張雪蕊
(廣州市自來水有限公司 西村水廠)
我國泵工業起步于20世紀初,發展于80年代。泵站作為水的唯一動力來源,是重要的工程器械,它在水資源的調度、治理中起著不可替代的作用。同時,泵站在防洪排澇和抗旱減災、以及工農業用水和城鄉居民生活供水等方面發揮著重要作用。
節能減排已經成為中國經濟發展規劃綱要的主要內容,尤其對電力、鋼鐵、有色、石油化工、水處理等工業領域高耗能企業提出了更加嚴格的要求。水泵作為工業核心流體輸送設備占據著耗能的主要部分,臥式中開離心泵是應用較為廣泛的泵型,特別是在市政自來水行業的取送水方面,發揮著極其重要作用,自來水廠的臥式中開離心泵普遍都是20世紀90年代的國產品牌產品,效率低下,運行不穩定,維護困難,已經不滿足現在的使用和節能需求,提高臥式中開離心泵性能已經刻不容緩。
離心泵的設計及優化方法主要基于水力模型來對離心泵進行優化、設計,例如:速度系數法通過對現有的水力模型庫進行歸納統計,隨時吸收先進模型,及時優化各種速度系數,是泵設計最常用的方法;損失極值法保證設計工況點的流量和揚程,通過幾何參數的最佳組合使泵的總損失最小;基于CFD(Computational Fluid Dynamics,簡稱:計算流體動力學)的優化設計法根據離心泵的數值計算結果,調整葉輪和蝸殼的幾何參數,使得泵內流態較好,以避免漩渦、回流、二次流等不穩定流動的出現。
隨著水廠系統工況要求的不斷變化,對于提高水泵運行效率的優化設計方法是不一樣的。因此根據取水泵站的實際運行工況,來對提高取水泵組效率的技術進行設計與分析,并選擇最優途徑,提高取水泵組的工作效率,是水廠系統適應供水環境變化的必要過程。
西村水廠日產量達1.0×106m3/d,所用取水泵組為20世紀80年代型號產品,相關參數如表1所示。自廣州西江飲水工程完工后,與往年同期相比,廠內日均取水量有所增加,因而取水泵組運行偏離高效區,導致泵組能耗升高。雖然近幾年對該型號取水泵組進行多次葉輪切削、噴涂等手段以期提高其運行效率,但不能從根本上降低能耗,因此結合取水泵組實際運行情況,重新設計一款適合西村水廠取水工藝工況的新泵,才是從根本上提高取水泵組效率、降低能耗的根本之法。

表1 原取水泵組參數
由于傳統的設計方法運算復雜,設計周期長,無法快速解決西村水廠的迫切需求,因此采用基于CFD的優化設計方法對取水泵重新設計,有利于縮短周期。在進行設計之前,原有水泵運行數據以及新型水泵運行期望值對比如表2所示。

表2 原有水泵及新型水泵數據對比
根據運行工況需求對離心泵進行設計,首先應用solidworks分別對進水、葉輪、蝸殼等部分建立幾何模型并組裝成整體,得到三維流動計算域;再選用四面體單元,應用ICEM軟件對計算域生成計算網格;然后采用ANSYS-CFX軟件模擬計算雙吸泵三維流動狀態,計算域進、出口分別采用壓力及流量邊界條件(流量大小由泵工況決定);從而計算得到的流速分布和靜壓力分布。如圖1、圖2所示。

圖1 流速分布圖

圖2 靜壓力分布圖
在模擬計算得到流速和靜壓分布后,按照以下公式可預測計算不同流量Q下泵的揚程H、軸功率N及效率η:

其中,ρ為水的密度,M、ΔP分別代表水泵扭矩、泵進口與出口的總壓差和中心高差。
離心泵工作介質為水,湍流模型選取標準k-ε模型,選用最新的SG型葉輪模型。按Q=4300m3/h、H=9m、n=495r/min改造參數來計算新型水泵比轉速:

最后求得新型水泵水力模型性能預測數據如表3所示。新型水泵葉輪如圖3所示。

圖3 新型水泵葉輪三維優化設計圖

表3 新型水泵水力模型性能預測數據
根據西村水廠實際運行工況,以及對新型水泵進行的優化設計,經計算機模擬測試得到設計新型水泵相關參數如表4所示,水泵性能曲線如圖4所示。

表4 新型水泵測試數據

圖4 新型水泵性能曲線
根據對取水泵組前后一年的運行數據進行采樣、歸類、分析、對比,可得取水泵組在不同揚程情況下的運行效率及數據占比,如圖5、圖6所示。分析數據圖可知:與原取水泵組相比,新型水泵揚程分布較為集中,且效率區間高原取水泵組。

圖5 原取水泵組運行數據分析

圖6 新型取水泵組運行數據分析
根據目前供水格局和廠內運行工況,使用基于CFD的優化設計方法設計的新型取水泵組,極大縮短了設計周期,且由于取水泵組整體性能得到很大提升,因此泵組效率得到一定提升,從而降低了電耗。