水泵節(jié)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(lián)合泵站主要為3 座高爐提供冷卻水，其中2#聯(lián)合泵站為2#高爐提供冷卻水。2#高爐于2016年10月投產(chǎn)運(yùn)行，設(shè)計(jì)大修周期為15年，爐齡后期對聯(lián)合泵站冷卻水的流量和壓力提出了更高要求，尤其是2#聯(lián)合泵站高壓泵組冷卻水的流量和壓力。2#高爐投產(chǎn)初期，2#聯(lián)合泵站高壓泵組為2 用2 備，運(yùn)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(dǎo)致電耗升高和備用水泵數(shù)量減少，降低了2#聯(lián)合泵站高壓泵組向高爐供水的穩(wěn)定性，所以對2#高爐2#聯(lián)合泵站高壓泵組進(jìn)行節(jié)能改造勢在必行。

1 水泵節(jié)能技術(shù)

目前，廣泛應(yīng)用的水泵節(jié)能技術(shù)主要有閥門調(diào)節(jié)、變頻調(diào)節(jié)、葉輪切割和三元流動等。

1.1 閥門調(diào)節(jié)技術(shù)

閥門調(diào)節(jié)技術(shù)主要應(yīng)用于高壓泵組在管道上并聯(lián)運(yùn)行的情況，當(dāng)生產(chǎn)工況發(fā)生變化并導(dǎo)致水泵的設(shè)計(jì)流量不能滿足生產(chǎn)要求時，需對水泵的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，即根據(jù)電機(jī)運(yùn)行電流調(diào)節(jié)水泵出口閥門開度來滿足高爐用水量要求。采用閥門調(diào)節(jié)技術(shù)調(diào)節(jié)水泵流量會導(dǎo)致能耗顯著增加。

1.2 變頻調(diào)節(jié)技術(shù)

變頻調(diào)節(jié)技術(shù)在交流電機(jī)調(diào)速過程中被廣泛應(yīng)用，其原理是通過變頻器改變交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速（水泵轉(zhuǎn)速），控制水泵的流量。相比采用閥門調(diào)節(jié)技術(shù)調(diào)節(jié)水泵流量，采用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)可大幅度降低能量損耗。

通過變頻器改變交流電機(jī)轉(zhuǎn)速，降低水泵揚(yáng)程，改變水泵流量，可以起到節(jié)能的作用，但在每臺交流電機(jī)上均需安裝變頻器，成本高，不便于安裝，且維護(hù)也較麻煩，還可能成為故障點(diǎn)。

1.3 葉輪切割技術(shù)

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

（1）比轉(zhuǎn)速。比轉(zhuǎn)速是指數(shù)學(xué)模型中水泵的轉(zhuǎn)速。在實(shí)際應(yīng)用中，水泵的比轉(zhuǎn)速等于數(shù)學(xué)模型中水泵在流量為0.075 m3∕s、揚(yáng)程為1 m 時的轉(zhuǎn)速，其計(jì)算公式為［2］：

式中：ns—水泵的比轉(zhuǎn)速，r∕min；

n—水泵的轉(zhuǎn)速，r∕min；

Q—流量，m3∕s；

H—水泵的揚(yáng)程，m。

（2）葉輪切割公式。生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果表明，當(dāng)水泵的比轉(zhuǎn)速為30～80 r∕min（低比轉(zhuǎn)速）時，葉輪切割公式為［3］：

當(dāng)水泵的比轉(zhuǎn)速為 80～300 r∕min（高比轉(zhuǎn)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(yáng)程，m；

H—葉輪切割前的水泵揚(yáng)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(nèi)，否則會使葉輪與泵體之間的間隙過大，導(dǎo)致水泵的效率顯著下降，影響水泵的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。葉輪外徑的切割不應(yīng)使水泵的效率降低太多，當(dāng)比轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下，當(dāng)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(zhuǎn)速和中比轉(zhuǎn)速下，當(dāng)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(jīng)過切割后，水泵的揚(yáng)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(dá)到節(jié)能的目的。

1.4 三元流動技術(shù)

三元流動理論有別于傳統(tǒng)的一元流動理論和二元流動理論，其認(rèn)為水泵葉輪內(nèi)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(zhuǎn)方向等3 系建立圓柱坐標(biāo)系，坐標(biāo)系中任意一點(diǎn)的流速均可用三元函數(shù)表示［4］。

射流-尾跡三元流動理論是對水泵葉輪內(nèi)部完整的三元空間進(jìn)行無限分割，通過對葉輪流道內(nèi)各點(diǎn)流量進(jìn)行分析，建立完整、真實(shí)的葉輪內(nèi)部流體的流動數(shù)學(xué)模型。該數(shù)學(xué)模型的建立使葉輪流道的分析更準(zhǔn)確，更能反映葉輪內(nèi)部流體的流場和壓力分布實(shí)際情況［5］。

應(yīng)用射流-尾跡三元流動理論對水泵葉輪進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在不改變水泵的泵體、電機(jī)和管道系統(tǒng)前提下，設(shè)計(jì)制造了新型三元流動葉輪，代替原水泵內(nèi)的普通葉輪。在新型三元流動葉輪的實(shí)際應(yīng)用過程中，由于水泵的運(yùn)行情況不同，導(dǎo)致不同水泵的運(yùn)行參數(shù)存在較大差異，所以需單獨(dú)對每個水泵的葉輪進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

