三元流技術在循環水供應系統中的應用

上海寶鋼股份特鋼事業部 袁震

1 項目背景

寶鋼股份特鋼事業部于2007年起，為發揮專業化管理作用，有效提升能源供應的系統整合效應，將事業部中原先隸屬于各生產制造單元的循環水、水處理單元劃歸能源環保部進行集中管理。為推進專業管理，有效開展能源介質供應單元的節能工作，能環部自接收伊始即對各水系統單元開展系統調研。在循環冷卻水供應環節中，我們發現因系統設計中考慮為保證安全及最大產量等制定的設備和運行參數都有較大的冗余，而這些參數與實際生產情況并不完全匹配，設備供應能力大于工況需要。為實現平穩生產供應，現場往往是通過閥門的開啟度來調整供應，導致設備的能量損耗增加,造成了能源的大量浪費。

因生產系統中的冷卻循環水系統一般都是以不間斷方式長期運行,如能有效實現設備和工況的合理匹配，則整個系統將有較大的節能空間。

2 項目的確定

經國內外常用水泵風機節能技術性能的比較并反復論證，我部決定選擇“全三元水泵葉輪設計方法”作為現場解決方案。由上海市節能協會推薦，我部與上海置本節能服務有限公司達成合作意向，在特冶冷軋輥冷卻循環水系統中先行開展三元流技術的改造試驗。

2.1 三元流技術簡介

該技術采用國際上最前沿的泵水力性能解決方案，使用水泵設計軟件《全三元水泵葉輪設計方法》，結合生產現場實際的運行工況，重新進行水泵內水力部件（主要是葉輪）的優化設計；然后進行鑄造、加工和更換，以提高水泵效率，減少能耗。它可以針對實際使用要求，在不改變電機、泵體、管線等條件下增大流量、提高壓力，以滿足生產需要；或者在保證流量、壓力不變的情況下降低電機工作電流，達到節能降耗的目的。

2.2 三元流原理

傳統的“一元流理論”，把葉輪內兩個相鄰葉片間形成的流道，視為一個截面變化的彎曲流管，認為沿流線的流速大小隨截面大小而變化；但假定在每個橫斷面上流速是均勻的。 然而由于葉輪流道的三元曲線形狀又是在等速旋轉之中，流速（或壓力）不但沿流線變化，而且橫截面上任一點都是不相同的，即流速是三元空間圓柱坐標（R、φ、Z）的函數。特別是葉片數也是有限的，流速和壓力沿旋轉周向（φ坐標）的變化，正是水泵向流體輸入功的最終體現，忽略這一點就無法計算水泵的揚程，這也就是為什么“一元流理論”只能計算葉輪進口、出口參數，而不能分析葉輪內部流動參數的原因。

水泵的效率顯然與其內部流動狀況的好壞是密不可分的。傳統的設計者只能根據已有水泵的相似模化總結出一些經驗作法，進行葉輪形狀的設計（如速度數法、保角度變換法等）。由此可見，一元流理論固然簡單，但不能完全反映水泵內的真實流動，這就在設計上阻礙了水泵效率的提高。

由于粘性和壓力梯度的存在，泵輪出口沿葉片吸力面及前蓋板表面都會有流體的脫流，形成“尾跡”區，它們不但消耗了有用功降低水泵效率；而且由于流道的堵塞，使流量減少。這些都是一元流動理論無法預測和分析的；通過全三元“射流—尾跡”流動計算得出定量分析，使我們改善葉輪內流動狀態，減少進口沖擊和出口尾跡脫流等損失，使水泵效率真正得以提高。

2.3 三元流改造步驟

該技術能根據用戶的實際情況，先對在用離心泵的流量、壓力、電機功耗等進行測試，并提出常年運行的工藝參數要求；再使用《全三元水泵葉輪設計方法》設計出水泵內過流元件——葉輪，保證可以和原型互換，在不動管路、電路、泵體等條件下，更換水力部件；在同樣測試條件下，對改型水泵進行測試比較，若效果不理想，結合實際工況作第二次調整，更換新的水力部件，即可達到預期目標。

3 項目實施

3.1 現狀調查

冷軋輥冷卻循環水系統有兩套系統：冷軋輥循環系統、冷卻水泵系統，以下簡稱機組。下面分析二個系統：

（1）B1（1#～3#）泵組

該系統共有3套機組，水泵型號均為HS200-150-450A型；配套電機型號均為Y2-315S-4型。實際運行數據如下。

1#機組：

電機輸入功率為125kW

機組效率為57.77%≈58%

2、B2(1#～3#)泵組

3＃機組

電機輸入功率為131kW

機組效率為54.95%≈55%

通過以上的分析計算可以看出機組的實際運行效率在比原設計效率低的狀態下運行；電耗高，經濟性差。

3.2 改進方案

該系統共有B1、B2兩個泵組，我們選定在B2-3#水泵上進行先期試驗，以上海置本節能服務有限公司設計制作的全三元流高效葉輪更換水泵原葉輪。在確保滿足生產工藝要求、循環水系統與改造前同樣的壓力和流量條件下，不改動機泵等設備基礎、循環水管路和電機，達到提高機組效率、降低機組（電機）平均電耗的目的。

3.3 方案實施

我部在項目初期就選擇了有豐富經驗的人員組成管理體系，確定項目負責人，做到科學管理，安全文明施工。制定了詳細的施工方案和施工進度計劃，對工程進度、質量、資金全面負責。自現場采集確認運行數據起，經過設備測量、計算、元件改造等環節，順利的完成全部計劃施工內容。

施工期間，我們與設備制造單位、設備安裝單位緊密合作，精心組織施工，改造工作圓滿完成。

4 項目效果

為了確認水泵葉輪改造后的實際節能效果，在改造完畢后，為了檢驗改造后的效果，對該泵組每小時運行的流量、壓力、電流、總的用電量進行記錄。對已改造并投入使用的水泵進行多次測試，并進行節能效果的對比分析：

B2(1#～3#)泵組

流量Q為550＋25m3/h；揚程H為45～47m。

機組效率△η≥16%；電機正常實際輸入功率下降23～24kW。

改造前每噸水電耗為0.181kW/t

改造后每噸水電耗為0.164kW/t

節電率為9.39%

經確認改造后用三元流葉輪運行的B2-3#水泵運行平穩、安全，節電率達到9.39%。

5 結束語

水泵、風機是工業領域中最為廣泛的必不可缺的基礎性設備，在大多數生產企業中水泵、風機的能耗占全部能耗的15%～55%。根據泵行業的特性，絕大多數的泵系統，無論其新或舊，都由于普通一元葉輪存在射流尾跡的影響，無法與生產企業的實際使用工況相匹配。而通過三元流設計的葉輪，可以從根本上提高泵效率，真正達到節能降耗的目的。通過本次全三元流水泵改造技術的應用，很大程度上提高了水泵運行效率，達到了實際使用要求，節電效果較顯著。此次改造選擇的系統投運時間不長，設備狀態相對較好，對其他屬性的老的循環系統的節能改造有良好的借鑒意義。因此我部已著手開展計劃制定，在下階段中將此技術在其他單元開展推廣應用。