三元流技術在循環水泵節能改造中的應用

申延鵬 ,常金唱

目前,節能降耗已成為全國各行各業,特別是高耗能企業的重要任務。我國已把節能降耗提到了國民經濟發展非常重要的位置。

離心泵是把原動機的機械能通過離心泵葉輪產生的離心力使液體產生動能,從而達到輸送液體的目的,它廣泛應用于國民經濟的各個領域。因此,通過優化離心泵的性能做好離心泵的節能工作,是節能降耗中至關重要的一環。

1 三元流技術概述

我國離心泵多年來一直采用一元流理論設計離心泵葉輪,它的設計理念是假定進出口流通截面及流道內部任何流通截面的水流分布是均勻的,而流速僅為一個自變量的函數。據此而設計出葉片的幾何形狀,制作出多種模型進行試驗,擇優選用。由于離心泵在不同工況下其流量、壓力變化范圍很大,而這種葉輪的模型只能是有限的數種,因而無法保證優選模型與實際工況一致。這就導致離心泵葉輪偏離設計最佳效率點,進而影響泵的實用效率。

我國科學家吳仲華教授創立的 S1、S2兩類流面概念,奠定了葉輪機械三元流動理論的基礎,中科院研究員劉殿魁教授于 1986年提出了《葉輪機械內含射流—尾跡的完全三元流的解法》。應用這一計算方法對葉輪流道進行設計,有效地解決了尾跡區的影響,提高了葉輪的水力效力,同時增大了有效流通面積,提高了離心泵的工作效率。

離心泵的水力效率受水泵葉輪的進口輪徑、出口輪徑、輪轂比、子午流道的曲率變化、葉型中心線的形狀、葉片厚度分布、安裝角、進口角、出口角及泵的工作流量、壓力變化等多種因素的影響。而根據《射流—尾跡三元流動理論》結合離心泵在使用中的流量、揚程等具體參數設計制作的高效三元流葉輪,在不變動泵體安裝結構的情況下,換裝于原泵體內。以投資最少,見效最快的技改方式,達到節能降耗的目的。

2 三元流技術原理

三元流技術,實質上就是通過使用先進的泵設計軟件《射流—尾跡三元流動理論計算方法》,結合生產現場實際的運行工況,重新進行泵內水力部件(主要是葉輪)的優化設計。具體步驟是:先對“在用”離心泵的流量、壓力、電機耗功等進行測試,并提出常年運行的工藝參數要求,作為泵的設計參數;再使用泵設計軟件設計出新葉輪,保證可以和原型互換,在不動管路電路、泵體等條件下實現節能或擴大生產能力的目標。

2.1 一元、三元流動基本概念

下頁圖1左邊是葉輪的局部視圖,右邊是把葉輪內兩個相鄰葉片和前、后蓋板形成的流道abcdefgh作為一個計算分析研究的單元。aehd、bfgc是兩個相鄰的葉片,dcnghid是葉輪前蓋板,bkfeja是葉輪后蓋板。傳統的“一元流理論”就是把葉輪內的曲形流道abcdefgh,視為一個截面變化的彎曲流管,認為沿流線的流速大小僅隨截面大小而變化,但假定在每個橫斷面上如abcd、ijkn、efgh等,流速是相同的。這樣在流體力學計算中,流動速度 (w)就只是流線長度坐標(s)的一元函數。這種簡化使泵內部流體力學的計算可以用手工算法得以實現。國內采用的雙吸水平中開泵,就是采用這種理論設計的。

圖1 葉輪、圓柱坐標 (R、Φ、ω)及流動速度ω

然而由于葉輪流道abcdefgh的三元曲線形狀又是高速旋轉的,流速 (或壓力)不但沿流線變化,而且沿橫截面abcd,ijkn、efgh等等,任何一點都是不相同的,即流速是三元空間圓柱坐標 (R、Φ、Z的函數)。特別是葉片數也是有限的,流速和壓力沿旋轉周向 (Φ坐標)的變化,正是水泵向流體輸入功的最終體現。忽略這一點就無法計算水泵內部的壓力變化,這也就是為什么一元流動理論只能計算葉輪進口、出口參數,而不能準確分析葉輪內部流動參數的原因。水泵的效率顯然與其內部流動狀況的好壞是密不可分的,一元流理論固然簡單,但不能完全反映泵內的真實流動,這就在設計上阻礙了泵效率的提高。

