離心泵效率提升實踐

翁俊

（四川省宜賓惠美線業(yè)有限責任公司，四川宜賓 644000）

離心泵效率提升實踐

翁俊

（四川省宜賓惠美線業(yè)有限責任公司，四川宜賓 644000）

分析離心泵工作效率低的原因，離心泵的運行工況點偏離設計工況是造成離心泵效率低下的主要原因；離心泵由于結構型式存在機械損失、容積損失、流動損失，使得自身運行效率低下；管路效率低下也是造成能源浪費的原因。結合離心泵性能特性曲線和管路特性曲線提出了離心泵高效工作范圍的概念，提出解決離心泵實際運行效率低下的方法，包括減少離心泵的水力損失，進行切割葉輪和調節(jié)轉速以及改善密封等措施。

離心泵；葉輪；運行效率；節(jié)能

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.70

0 概述

當前能源不斷緊缺，節(jié)能和能源開發(fā)技術一直是研究的熱點。泵在人們生活中使用廣泛，是主要的耗能設備之一。由于離心泵本身的結構和特點所限，該類型的泵效率普遍偏低，分析水泵效率偏低的原因，如何提高水泵效率、降低水泵耗能是公司始終研究的課題，高效運行的水泵能夠對水暖制造部的節(jié)能、降耗工作起到直觀而積極的作用。

1 離心泵效率偏低的原因分析

1.1 離心泵的運行工況點偏離設計工況

離心泵的工作參數(shù)有轉速n、揚程H、流量Qv和效率η，當離心泵的揚程發(fā)生變化，其他參數(shù)也發(fā)生相應的變化，離心泵在設計工況下效率最高。當選用離心泵的揚程高或流量太大，運行工況點偏離了設計工況會造成效率低下。

1.2 離心泵內的各種損失

液體流過葉輪的損失包括機械損失、流動損失和容積損失，與之相應的就有機械效率、容積效率和流動效率。機械損失包括軸與軸承的摩擦損失，軸與軸端密封的摩擦損失及葉輪圓盤的摩擦損失；影響摩擦損失的因素比較多。容積損失包括由葉輪密封環(huán)處和級間以及軸向力平衡機構處的泄漏損失；流動損失由液體流過葉輪、蝸殼、擴壓器產(chǎn)生的沿程摩擦損失以及流過上述各處的局部阻力損失。離心泵效率η=ηhηvηm，其中，ηh為流動效率，在0.80%～0.95%；ηv為容積效率，在0.90%～0.95%；ηm為機械效率，在0.90%～0.97%。可見，提高離心泵的效率應該從各個方面來減少機械損失、容積損失和流動損失。

1.3 管路效率低

當被輸送液體流量或揚程發(fā)生變化，經(jīng)常見到的處理方法是調節(jié)閥門，這一方法雖然方便，但卻造成管路阻力損失大，使離心泵在低效率狀態(tài)下運行。

1.4 離心泵自身效率低

保證離心泵運行效率較高首先應該選擇高效離心泵，但是由于檢修安裝質量不高，導致機械損失、流動損失、容積損失加大，使得高效離心泵沒有發(fā)揮應有的作用，造成高效泵在低效率狀態(tài)下運行。此外在選擇離心泵時往往按照最大流量和揚程并考慮一定的富余來選擇離心泵，結果出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，不能達到降低能耗的目的。離心泵實際運行效率是判斷離心泵運行是否經(jīng)濟的主要指標。合理選擇離心泵保證離心泵高效率運行具有重要意義。

2 離心泵的高效工作范圍

2.1 離心泵在管路中工作時的工作點

離心泵運行效率的高低取決于其運行工作點的位置。由于離心泵串聯(lián)在管路中，因此泵的流量和揚程必須同時滿足管路特性方程L=f1（qv）和泵的特性方程H=f2（qv），泵特性曲線與管路特性曲線交點P即泵的工作點（圖1）。離心泵的工作點P如果對應的效率較高，即泵運行在高效狀態(tài)，滿足經(jīng)濟性要求。

