排水泵節(jié)能改造分析

李 軍

（汾西礦業(yè)高陽煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

煤礦井下生產(chǎn)過程中，為確保作業(yè)的安全和持續(xù)，每年礦井水的排出量超過數(shù)億立方米，這使得礦井主排水泵功率大、能耗高，加之井下地質(zhì)條件復(fù)雜多變，排水管路布設(shè)往往十分復(fù)雜，更進(jìn)一步加大了排水能耗。基于此，探索高效的排水泵節(jié)能措施，對于推動(dòng)礦井能耗降低，提升礦井經(jīng)濟(jì)效益有著積極意義，是礦井現(xiàn)代綠色化發(fā)展的必由之路。

1 主排水泵節(jié)能改造著手點(diǎn)分析

為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化，在不改變原有礦井排水泵外形、方位及配套設(shè)施的情況下，通過更換新工藝組件或改良操作的方式，在確保電機(jī)揚(yáng)程與功率不改變的情況下，使得排水量提升9%～15%，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能改造的目標(biāo)。下式為排水泵總效率表達(dá)式：式中：Ne為水泵有效功率，kW；N為水泵軸功率，kW；ΔNh為水力損失功率，kW；ΔNm為機(jī)械損失功率，kW；ΔNv為容積損失功率，kW。通過上式分析可知，若想實(shí)現(xiàn)排水泵效率的增加，可從降低水力損失、機(jī)械損失及容積損失三個(gè)方面著手，在此以降低水力損失為著手點(diǎn)，開展總結(jié)分析[1-2]。

2 水力損失減小分析

為實(shí)現(xiàn)水力損失的有效降低，自葉輪入口起至背導(dǎo)葉出口各個(gè)單級流程（圖1中各個(gè)序號所示）應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)。

2.1 改良葉輪入口流動(dòng)狀況（0—1區(qū)段）

自背導(dǎo)葉出口至葉輪入口區(qū)段為水流由靜止流道進(jìn)入旋轉(zhuǎn)流道的過渡區(qū)域，由于水流在該區(qū)域內(nèi)經(jīng)歷急劇轉(zhuǎn)彎，容易出現(xiàn)撞擊或渦流，所以整個(gè)流道的均勻與否是確保葉輪運(yùn)行效率高低的關(guān)鍵要素之一，因在排水泵的設(shè)計(jì)中予以充分重視。

圖1 排水泵單級流程示意圖

1）入口預(yù)旋。以往排水泵設(shè)計(jì)中，為實(shí)現(xiàn)揚(yáng)程的提升，往往將背導(dǎo)葉出口角α6設(shè)計(jì)為90°。當(dāng)通過研究發(fā)現(xiàn)，將α6予以適當(dāng)減小，可以使得葉輪入口存在適當(dāng)預(yù)旋。如此一來，雖然使得揚(yáng)程出現(xiàn)一定程度的降低，但不會消耗額外功率，同時(shí)還能使葉片進(jìn)口角β1和進(jìn)口喉部面積獲得增大，有效改良流道的整體擴(kuò)散度，使得葉輪水力效率獲得提升。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，入口存在一定預(yù)旋可使得排水泵效率增加0.5%～2%。

2）入口沖角Δβ1選取。由于葉輪入口處液體流動(dòng)的復(fù)雜性，在水流崇業(yè)旋轉(zhuǎn)葉輪時(shí)，會因設(shè)計(jì)的不合理，而導(dǎo)致入口流場進(jìn)一步惡化，導(dǎo)致水力損失增大。過去傳統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)多選擇平均量作為液體流出角的計(jì)算依據(jù)，但相較實(shí)際仍存在差別，會對葉輪入口的流動(dòng)造成影響。鑒于此，現(xiàn)在多通過增設(shè)Δβ1的方法予以彌補(bǔ)，通過相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析，當(dāng)Δβ1為3°～9°時(shí)，對排水泵效率的實(shí)現(xiàn)最為有利。

綜上所述，在上圖1中的0—1區(qū)段應(yīng)當(dāng)將截面適度漸縮。

2.2 葉輪內(nèi)流動(dòng)狀況改良（1—2區(qū)段）

1）參照高效率水力模型，將流道進(jìn)口處設(shè)計(jì)為少許的擴(kuò)散型或收縮型用以改良葉輪內(nèi)液體流動(dòng)性能，同時(shí)使用適宜的相對速度比（W1/W2）對擴(kuò)散比進(jìn)行控制，W1/W2數(shù)值宜選擇1.4左右。

