射流——尾跡三元流動技術在水泵節能改造中的應用

邢少偉，吳 明，李 龍

（中國石化勝利油田石油化工總廠，山東 東營 257000）

勝利油田石化總廠利用三元流動技術對循環水泵葉輪進行了技術改造。在不改變泵體、電機、管路系統的前提下，設計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，電機耗電量降低，單耗明顯下降，節能效果顯著。

一、運行現狀及特性分析

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

該泵設計參數(銘牌標定)如下。

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

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

現場采集數據及計算結果如表1。

說明：由于泵出口沒有單獨的流量計，流量為3臺泵循環水量的總和。

通過表1可以看出，泵組的效率只有51%；泵效較低。

二、水泵節能改造技術方案對比

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，有時還得對管線、閥門、配電系統、電機等都作改動。

⑵在電機上增加變頻調速裝置。變頻裝置一次性投資大，且可靠性較差，此方法調整了泵的轉速同時，盡管因轉速降低，電機耗功減少，但由于泵的流量也減少了，噸水電耗并沒有優化，相反對于泵本身效率是下降的，因此噸水電耗有時反而是上升的，節能的效果不好。

表1

⑶對目前使用的泵進行簡單的改造，諸如切割葉輪，多級泵拆級等。這只能使泵降低壓力和流量，泵效率反而降低。這種節能只是降低泵的運行狀態，從而電機功率減少，但是效果和使用范圍局限性很大。

(4)采用國內外領先的泵設計軟件《射流——尾跡三元流動理論》，結合實際的生產運行工況，對葉輪重新優化設計，然后進行制造和更換，提高泵效率，減少能耗。也可以針對實際使用要求，在不動電機、泵體、管線等條件下增大流量、提高壓力，以滿足生產需要。

三、射流——尾跡三元流動技術

1.三元流動概述

水泵由電機帶動泵葉輪旋轉。將機械能轉變為流體的動能和壓力能。在與葉輪同步旋轉的空間坐標系(R、φ、Z)中，任何空間一點均可由此坐標系確定。任何一點的流速W，可表示為該點坐標的函數W=f(R、φ、Z)，這就是三元流動的基本概念。計算圖1流道中任何空間一點的流速W，這就是三元流動解法。也就是說通過三元流動計算，可以得到水泵內任意點的流速。

圖1 葉輪、園柱坐標(R、φ、Z)及流動速度W

2.射流——尾跡三元流動計算方法

在航空用離心壓氣機中，用激光測速技術觀察到射流——尾跡現象；在水泵葉輪試驗中，發現了同樣的現象。在流道出口附近出現了一個低能量流動區，它類似于一個旋渦，稱之為尾跡；其主流部分出口流速W可按三元流動理論作無黏性位流計算得出，這部分稱之為射流。尾跡的出現，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。控制尾跡區成為改進水力效率設計的一個重要目標。1986年最早提出其計算方法。“射流——尾跡三元流動”理論，把葉輪內部無限的分割，通過對葉輪流道內的各工作點的分析，建立葉輪數學模型。通過這一方法，對葉輪流道分析可以做得更準確，反映流體的流場、流速也更接近實際，因此設計的葉輪也就能更好地滿足工況使用，效率顯著提高。

四、改造方案及葉輪對比

1.改造方案確定

通過對我廠水泵的運行狀態進行特性分析后認為最有效、簡捷的方法，就是不改變原泵體、管路、電機等的前提下，根據實際運行工況，重新設計高效率的三元流葉輪，換裝于原泵體內，使泵效率得以提高。

經過對現場3臺運行循環水泵的運行參數(包括流量、出口壓力、管匯壓力和出口閥門的開度等)進行分析和計算，使用北京海魄爾科技有限公司根據《射流——尾跡三元流動水泵設計方法》設計制造的葉輪，提出以下方案。

泵組效率從51%提高到58%，建議暫時不對P3201-8泵(型號12SH-9)進行節能改造。P3201-1~P3201-7(600S-75B)改造后參數為：揚程40m，流量3 200m3/h。這樣，保持總管壓力不低于0.38MPa，兩臺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)

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

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

2.三元流葉輪與原葉輪對比

本次改造運用《射流——尾跡三元流動理論方法》，通過計算機模擬技術，對泵葉輪進行流場計算，分析出葉輪內的流動速度分布，盡量減少水流沖擊和自葉片表面脫流的流動損失。三元流理論設計的葉輪與原一元流設計葉輪除安裝尺寸(軸孔、鍵、密封環)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)葉片進口角與原型泵不同。

由圖2、3可看出，兩者的區別在于：

(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、實施過程及節能效果

600S-75B型水泵葉輪更換為以三元流理論為基礎設計制造的葉輪。更換完畢后，3臺泵采取并聯運行的方式(P3201-8泵未進行改造)，運行參數見表2。

表2

對比表2可以看出：對600S-75B型泵并聯運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%計算，改造后全年預計節電情況如下：

冬季工況(按照150天計算)運行2臺600S-75B型水泵和1臺12SH-9型水泵，節電量為354 240kW·h；夏季工況(按照210天計算)運行3臺600S-75型水泵，節電量為526 932kW·h。全年預計節電量為88.12萬kW·h，每小時節電超過100kW·h。其節能效果十分可觀，并超過改造方案的目標。

[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．離心泵內具有射流——尾跡模型的三元流動計算[J]．工程熱物理學報，1986.6(1)．

[3]沈陽水泵研究所，中國農機院．葉片泵設計手冊[M]．北京：機械工業出版社，1983.