離心泵效率提升實(shí)踐

翁俊

（四川省宜賓惠美線業(yè)有限責(zé)任公司，四川宜賓 644000）

離心泵效率提升實(shí)踐

翁俊

（四川省宜賓惠美線業(yè)有限責(zé)任公司，四川宜賓 644000）

分析離心泵工作效率低的原因，離心泵的運(yùn)行工況點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)工況是造成離心泵效率低下的主要原因；離心泵由于結(jié)構(gòu)型式存在機(jī)械損失、容積損失、流動(dòng)損失，使得自身運(yùn)行效率低下；管路效率低下也是造成能源浪費(fèi)的原因。結(jié)合離心泵性能特性曲線和管路特性曲線提出了離心泵高效工作范圍的概念，提出解決離心泵實(shí)際運(yùn)行效率低下的方法，包括減少離心泵的水力損失，進(jìn)行切割葉輪和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以及改善密封等措施。

離心泵；葉輪；運(yùn)行效率；節(jié)能

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.70

0 概述

當(dāng)前能源不斷緊缺，節(jié)能和能源開發(fā)技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。泵在人們生活中使用廣泛，是主要的耗能設(shè)備之一。由于離心泵本身的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)所限，該類型的泵效率普遍偏低，分析水泵效率偏低的原因，如何提高水泵效率、降低水泵耗能是公司始終研究的課題，高效運(yùn)行的水泵能夠?qū)λ圃觳康墓?jié)能、降耗工作起到直觀而積極的作用。

1 離心泵效率偏低的原因分析

1.1 離心泵的運(yùn)行工況點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)工況

離心泵的工作參數(shù)有轉(zhuǎn)速n、揚(yáng)程H、流量Qv和效率η，當(dāng)離心泵的揚(yáng)程發(fā)生變化，其他參數(shù)也發(fā)生相應(yīng)的變化，離心泵在設(shè)計(jì)工況下效率最高。當(dāng)選用離心泵的揚(yáng)程高或流量太大，運(yùn)行工況點(diǎn)偏離了設(shè)計(jì)工況會(huì)造成效率低下。

1.2 離心泵內(nèi)的各種損失

液體流過葉輪的損失包括機(jī)械損失、流動(dòng)損失和容積損失，與之相應(yīng)的就有機(jī)械效率、容積效率和流動(dòng)效率。機(jī)械損失包括軸與軸承的摩擦損失，軸與軸端密封的摩擦損失及葉輪圓盤的摩擦損失；影響摩擦損失的因素比較多。容積損失包括由葉輪密封環(huán)處和級(jí)間以及軸向力平衡機(jī)構(gòu)處的泄漏損失；流動(dòng)損失由液體流過葉輪、蝸殼、擴(kuò)壓器產(chǎn)生的沿程摩擦損失以及流過上述各處的局部阻力損失。離心泵效率η=ηhηvηm，其中，ηh為流動(dòng)效率，在0.80%～0.95%；ηv為容積效率，在0.90%～0.95%；ηm為機(jī)械效率，在0.90%～0.97%。可見，提高離心泵的效率應(yīng)該從各個(gè)方面來減少機(jī)械損失、容積損失和流動(dòng)損失。

1.3 管路效率低

當(dāng)被輸送液體流量或揚(yáng)程發(fā)生變化，經(jīng)常見到的處理方法是調(diào)節(jié)閥門，這一方法雖然方便，但卻造成管路阻力損失大，使離心泵在低效率狀態(tài)下運(yùn)行。

1.4 離心泵自身效率低

保證離心泵運(yùn)行效率較高首先應(yīng)該選擇高效離心泵，但是由于檢修安裝質(zhì)量不高，導(dǎo)致機(jī)械損失、流動(dòng)損失、容積損失加大，使得高效離心泵沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用，造成高效泵在低效率狀態(tài)下運(yùn)行。此外在選擇離心泵時(shí)往往按照最大流量和揚(yáng)程并考慮一定的富余來選擇離心泵，結(jié)果出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，不能達(dá)到降低能耗的目的。離心泵實(shí)際運(yùn)行效率是判斷離心泵運(yùn)行是否經(jīng)濟(jì)的主要指標(biāo)。合理選擇離心泵保證離心泵高效率運(yùn)行具有重要意義。