三元流動技術(shù)是一種根據(jù)水泵的實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)以提高水泵效率的技術(shù)，對水泵的改造簡單，并適應(yīng)于以下情況：

（1）改變流量和揚(yáng)程；

（2）保持流量不變，改變揚(yáng)程；

（3）保持揚(yáng)程不變，改變流量；

（4）在功率不變的情況下，提高流量和揚(yáng)程。

經(jīng)過理論分析和用戶改造驗(yàn)證，射流-尾跡三元流動理論在水泵改進(jìn)設(shè)計(jì)方面具有顯著優(yōu)勢，能夠提高水泵的效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。

2 高壓水泵采用三元流動技術(shù)的設(shè)計(jì)條件

首鋼股份公司2#高爐2#聯(lián)合泵站高壓水泵采用三元流動技術(shù)需滿足以下設(shè)計(jì)條件。

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

（2）高壓冷卻水系統(tǒng)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(jìn)行調(diào)整后，改造后的水泵應(yīng)能與原泵組配合使用，這樣既能節(jié)能，又能降低揚(yáng)程損失，減少對水泵的機(jī)械損壞。

3 水泵運(yùn)行參數(shù)的確定

確定了高壓水泵采用三元流動技術(shù)的設(shè)計(jì)條件后，便可對水泵的選型、揚(yáng)程和流量進(jìn)行計(jì)算。三元流動理論作為最新的水泵改進(jìn)設(shè)計(jì)理論，其可行性已經(jīng)得到了充分驗(yàn)證。

3.1 選型計(jì)算

水泵的選型計(jì)算其實(shí)通常為估算，考慮內(nèi)容全面，估算結(jié)果才能更符合實(shí)際需求。水泵的選型計(jì)算包括水泵選型索引、水泵揚(yáng)程簡易估算和水泵揚(yáng)程設(shè)計(jì)等。

3.2 揚(yáng)程計(jì)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(lián)運(yùn)行時壓力達(dá)到1.96 MPa 以上，并留有余量，所以需對水泵的揚(yáng)程進(jìn)行計(jì)算。

首鋼股份公司2#高爐2#聯(lián)合泵站高壓冷卻水系統(tǒng)屬于開路循環(huán)水系統(tǒng)，所以水泵壓力Hp的計(jì)算公式為：

式中：Hp—水泵壓力，kPa；

hf—冷卻水系統(tǒng)總的沿程壓力損失，kPa；

hd—冷卻水系統(tǒng)局部壓力損失，kPa；

hm—設(shè)備壓力損失，kPa；

hs—開路循環(huán)水系統(tǒng)的靜水壓力，kPa。

首鋼股份公司2#高爐2#聯(lián)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(lián)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(jīng)過計(jì)算，水泵的額定揚(yáng)程為194 m，安全系數(shù)取10%，則水泵的最大揚(yáng)程為213.4 m。水泵揚(yáng)程的計(jì)算考慮了壓力損失，所以該計(jì)算結(jié)果既能滿足高爐正常生產(chǎn)的需要，又未將高爐聯(lián)合泵站高壓冷卻水系統(tǒng)壓力損失估算過大，避免了因水泵揚(yáng)程選得過大而導(dǎo)致的能量損耗。

3.3 流量計(jì)算

首鋼股份公司2#高爐2#聯(lián)合泵站高壓冷卻水系統(tǒng)的管道長度為150 m，而高爐生產(chǎn)時要求冷卻水到達(dá)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(shù)學(xué)模型試驗(yàn)對2#高爐生產(chǎn)時所需流量和壓力進(jìn)行定量分析。在2#聯(lián)合泵站高壓冷卻水系統(tǒng)供水管道安裝壓力計(jì)和流量計(jì)，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(jì)算步驟如下。

（1）計(jì)算管道的比阻。對于舊鋼管，可采用舍維列夫公式計(jì)算管道的比阻：

式中：s—管道的比阻，s2∕g；

d—管道內(nèi)徑，m。

或采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：n—管道粗糙系數(shù)。

或查表確定管道的比阻。

（2）計(jì)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(jì)算公式為：

式中：h—管道起始端與末端壓力差，kPa。

（3）計(jì)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(jì)算流速：

式中：V—流速，m∕s。

在對2#高爐生產(chǎn)時所需流量和壓力定量分析的基礎(chǔ)上，利用三元流動理論對水泵葉輪流道內(nèi)各點(diǎn)流量進(jìn)行分析，建立了葉輪內(nèi)流體數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確反映了葉輪內(nèi)流體的流場和壓力分布情況，形成了新的泵殼、葉輪和轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)方案，最后確定為2 臺水泵并聯(lián)運(yùn)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(yáng)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(lián)合泵站并聯(lián)運(yùn)行的2臺水泵運(yùn)行參數(shù)見表1，高壓冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)見表2。

表1 改造前、后水泵運(yùn)行參數(shù)對比

表2 改造前、后高壓冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)對比

由表2 可見，改造后2 臺水泵運(yùn)行的總功率比改造前3 臺水泵運(yùn)行的總功率降低了189 kW，每年可節(jié)約電費(fèi)約86萬元。改造前、后節(jié)電率為8.9%。

5 結(jié)語

首鋼股份公司2#高爐2#聯(lián)合泵站高壓冷卻水系統(tǒng)節(jié)能改造后，能耗大幅降低，節(jié)電率達(dá)8.9%，達(dá)到了節(jié)能的目的，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著，為泵站系統(tǒng)節(jié)能改造提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。