水泵節能改造淺析

高江華

（北京首鋼股份有限公司，河北遷安 064400）

引言

首鋼股份公司聯合泵站主要為3 座高爐提供冷卻水，其中2#聯合泵站為2#高爐提供冷卻水。2#高爐于2016年10月投產運行，設計大修周期為15年，爐齡后期對聯合泵站冷卻水的流量和壓力提出了更高要求，尤其是2#聯合泵站高壓泵組冷卻水的流量和壓力。2#高爐投產初期，2#聯合泵站高壓泵組為2 用2 備，運行電流平均為50 A 左右。近年來，2#高爐不斷要求提高冷卻水流量和壓力，2 臺水泵已不能滿足高爐用水要求，所以只能開啟3 臺水泵，導致電耗升高和備用水泵數量減少，降低了2#聯合泵站高壓泵組向高爐供水的穩定性，所以對2#高爐2#聯合泵站高壓泵組進行節能改造勢在必行。

1 水泵節能技術

目前，廣泛應用的水泵節能技術主要有閥門調節、變頻調節、葉輪切割和三元流動等。

1.1 閥門調節技術

閥門調節技術主要應用于高壓泵組在管道上并聯運行的情況，當生產工況發生變化并導致水泵的設計流量不能滿足生產要求時，需對水泵的流量進行調節，即根據電機運行電流調節水泵出口閥門開度來滿足高爐用水量要求。采用閥門調節技術調節水泵流量會導致能耗顯著增加。

1.2 變頻調節技術

變頻調節技術在交流電機調速過程中被廣泛應用，其原理是通過變頻器改變交流電機的轉速（水泵轉速），控制水泵的流量。相比采用閥門調節技術調節水泵流量，采用變頻調節技術可大幅度降低能量損耗。

通過變頻器改變交流電機轉速，降低水泵揚程，改變水泵流量，可以起到節能的作用，但在每臺交流電機上均需安裝變頻器，成本高，不便于安裝，且維護也較麻煩，還可能成為故障點。

1.3 葉輪切割技術

葉輪切割技術可解決水泵類型和規格的有限性與供水多樣性的矛盾，其理論計算公式較多，最常用有比轉速計算公式和葉輪切割公式等［1］。

（1）比轉速。比轉速是指數學模型中水泵的轉速。在實際應用中，水泵的比轉速等于數學模型中水泵在流量為0.075 m3∕s、揚程為1 m 時的轉速，其計算公式為［2］：

式中：ns—水泵的比轉速，r∕min；

n—水泵的轉速，r∕min；

Q—流量，m3∕s；

H—水泵的揚程，m。

（2）葉輪切割公式。生產實踐結果表明，當水泵的比轉速為30～80 r∕min（低比轉速）時，葉輪切割公式為［3］：

當水泵的比轉速為 80～300 r∕min（高比轉速）時，葉輪切割公式為：

式中：Q'—葉輪切割后的水泵流量，m3∕s；

Q—葉輪切割前的水泵流量，m3∕s；

D'—葉輪切割后的葉輪直徑，m；

D—葉輪切割前的葉輪直徑，m；

H'—葉輪切割后的水泵揚程，m；

H—葉輪切割前的水泵揚程，m；

N'—葉輪切割后的水泵有效功率，kW；

N—葉輪切割前的水泵有效功率，kW。

水泵葉輪外徑的切割量不宜過大，且必須在一定范圍內，否則會使葉輪與泵體之間的間隙過大，導致水泵的效率顯著下降，影響水泵的經濟運行。葉輪外徑的切割不應使水泵的效率降低太多，當比轉速分別為60 r∕min、120 r∕min、200 r∕min、300 r∕min時，葉輪外徑的最大切割量分別為20%、15%、11%、9%。

在低比轉速下，當葉輪外徑的切割量較小時，其對水泵出口閥門開度的影響不大；在高比轉速和中比轉速下，當葉輪外徑的切割量較小時，其對水泵出口閥門開度的影響較大，且影響水泵的效率。通常，葉輪經過切割后，水泵的揚程、有效功率和流量均會降低，而流量的降低會使水泵的效率下降，如此水泵的能耗不但未降低，反而還會增大，無法達到節能的目的。

1.4 三元流動技術

三元流動理論有別于傳統的一元流動理論和二元流動理論，其認為水泵葉輪內部由2 個葉片和前后蓋板組成1個完整的空間流場，以葉輪主軸、葉輪剖面和葉輪旋轉方向等3 系建立圓柱坐標系，坐標系中任意一點的流速均可用三元函數表示［4］。

射流-尾跡三元流動理論是對水泵葉輪內部完整的三元空間進行無限分割，通過對葉輪流道內各點流量進行分析，建立完整、真實的葉輪內部流體的流動數學模型。該數學模型的建立使葉輪流道的分析更準確，更能反映葉輪內部流體的流場和壓力分布實際情況［5］。

應用射流-尾跡三元流動理論對水泵葉輪進行改進設計，在不改變水泵的泵體、電機和管道系統前提下，設計制造了新型三元流動葉輪，代替原水泵內的普通葉輪。在新型三元流動葉輪的實際應用過程中，由于水泵的運行情況不同，導致不同水泵的運行參數存在較大差異，所以需單獨對每個水泵的葉輪進行改進設計。