圖1 離心泵工作點

2.2 離心泵的高效工作范圍

要保證離心泵的工作點能夠對應離心泵效率較高，如圖2在泵的效率特性曲線上由ηmax向下移動Δη（5%～8%）得到離心泵工作的高效范圍ab，由a，b作qv坐標軸的垂線與H-qv（D2）離心泵特性曲線交于A、B，則AB為離心泵的高效工作區(qū)。當離心泵的工況點落在特性曲線AB之間，則離心泵處于高效狀態(tài)下運行。若離心泵的工作點不在AB之間，可以通過切割葉輪或改變轉速的方法來改變離心泵的特性曲線，使得離心泵的工作點落在高效工作區(qū)。圖2中AB是未切割葉輪外徑D2且轉速為n時的離心泵特性曲線H-qv（D2）高效工作區(qū)；CD表示達到葉輪最大切割量D2min′且轉速為n時的離心泵特性曲線H′-qv′（D2min′）切割后高效工作區(qū)；AC，BD分別表示過A，B兩條等效曲線H1=KAqv2和H2=KBqv2，四邊形ABDC即為離心泵的高效工作范圍。當離心泵的工作點落在高效工作范圍內能夠保證離心泵在高效狀態(tài)下運行。

3 提高離心泵效率的措施

3.1 減少流動摩擦損失的措施

離心泵的過流表面如蝸殼，由于采用鑄件，一般不進行機械加工，表面比較粗糙，增加了流體的流動損失。可以通過如下方法：①利用在過流元件的表面涂刷涂料或涂漆的方法，使泵的效率可提高2%～3%；②對葉輪蓋板和泵體粗糙面用砂輪拋光，可提高泵效率2%～4%。此外，流道不宜過分加長，否則增加流動損失降低離心泵的工作效率。

圖2 離心泵的高效工作范圍

3.2 減少沖擊損失的措施

為了保證液流進入葉道沿整個葉片高度無沖擊，同樣使葉道中各條流線中的液流能得到同樣的揚程，可將葉片作成具有空間曲面形狀的扭曲葉片。當流量偏離設計流量較多時，根據(jù)進口速度三角形可知，在葉片進口處產(chǎn)生沖擊損失，利用活動葉片可根據(jù)流量調節(jié)葉片寬度，減少沖擊，達到變工況條件下節(jié)能的目的。

3.3 葉輪切割的節(jié)能措施

在葉輪的最大切割余量允許范圍內，葉輪切割前后，由切割定理可知，Qv′/Qv=D2′/D2，H′/H=（D2′/D2）2，P′/P=（D2′/D2）3。隨葉輪直徑減小，泵的流量、揚程、功率減小，其中功率減小更多。因此，切割葉輪或把原來的葉輪去掉而換上同類直徑較小的葉輪，是一種簡便經(jīng)濟的措施。水泵比轉速ns=（3.65nQ1/2）/H3/4，其中，n為轉速，r/min；Q為流量，m3/s；H為揚程，m。水泵比轉速與切削量的關系見表1。

表1 葉輪切削限度與泵比轉速關系

3.4 離心泵調速的節(jié)能措施

離心泵是根據(jù)最大負荷選用的，但最大負荷時間較短，當離心泵的運行參數(shù)遠離設計參數(shù)時，可利用改變轉速的方法來改變其流量、揚程和軸功率。當葉輪直徑不變而葉輪轉速改變不多時，由相似定律可知，Qv′/Qv=n′/n，H′/H=（n′/n）2，P′/P=（n′/n）3。同切割定律，轉速降低則流量、揚程和功率隨之降低，尤其功率降低更多，因此降低離心泵的轉速是變工況條件下實現(xiàn)節(jié)能的重要方法。就是通常所說的變頻調節(jié)技術。

3.5 采用合理的密封方案減少泄漏提高離心泵的運行效率

副葉輪密封是利用副葉輪帶動密封腔內的流體高速旋轉并產(chǎn)生離心壓力，此力與副葉輪周圍介質的壓力相平衡達到動密封，這種密封需要配合停車密封使泵在停止運行時仍能夠實現(xiàn)密封。停車密封是利用飛鐵產(chǎn)生的離心力借助推力盤使彈簧受壓推動動靜密封環(huán)在離心泵工作時相互脫離，而在停車時彈簧恢復變形使動靜環(huán)端面相互接觸達到密封的目的。

4 應用實例

（1）概述。公司制冷站的5℃冷凍水2#泵由于前期根據(jù)工藝選型而定，現(xiàn)由于工藝調整，揚程、流量的富余量較大，為節(jié)能降耗，對葉輪實施切削節(jié)能改造。

（2）數(shù)據(jù)收集。記錄電機運行電流I=162 A，電機運行電壓U=380 V，電機銘牌效率η電=0.95，功率因數(shù)φ=0.87；記錄離心泵出口壓力0.65 MPa，進口壓力0.25 MPa，泵揚程約H=40 m；離心泵流量Q=600 m3/h=0.17 m3/s，測量葉輪外徑D=380 mm。