2 離心泵的高效工作范圍

2.1 離心泵在管路中工作時(shí)的工作點(diǎn)

離心泵運(yùn)行效率的高低取決于其運(yùn)行工作點(diǎn)的位置。由于離心泵串聯(lián)在管路中，因此泵的流量和揚(yáng)程必須同時(shí)滿足管路特性方程L=f1（qv）和泵的特性方程H=f2（qv），泵特性曲線與管路特性曲線交點(diǎn)P即泵的工作點(diǎn)（圖1）。離心泵的工作點(diǎn)P如果對(duì)應(yīng)的效率較高，即泵運(yùn)行在高效狀態(tài)，滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

圖1 離心泵工作點(diǎn)

2.2 離心泵的高效工作范圍

要保證離心泵的工作點(diǎn)能夠?qū)?yīng)離心泵效率較高，如圖2在泵的效率特性曲線上由ηmax向下移動(dòng)Δη（5%～8%）得到離心泵工作的高效范圍ab，由a，b作qv坐標(biāo)軸的垂線與H-qv（D2）離心泵特性曲線交于A、B，則AB為離心泵的高效工作區(qū)。當(dāng)離心泵的工況點(diǎn)落在特性曲線AB之間，則離心泵處于高效狀態(tài)下運(yùn)行。若離心泵的工作點(diǎn)不在AB之間，可以通過切割葉輪或改變轉(zhuǎn)速的方法來改變離心泵的特性曲線，使得離心泵的工作點(diǎn)落在高效工作區(qū)。圖2中AB是未切割葉輪外徑D2且轉(zhuǎn)速為n時(shí)的離心泵特性曲線H-qv（D2）高效工作區(qū)；CD表示達(dá)到葉輪最大切割量D2min′且轉(zhuǎn)速為n時(shí)的離心泵特性曲線H′-qv′（D2min′）切割后高效工作區(qū)；AC，BD分別表示過A，B兩條等效曲線H1=KAqv2和H2=KBqv2，四邊形ABDC即為離心泵的高效工作范圍。當(dāng)離心泵的工作點(diǎn)落在高效工作范圍內(nèi)能夠保證離心泵在高效狀態(tài)下運(yùn)行。

3 提高離心泵效率的措施

3.1 減少流動(dòng)摩擦損失的措施

離心泵的過流表面如蝸殼，由于采用鑄件，一般不進(jìn)行機(jī)械加工，表面比較粗糙，增加了流體的流動(dòng)損失?？梢酝ㄟ^如下方法：①利用在過流元件的表面涂刷涂料或涂漆的方法，使泵的效率可提高2%～3%；②對(duì)葉輪蓋板和泵體粗糙面用砂輪拋光，可提高泵效率2%～4%。此外，流道不宜過分加長(zhǎng)，否則增加流動(dòng)損失降低離心泵的工作效率。

圖2 離心泵的高效工作范圍

3.2 減少?zèng)_擊損失的措施

為了保證液流進(jìn)入葉道沿整個(gè)葉片高度無沖擊，同樣使葉道中各條流線中的液流能得到同樣的揚(yáng)程，可將葉片作成具有空間曲面形狀的扭曲葉片。當(dāng)流量偏離設(shè)計(jì)流量較多時(shí)，根據(jù)進(jìn)口速度三角形可知，在葉片進(jìn)口處產(chǎn)生沖擊損失，利用活動(dòng)葉片可根據(jù)流量調(diào)節(jié)葉片寬度，減少?zèng)_擊，達(dá)到變工況條件下節(jié)能的目的。