三元流動技術是一種根據水泵的實際運行工況進行改進設計以提高水泵效率的技術，對水泵的改造簡單，并適應于以下情況：

（1）改變流量和揚程；

（2）保持流量不變，改變揚程；

（3）保持揚程不變，改變流量；

（4）在功率不變的情況下，提高流量和揚程。

經過理論分析和用戶改造驗證，射流-尾跡三元流動理論在水泵改進設計方面具有顯著優勢，能夠提高水泵的效率，實現節能目的。

2 高壓水泵采用三元流動技術的設計條件

首鋼股份公司2#高爐2#聯合泵站高壓水泵采用三元流動技術需滿足以下設計條件。

（1）2 臺水泵運行即可滿足高爐現行的冷卻水流量達2 500 m3∕h和壓力達1.91 MPa的要求。

（2）高壓冷卻水系統的流量和壓力留有一定的余量，為高爐15年大修周期保留流量和壓力的提升空間。

（3）若只改造3臺水泵，則在對高爐流量和壓力進行調整后，改造后的水泵應能與原泵組配合使用，這樣既能節能，又能降低揚程損失，減少對水泵的機械損壞。

3 水泵運行參數的確定

確定了高壓水泵采用三元流動技術的設計條件后，便可對水泵的選型、揚程和流量進行計算。三元流動理論作為最新的水泵改進設計理論，其可行性已經得到了充分驗證。

3.1 選型計算

水泵的選型計算其實通常為估算，考慮內容全面，估算結果才能更符合實際需求。水泵的選型計算包括水泵選型索引、水泵揚程簡易估算和水泵揚程設計等。

3.2 揚程計算

要滿足高爐對冷卻水壓力的要求，就必須保證2 臺水泵并聯運行時壓力達到1.96 MPa 以上，并留有余量，所以需對水泵的揚程進行計算。

首鋼股份公司2#高爐2#聯合泵站高壓冷卻水系統屬于開路循環水系統，所以水泵壓力Hp的計算公式為：

式中：Hp—水泵壓力，kPa；

hf—冷卻水系統總的沿程壓力損失，kPa；

hd—冷卻水系統局部壓力損失，kPa；

hm—設備壓力損失，kPa；

hs—開路循環水系統的靜水壓力，kPa。

首鋼股份公司2#高爐2#聯合泵站吸水井的有效水深度為6 m，其中地下部分深度為3.5 m，聯合泵站與高爐高壓管道的距離約為150 m，高壓管道與地面的距離約為20 m。經過計算，水泵的額定揚程為194 m，安全系數取10%，則水泵的最大揚程為213.4 m。水泵揚程的計算考慮了壓力損失，所以該計算結果既能滿足高爐正常生產的需要，又未將高爐聯合泵站高壓冷卻水系統壓力損失估算過大，避免了因水泵揚程選得過大而導致的能量損耗。

3.3 流量計算

首鋼股份公司2#高爐2#聯合泵站高壓冷卻水系統的管道長度為150 m，而高爐生產時要求冷卻水到達高爐時的壓力不能低于1.7 MPa，即要求管道兩端冷卻水的壓力差為0.26 MPa。

通過數學模型試驗對2#高爐生產時所需流量和壓力進行定量分析。在2#聯合泵站高壓冷卻水系統供水管道安裝壓力計和流量計，分別測量供水管道的壓力和流量。對于有壓管道，壓力和流量的計算步驟如下。

（1）計算管道的比阻。對于舊鋼管，可采用舍維列夫公式計算管道的比阻：

式中：s—管道的比阻，s2∕g；

d—管道內徑，m。

或采用下式進行計算：

式中：n—管道粗糙系數。

或查表確定管道的比阻。

（2）計算管道兩端的壓力差H：

式中：H—管道兩端的壓力差，kPa；

P1—管道前端的壓力，kPa；

P2—管道后端的壓力，kPa；

ρ—液體密度，kg∕m3；

g—重力加速度，N∕kg。

若存在水平落差（管道起始端與末端的高度差），則H的計算公式為：

式中：h—管道起始端與末端壓力差，kPa。

（3）計算流量Q：

式中：Q—流量，m3∕s；

L—管道起始端至末端的長度，m。

（4）計算流速：

式中：V—流速，m∕s。

在對2#高爐生產時所需流量和壓力定量分析的基礎上，利用三元流動理論對水泵葉輪流道內各點流量進行分析，建立了葉輪內流體數學模型，準確反映了葉輪內流體的流場和壓力分布情況，形成了新的泵殼、葉輪和轉子的設計方案，最后確定為2 臺水泵并聯運行，并將2 臺水泵的總流量提高至2 600 m3∕h 左右，新水泵采用單級雙吸方式，流量為1 250 m3∕h，揚程為194 m，功率為1 000 kW。

4 效果

水泵改造前、后首鋼股份公司2#高爐2#聯合泵站并聯運行的2臺水泵運行參數見表1，高壓冷卻水系統的運行參數見表2。

表1 改造前、后水泵運行參數對比

表2 改造前、后高壓冷卻水系統運行參數對比

由表2 可見，改造后2 臺水泵運行的總功率比改造前3 臺水泵運行的總功率降低了189 kW，每年可節約電費約86萬元。改造前、后節電率為8.9%。

5 結語

首鋼股份公司2#高爐2#聯合泵站高壓冷卻水系統節能改造后，能耗大幅降低，節電率達8.9%，達到了節能的目的，經濟效益和社會效益顯著，為泵站系統節能改造提供了寶貴經驗。