流部分出口流速W可按三元流動(dòng)理論作無(wú)黏性位流計(jì)算得出，這部分稱(chēng)之為射流。尾跡的出現(xiàn)，不但降低了葉輪的水力效率，而且因減少了有效通流面積，也使泵的流量減少。控制尾跡區(qū)成為改進(jìn)水力效率設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)。1986年最早提出其計(jì)算方法?！吧淞鳌槽E三元流動(dòng)”理論，把葉輪內(nèi)部無(wú)限的分割，通過(guò)對(duì)葉輪流道內(nèi)的各工作點(diǎn)的分析，建立葉輪數(shù)學(xué)模型。通過(guò)這一方法，對(duì)葉輪流道分析可以做得更準(zhǔn)確，反映流體的流場(chǎng)、流速也更接近實(shí)際，因此設(shè)計(jì)的葉輪也就能更好地滿足工況使用，效率顯著提高。

四、改造方案及葉輪對(duì)比

1.改造方案確定

通過(guò)對(duì)我廠水泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行特性分析后認(rèn)為最有效、簡(jiǎn)捷的方法，就是不改變?cè)皿w、管路、電機(jī)等的前提下，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況，重新設(shè)計(jì)高效率的三元流葉輪，換裝于原泵體內(nèi)，使泵效率得以提高。

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)3臺(tái)運(yùn)行循環(huán)水泵的運(yùn)行參數(shù)(包括流量、出口壓力、管匯壓力和出口閥門(mén)的開(kāi)度等)進(jìn)行分析和計(jì)算，使用北京海魄爾科技有限公司根據(jù)《射流——尾跡三元流動(dòng)水泵設(shè)計(jì)方法》設(shè)計(jì)制造的葉輪，提出以下方案。

泵組效率從51%提高到58%，建議暫時(shí)不對(duì)P3201-8泵(型號(hào)12SH-9)進(jìn)行節(jié)能改造。P3201-1~P3201-7(600S-75B)改造后參數(shù)為：揚(yáng)程40m，流量3 200m3/h。這樣，保持總管壓力不低于0.38MPa，兩臺(tái)600S-75B泵流量6 400m3/h左右，再加上P3201-8(12SH-9型泵)總流量在7 100m3/h左右。

泵組電機(jī)功率為：

P＝(ρ×g×H×Q)/ηT

＝(1 000×9.81×40×6 400/3 600)/0.58

＝1 202(kW)

這樣在運(yùn)行總電流不大于122A，單泵運(yùn)行平均電流61A，運(yùn)行泵組運(yùn)行電流總和下降了10A，粗略估算年節(jié)電為：

(10×6 000×1.732×0.8)×24×365=73.8(萬(wàn)kW·h)

2.三元流葉輪與原葉輪對(duì)比

本次改造運(yùn)用《射流——尾跡三元流動(dòng)理論方法》，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，對(duì)泵葉輪進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，分析出葉輪內(nèi)的流動(dòng)速度分布，盡量減少水流沖擊和自葉片表面脫流的流動(dòng)損失。三元流理論設(shè)計(jì)的葉輪與原一元流設(shè)計(jì)葉輪除安裝尺寸(軸孔、鍵、密封環(huán))相同外，葉片形狀有很大的變化(圖2、3)。

圖2 雙吸葉輪葉片的子午面視圖(左半面)

圖3 葉片前視圖

主要變化如下：

(1)子午流道三元流葉輪直徑減小，而出口寬度增大。(2)葉片扭曲度三元流葉片較一元流大。

(3)葉片出口角與原型泵不同。

(4)葉片進(jìn)口角與原型泵不同。

由圖2、3可看出，兩者的區(qū)別在于：

(1)子午流道三元流葉片加寬了許多，特別是輪轂減少使流通能力增大。

(2)子午流道三元流葉輪直徑減小，葉輪直徑由672mm降到了610mm；出口寬度由120mm增大到125mm。

(3)三元流葉片的扭曲程度較一元流的大很多。

五、實(shí)施過(guò)程及節(jié)能效果

600S-75B型水泵葉輪更換為以三元流理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制造的葉輪。更換完畢后，3臺(tái)泵采取并聯(lián)運(yùn)行的方式(P3201-8泵未進(jìn)行改造)，運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

表2

對(duì)比表2可以看出：對(duì)600S-75B型泵并聯(lián)運(yùn)行出口管壓基本保持不變，流量基本保持不變了的情況下，電流明顯降低，電流總和從原來(lái)的154A減少為144A；耗電量由1 280kW·h減少為1 198kW·h，減少了6.4%；單耗由0.177 kW·h/m3降低到0.167kW·h/m3，減少了6%。

如果按照單耗降低6%計(jì)算，改造后全年預(yù)計(jì)節(jié)電情況如下：

冬季工況(按照150天計(jì)算)運(yùn)行2臺(tái)600S-75B型水泵和1臺(tái)12SH-9型水泵，節(jié)電量為354 240kW·h；夏季工況(按照210天計(jì)算)運(yùn)行3臺(tái)600S-75型水泵，節(jié)電量為526 932kW·h。全年預(yù)計(jì)節(jié)電量為88.12萬(wàn)kW·h，每小時(shí)節(jié)電超過(guò)100kW·h。其節(jié)能效果十分可觀，并超過(guò)改造方案的目標(biāo)。

[1]吳仲華，A General Theory．Three—Dimensional Flow in Subsonic and Supersonics Turbo machines of Axial-，Radial-and Mixed-Flow Types．NASA TN2604.1952．

[2]劉殿魁．離心泵內(nèi)具有射流——尾跡模型的三元流動(dòng)計(jì)算[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)，1986.6(1)．

[3]沈陽(yáng)水泵研究所，中國(guó)農(nóng)機(jī)院．葉片泵設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.