3.3 葉輪切割的節(jié)能措施

在葉輪的最大切割余量允許范圍內(nèi)，葉輪切割前后，由切割定理可知，Qv′/Qv=D2′/D2，H′/H=（D2′/D2）2，P′/P=（D2′/D2）3。隨葉輪直徑減小，泵的流量、揚(yáng)程、功率減小，其中功率減小更多。因此，切割葉輪或把原來的葉輪去掉而換上同類直徑較小的葉輪，是一種簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)的措施。水泵比轉(zhuǎn)速ns=（3.65nQ1/2）/H3/4，其中，n為轉(zhuǎn)速，r/min；Q為流量，m3/s；H為揚(yáng)程，m。水泵比轉(zhuǎn)速與切削量的關(guān)系見表1。

表1 葉輪切削限度與泵比轉(zhuǎn)速關(guān)系

3.4 離心泵調(diào)速的節(jié)能措施

離心泵是根據(jù)最大負(fù)荷選用的，但最大負(fù)荷時(shí)間較短，當(dāng)離心泵的運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，可利用改變轉(zhuǎn)速的方法來改變其流量、揚(yáng)程和軸功率。當(dāng)葉輪直徑不變而葉輪轉(zhuǎn)速改變不多時(shí)，由相似定律可知，Qv′/Qv=n′/n，H′/H=（n′/n）2，P′/P=（n′/n）3。同切割定律，轉(zhuǎn)速降低則流量、揚(yáng)程和功率隨之降低，尤其功率降低更多，因此降低離心泵的轉(zhuǎn)速是變工況條件下實(shí)現(xiàn)節(jié)能的重要方法。就是通常所說的變頻調(diào)節(jié)技術(shù)。

3.5 采用合理的密封方案減少泄漏提高離心泵的運(yùn)行效率

副葉輪密封是利用副葉輪帶動(dòng)密封腔內(nèi)的流體高速旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生離心壓力，此力與副葉輪周圍介質(zhì)的壓力相平衡達(dá)到動(dòng)密封，這種密封需要配合停車密封使泵在停止運(yùn)行時(shí)仍能夠?qū)崿F(xiàn)密封。停車密封是利用飛鐵產(chǎn)生的離心力借助推力盤使彈簧受壓推動(dòng)動(dòng)靜密封環(huán)在離心泵工作時(shí)相互脫離，而在停車時(shí)彈簧恢復(fù)變形使動(dòng)靜環(huán)端面相互接觸達(dá)到密封的目的。

4 應(yīng)用實(shí)例

（1）概述。公司制冷站的5℃冷凍水2#泵由于前期根據(jù)工藝選型而定，現(xiàn)由于工藝調(diào)整，揚(yáng)程、流量的富余量較大，為節(jié)能降耗，對(duì)葉輪實(shí)施切削節(jié)能改造。

（2）數(shù)據(jù)收集。記錄電機(jī)運(yùn)行電流I=162 A，電機(jī)運(yùn)行電壓U=380 V，電機(jī)銘牌效率η電=0.95，功率因數(shù)φ=0.87；記錄離心泵出口壓力0.65 MPa，進(jìn)口壓力0.25 MPa，泵揚(yáng)程約H=40 m；離心泵流量Q=600 m3/h=0.17 m3/s，測(cè)量葉輪外徑D=380 mm。

（3）功率計(jì)算。①電機(jī)有功功率P有功=UI1.732φ，P有功= 92.76 kW·h。②電機(jī)效率為η電=0.95，電機(jī)輸出功率P輸出=P有功η電，P輸出=88.12 kW·h。③離心泵軸功率P軸=P輸出η傳動(dòng)，根據(jù)傳動(dòng)方式不同，取不同的傳動(dòng)效率，管道泵傳動(dòng)效率η傳動(dòng)=1，即P軸=P輸出=88.12 kW·h。

（4）離心泵效率計(jì)算。由P軸=（QH9.81）/3600η泵，η泵= 74.2%。

（5）比轉(zhuǎn)速ns計(jì)算。泵比轉(zhuǎn)速ns=（3.65nQ1/2額）/H3/4額，ns= 140，由此確定葉輪最大切削量（D-D′）/D≤13%為宜。再綜合考慮揚(yáng)程不宜過度降低，取切削后揚(yáng)程為H′=36 m，根據(jù)葉輪切削一般定理公式Q′/Q=D′/D，H′/H=（D′/D）2，P′軸/P軸=（D′/ D）3。求出切削量D′=360.5 mm，（D-D′）/D=5%，符合最大切削量范圍。