（3）功率計算。①電機有功功率P有功=UI1.732φ，P有功= 92.76 kW·h。②電機效率為η電=0.95，電機輸出功率P輸出=P有功η電，P輸出=88.12 kW·h。③離心泵軸功率P軸=P輸出η傳動，根據(jù)傳動方式不同，取不同的傳動效率，管道泵傳動效率η傳動=1，即P軸=P輸出=88.12 kW·h。

（4）離心泵效率計算。由P軸=（QH9.81）/3600η泵，η泵= 74.2%。

（5）比轉速ns計算。泵比轉速ns=（3.65nQ1/2額）/H3/4額，ns= 140，由此確定葉輪最大切削量（D-D′）/D≤13%為宜。再綜合考慮揚程不宜過度降低，取切削后揚程為H′=36 m，根據(jù)葉輪切削一般定理公式Q′/Q=D′/D，H′/H=（D′/D）2，P′軸/P軸=（D′/ D）3。求出切削量D′=360.5 mm，（D-D′）/D=5%，符合最大切削量范圍。

（6）葉輪切削計算。此時已知流量Q=600 m3/h，揚程H=40 m，軸功率P軸=88.12 kW·h，葉輪外徑D=380 mm、葉輪切削后外徑D′=360.5 mm。根據(jù)葉輪切削公式Q′/Q=D′/D，H′/H=（D′/D）2，P′軸/P軸=（D′/D）3，可求出切削后，流量Q′=QD′/D=568 m3/h，揚程H′=（D′/D）2H=36 m，軸功率P′軸=（D′/D）3P軸=74.92 kW·h，有功功率P′有功=P′軸/η電=78.86 kW·h，電流I′=P′有功/U×1.732× 0.87=137.7 A。

（7）切削后節(jié)能驗證。切削后，離心泵試運行，滿載時電機電流I′′=134 A，流量Q′′=572 m3/h，揚程H′′=35.8 m。以切削后實際各參數(shù)計算泵的功耗，電機P′′有功=76.73 kW，電機P′′輸出=P′′軸=72.9 kW，效率η′′泵=76.54%。通過切削，離心泵的運行效率略有提升，并且電流、流量、揚程的切削誤差在3%以內，屬于可控范圍。

（8）改造后的經(jīng)濟效益。切削前泵每輸送單位水量的耗電量E=P有功/Q=0.155 kW/m3；切削后泵每輸送單位水量的耗電量E′′=P′′有功/Q′′=0.134 kW/m3；上述計算可見E′′＜E，證明離心泵切削節(jié)能成功，節(jié)能功率P節(jié)能=P有功-P′′有功=16.03 kW·h；以電價0.52元/kW·h計算，每天8 h工作制，每年運行時間2920 h，年經(jīng)濟收益=節(jié)能功率P節(jié)能×電價×泵每年運行時間，年收益= 24 339.95元。

（9）改造小結。此次節(jié)能改造所需費用為葉輪外送車削加工費用，僅為幾百元，而實際帶來的收益為2.4萬元/a，在獲得經(jīng)濟收益的同時也能滿足生產(chǎn)工藝需求。此次節(jié)能改造的成功得益于基礎數(shù)據(jù)收集及各項計算的小心求證，今后將本實施方案推廣其他各種水泵以達到經(jīng)濟運行、節(jié)能降耗的目的。

5 結論

離心泵的性能是指離心泵在標準狀況下的流量、揚程、效率等性能參數(shù)之間的關系，是根據(jù)實驗測出的，是離心泵的設計參數(shù)，不能反映離心泵在使用中的性能。離心泵的額定揚程不一定等于實際揚程，實際運轉效率也不一定等于離心泵銘牌效率。只有通過離心泵實際運轉工況，測量其運行參數(shù)，計算出離心泵實際運行效率，進行合理的分析，并通過切削葉輪或調節(jié)轉速等方法來改變離心泵運行狀態(tài)以獲得高效的離心泵，達到節(jié)能、降耗的目的。

［1］張克義.淺談水泵的節(jié)能技術改造［J］.有色冶金節(jié)能，2001（2）:29-31.

［2］魏龍.泵維修手冊［M］.北京:化工工業(yè)出版社，2011.

［3］楊詩成,王喜魁.泵與風機［M］.北京:中國電力出版社，2002.

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〔編輯 凌 瑞〕