淺談離心泵葉輪優(yōu)化增效節(jié)能分析

程少高

（大慶宏偉慶化石油化工有限公司，黑龍江 大慶 163400）

1 離心泵流量調(diào)節(jié)幾種常用方法及特點

離心泵石化行業(yè)廣泛應用，常用離心泵流量調(diào)節(jié)方法一般有閥門節(jié)流、變頻調(diào)速、葉輪切削等方法；閥門節(jié)流會造成能量的喪失和浪費，但是一種快速易行的流量調(diào)節(jié)方法；變頻調(diào)速節(jié)能效果好、主動化程度高，泵的揚程會隨轉(zhuǎn)速的下降相應降低。對于現(xiàn)有泵優(yōu)化，較為簡便的方法是采用葉輪直徑切削，但切削后的葉輪出口流場會增加渦流、混流，容積損失增加，泵的效率會降低，此類調(diào)節(jié)流量、揚程都是在一定范圍限制的，適用于小工況調(diào)節(jié)。

2 影響葉輪效率的幾個主要因素及機理

影響泵效率的關鍵零部件如葉輪、泵體、泵蓋、導流器等，尤其是葉輪的直徑、翼形、出水角、葉片的分度、流道的形狀、光潔度等對泵效率的影響十分明顯。葉輪直徑及流道寬度對泵的揚程及流量起著決定性作用，對于后彎式葉輪，出口安裝角在一定范圍內(nèi)增加，會增加揚程，同時提高泵內(nèi)通流部件表面光潔度，可提高水泵效率3%左右；離心泵在小流量下工作，流速低，葉片入口的沖角增大，導致葉片附近形成渦流區(qū)，葉片侵蝕加劇，離心泵效率降低。水泵偏離設計工況越遠，葉片區(qū)的壓力脈動越大，尤其是低流量下，壓力脈動表現(xiàn)在振動參數(shù)上更加顯著。葉輪的優(yōu)化設計現(xiàn)成為提高泵效率的一種新興技術，已得到廣泛應用。

3 結合常用節(jié)能方法，對我公司現(xiàn)存的機泵運行問題研究

（1）我公司機泵主要參數(shù)及基本情況。碳四塔頂回流泵P2109，轉(zhuǎn)速1475rpm，設計流量267.3m3/h，揚程116m，入口壓力0.58MPa，出口壓力1.18MPa，額定電流291A，電壓380V。實際運行參數(shù)：運行流量105m3/h，運行電流150A，電壓380V，入口壓力0.7MPa，出口壓力1.3MPa。P2109使用的為出口角<90°的后彎式葉輪，泵運行流量、電流與額定值偏離較大，泵的出口調(diào)節(jié)閥開度較小，泵運行時振動較大，最大時可達5mm/s，嚴重影響泵的長期平穩(wěn)運行，軸承、機封等配件的使用壽命嚴重不達標，為解決此問題，對葉輪進行重新設計，對葉輪內(nèi)部參數(shù)優(yōu)化改進。

（2）優(yōu)化設計主要步驟。設計過程主要內(nèi)容是已知原始葉輪的幾何參數(shù)，形成三坐標數(shù)據(jù)，根據(jù)泵實際需求的流量與揚程，結合葉輪設計經(jīng)驗及計算公式，對葉輪直徑、流道寬度及葉輪出、入口角進行微調(diào)，形成新的三坐標數(shù)據(jù)，建立葉輪模型，并根據(jù)葉輪模型確定流道模型，基于計算流體力學CFD結合FLUNT軟件，對流道內(nèi)的速度場、壓力場進行模擬、分析，確定改進的葉輪流場葉片入口脫流、背面漩渦、流動分離均得以改進，葉輪內(nèi)的靜壓值隨流動方向按流動規(guī)律逐漸增加，使葉片水力效率得以提高。

（3）結合實際確定優(yōu)化設計主要內(nèi)容。此次葉輪優(yōu)化原理基本可以歸納為，尋求與其運行狀況相關的最佳流速場，減小脫流、渦流，減少摩擦損失，提高水力效率。因為影響葉輪效率因素較多，不能一一做到優(yōu)化，此次優(yōu)化主要考慮以下三點：

①確定葉輪外形變更方向，包括吸入口直徑、葉輪外徑、流道寬度。考慮被優(yōu)化機泵的實際需求是在小流量下運行，為降低閥門開度小增加的節(jié)流損失，結合工藝需求及設計經(jīng)驗，采取減小葉輪出入口直徑，縮小流道寬度的優(yōu)化方向，此變更降低了葉輪的額定流量及揚程。

②葉輪幾何尺寸優(yōu)化后，出現(xiàn)揚程降低問題，而實際生產(chǎn)仍需揚程基本不變，因此，考慮從入口角、出口角的方向進一步優(yōu)化。根據(jù)原葉輪流場模擬分析，如圖1、2。調(diào)整葉片進、出口角，避免過多的脫流，降低水力損失，提高水力效率，再次建模流場模擬，經(jīng)過三次的調(diào)整，最終確定速度場、壓力場均得以優(yōu)化和提升的新葉輪，如圖3、4。

圖1 壓力分布圖

圖2 相對速度矢量圖

圖3 原始葉片壓力分布

圖4 優(yōu)化后的葉片壓力分布

③葉輪流道內(nèi)部精加工。鑄模模具要進行精修，葉輪鑄造成型后要進行數(shù)控加工、邊界打磨，成型后的葉輪進行內(nèi)部流道表面光滑噴涂處理，減小摩擦及渦流損失，提高效率。

安裝優(yōu)化葉輪后，泵運行參數(shù)對比如表1。

表1 碳四塔頂回流泵P2109B葉輪改造前后運行情況統(tǒng)計表

對離心泵的葉輪進行了優(yōu)化，使得泵在原有小流量下運行，出口調(diào)節(jié)閥開度增加，減少了管路節(jié)流損失，電機運行電流由150A降為128A，機泵振動由5.0mm/s降至2.5mm/s。

結合電機運行輸入功率計算公式：

計算出：

結合公式計算出優(yōu)化后的葉輪每年節(jié)約電量10.6萬度，節(jié)約電能約15%。

4 結語

葉輪的優(yōu)化是離心泵節(jié)能改進的一種重要方法，可以實現(xiàn)揚程基本不變，降低額定流量；調(diào)整葉片進出口直徑、安裝角度，葉輪內(nèi)部流道光滑處理，得到流速分布規(guī)律，壓力場均勻變化的新流場，減小了脫流、渦流，提高了水力效率；葉輪優(yōu)化設計可以實現(xiàn)與額定工況偏離較大的機泵，在低流量運行時具備較高的效率，此次優(yōu)化實現(xiàn)了全年節(jié)電10.6萬度，機泵運行振動由5mm/s降至2.5mm/s的預期效果。