（6）葉輪切削計(jì)算。此時(shí)已知流量Q=600 m3/h，揚(yáng)程H=40 m，軸功率P軸=88.12 kW·h，葉輪外徑D=380 mm、葉輪切削后外徑D′=360.5 mm。根據(jù)葉輪切削公式Q′/Q=D′/D，H′/H=（D′/D）2，P′軸/P軸=（D′/D）3，可求出切削后，流量Q′=QD′/D=568 m3/h，揚(yáng)程H′=（D′/D）2H=36 m，軸功率P′軸=（D′/D）3P軸=74.92 kW·h，有功功率P′有功=P′軸/η電=78.86 kW·h，電流I′=P′有功/U×1.732× 0.87=137.7 A。

（7）切削后節(jié)能驗(yàn)證。切削后，離心泵試運(yùn)行，滿載時(shí)電機(jī)電流I′′=134 A，流量Q′′=572 m3/h，揚(yáng)程H′′=35.8 m。以切削后實(shí)際各參數(shù)計(jì)算泵的功耗，電機(jī)P′′有功=76.73 kW，電機(jī)P′′輸出=P′′軸=72.9 kW，效率η′′泵=76.54%。通過切削，離心泵的運(yùn)行效率略有提升，并且電流、流量、揚(yáng)程的切削誤差在3%以內(nèi)，屬于可控范圍。

（8）改造后的經(jīng)濟(jì)效益。切削前泵每輸送單位水量的耗電量E=P有功/Q=0.155 kW/m3；切削后泵每輸送單位水量的耗電量E′′=P′′有功/Q′′=0.134 kW/m3；上述計(jì)算可見E′′＜E，證明離心泵切削節(jié)能成功，節(jié)能功率P節(jié)能=P有功-P′′有功=16.03 kW·h；以電價(jià)0.52元/kW·h計(jì)算，每天8 h工作制，每年運(yùn)行時(shí)間2920 h，年經(jīng)濟(jì)收益=節(jié)能功率P節(jié)能×電價(jià)×泵每年運(yùn)行時(shí)間，年收益= 24 339.95元。

（9）改造小結(jié)。此次節(jié)能改造所需費(fèi)用為葉輪外送車削加工費(fèi)用，僅為幾百元，而實(shí)際帶來的收益為2.4萬元/a，在獲得經(jīng)濟(jì)收益的同時(shí)也能滿足生產(chǎn)工藝需求。此次節(jié)能改造的成功得益于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集及各項(xiàng)計(jì)算的小心求證，今后將本實(shí)施方案推廣其他各種水泵以達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、節(jié)能降耗的目的。

5 結(jié)論

離心泵的性能是指離心泵在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的流量、揚(yáng)程、效率等性能參數(shù)之間的關(guān)系，是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)出的，是離心泵的設(shè)計(jì)參數(shù)，不能反映離心泵在使用中的性能。離心泵的額定揚(yáng)程不一定等于實(shí)際揚(yáng)程，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)效率也不一定等于離心泵銘牌效率。只有通過離心泵實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況，測(cè)量其運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算出離心泵實(shí)際運(yùn)行效率，進(jìn)行合理的分析，并通過切削葉輪或調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速等方法來改變離心泵運(yùn)行狀態(tài)以獲得高效的離心泵，達(dá)到節(jié)能、降耗的目的。

［1］張克義.淺談水泵的節(jié)能技術(shù)改造［J］.有色冶金節(jié)能，2001（2）:29-31.

［2］魏龍.泵維修手冊(cè)［M］.北京:化工工業(yè)出版社，2011.

［3］楊詩成,王喜魁.泵與風(fēng)機(jī)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2002.

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〔編輯 凌 瑞〕