2.2 “射流—尾跡”三元流動

最早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,如圖2所示,弧狀彎曲線dh和cg分別代表兩個相鄰的葉片,dc為葉片進口邊,hg為葉片出口邊,w1為葉片進口流速,w2為葉片出口流速,都是不均勻的。t是流動分離點,htv即是尾跡區,是一些低能量流體組成,類似一個旋渦。cdtvg則是射流區可視為無黏性的位流區,可按通常的三元流計算。

圖2 射流—尾跡模型

下面把差別較大的幾點加以描述:

如圖3所示,葉輪的子午流道形狀,對應于圖1中的葉片位置,依次為進口、出口、葉輪前蓋板內壁型線、葉輪后蓋板壁面型線。實線為三元流葉輪,虛線為傳統一元流葉輪。前者軸向向進口方向延伸,軸向寬度大,造成流動損失盡可能小的進口條件,使泵的效率和氣蝕性能得以改善。

圖3 葉片形狀的差別

葉片在垂直軸線Z的平面上投影為adh曲面,由于Φ角的改變可以看到三元流葉片扭曲顯著,而一元流葉片a1、d1、h則扭曲度小,有時a1與d1重合,葉片完全不扭曲,而只是一個板式彎曲形葉片,我們稱之為直葉片。當然,針對具體的設計,三元流設計的葉片進出口尺寸可能與一元流均不同,甚至葉片數目也不相同,不一一描述。

3 水泵技改方式的比較

葉輪是水泵的心臟,它決定了泵的揚程、效率的絕大部分,泵體的影響較小。對于在用泵,結合其在用的流量、揚程及泵體,設計出可互換的高效率三元流葉輪,換裝原泵內,這是投入最少、簡單易行、見效最快的技改方式。

在實際生產運行中,由于離心泵不符合使用要求,往往采用切割葉輪的方式來解決。這種方法實際上是減少了泵的流量和揚程,此時電機功率會減少。但由于流量的減少,離心泵的水力效率下降,單耗增大,并沒有起到節能的目的。而目前推廣的變頻調速方案,是通過降低頻率來降低電機、離心泵轉速,從而使離心泵的流量和揚程下降,以減少電機功率損耗和閥門節流損失,達到一定的節能目的,離心泵的水力效率并沒有得到提高。且投資大,使用、維護費用較高,適宜于工況變化頻繁的情況下使用。

河南延化化工有限公司是歷經 30年發展起來的中型氮肥企業。生產系統使用的離心泵均為一元流結構,配用電機常年超負荷運行,電機易燒毀,維護工作量大,電耗及其它費用居高不下,對公司節能增效影響很大。通過對節能手段的分析論證后,采用了依據《射流—尾跡三元流動理論》,結合公司各工段實際運行參數設計制造的新型葉輪,先后對尿素循環水泵和合成氨循環水泵實施了技術改造。在不變動工藝管線,確保生產工況不變的情況下,通過換裝新型葉輪,使設備運行得到徹底優化。公司已對 24臺循環水泵進行了技術改造,其中 17臺泵運行,7臺備用。完成改造后未出現因超負荷而燒毀電機的現象,維護工作量和維修費用明顯下降,特別是電耗大幅度下降,具體檢測數據見表1。

表1 循環水泵技術改造檢測表

經計算每年可節約電費達 146.77萬元。通過使用三元流葉輪,提高了離心泵的工作效率,從而取得了可觀的經濟效益,達到了節能降耗的目的。

4 結論

經過上面的理論介紹與分析,以及改造實例,證明射流—尾跡三元流動理論在水泵設計方面具有顯著優勢,通過此技術直接對水泵的葉輪改造,不但能夠提高水泵的運行效率,實現節能:而且可以實現“保證電機不超載的情況下,改變揚程,大幅提高流量”的技術目標。

水泵制造廠對在用泵不符合使用要求時,可以采用的方式只有切割葉輪,或整體更換新泵。切割葉輪是對流量、揚程都減少時使用的方法。此時電機功率會減少,人們往往以為這樣是節能了。但要知道由于流量的減少,單耗 (噸水電耗)不但不減,有時還會增大,因此水泵自身的水力效率是下降的。換裝新泵,由于管路、底座甚至電路、電機都要改變,不但周期長,投資大,不是萬不得已不宜采用。特別是對于要求泵揚程減少,流量增大,或揚程、流量都在電機許用功率條件下一起增大的情況,切割葉輪是無法應用的。

綜上所述,對在用的水泵,使用三元流動理論設計高效率可互換的葉輪,無論對工頻泵或變頻泵都是行之有效的節能技改方案,其投入產出比最優。