2）葉輪兩側(cè)蓋板曲率應(yīng)盡量大且確保盡可能得相鄰。

3）葉片進(jìn)出口位置適宜采取圖2所示形狀。

圖2 葉片進(jìn)出口形狀示意圖

2.3 葉輪出口流動(dòng)狀況改良（2—3區(qū)段）

該區(qū)段作為水流自旋轉(zhuǎn)流道進(jìn)入靜止流道的過渡區(qū)域，是確保水泵運(yùn)行效率顯著提升的關(guān)鍵，尤其是葉輪出口參數(shù)的選取直接影響著葉輪能否在最小損耗的情況下實(shí)現(xiàn)機(jī)械能像液體的傳遞。下述為葉輪出口關(guān)鍵參數(shù)選取情況：

1）葉片出口角β2。參照大量實(shí)驗(yàn)成果，高效率排水泵出口角β2適宜選擇的角度區(qū)間為22°～30°，此時(shí)不僅水泵特性平穩(wěn)且效率保持較高水平。在具體的選擇上，比轉(zhuǎn)數(shù)高的排水泵取小數(shù)值，比轉(zhuǎn)數(shù)低的排水泵取大數(shù)值[3]。

2）葉輪出口處葉片同蓋板之間的位置關(guān)系采用完全垂直或稍微傾斜的情況通常均可以獲得較高效率，不過選用后者較為適宜。

2.4 導(dǎo)葉內(nèi)流動(dòng)狀況改良（3—4—5—6區(qū)段）

鑒于葉輪出口位置水流流速絕對值相對較大，因此對于比轉(zhuǎn)數(shù)較低的排水泵而言，該區(qū)段動(dòng)能可占葉輪揚(yáng)程總量的四成左右。而通過水力損失分析，可知導(dǎo)葉引起的水力損失占總量的一半以上。所以，必須進(jìn)一步縮減因?qū)~引起的水力損失，并對導(dǎo)葉和葉輪進(jìn)行兼顧考慮，方能取得良好的節(jié)能效果[4]。

根據(jù)大量實(shí)踐研究，對于導(dǎo)葉而言，其正導(dǎo)葉喉口面積對導(dǎo)葉性能的發(fā)揮有著顯著作用，因此在徑向式導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)改良中應(yīng)注重下述幾點(diǎn)內(nèi)容：

1）葉輪出口區(qū)段液體流速絕對值C2較大，在其進(jìn)入導(dǎo)葉喉口前可視作等速運(yùn)動(dòng)，因此為避免由于流量的無規(guī)則降速而產(chǎn)生的渦流損失，應(yīng)在3—4區(qū)段（擴(kuò)散管）進(jìn)行逐漸擴(kuò)壓。有鑒于此，提升正導(dǎo)葉入口區(qū)域的光潔度并對喉部面積進(jìn)行適宜的調(diào)整是確保導(dǎo)葉作業(yè)效率提升的關(guān)鍵要點(diǎn)。基于大量排水泵設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)可知，依照C3/C2（C3代表正導(dǎo)葉進(jìn)口區(qū)段液體流速絕對值）取值0.7～0.8對喉口面積進(jìn)行選擇，可確保其獲得最佳的作業(yè)效率。此外，在確保喉口面積最佳的情況下，正導(dǎo)葉入口角α3應(yīng)適當(dāng)大于α2；正導(dǎo)葉葉片數(shù)通常為6～12片，同葉輪葉片數(shù)量應(yīng)互為質(zhì)數(shù)，并依照大泵取大值，小泵取小值的原則進(jìn)行取值。

2）擴(kuò)散管由于無新液體流入，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)能向壓力能轉(zhuǎn)換的最佳區(qū)域，在設(shè)計(jì)改良時(shí)，應(yīng)在幾何尺寸規(guī)定范圍內(nèi)，最大化縮減擴(kuò)散管彎曲度。此外，由于擴(kuò)散管通流面積增加后，沿流程屬于非均勻變化，前半段動(dòng)能轉(zhuǎn)換速度快，流場不均勻，其面積增加應(yīng)適度減緩，擴(kuò)散角選擇8°較為適宜。后半段增速較快，擴(kuò)散角選擇10°～13°較為適宜。而對于擴(kuò)散管出口流速C4的選擇，應(yīng)按照C3/C4取值介于2.6～3.1或C4約等于0.8C1（C1代表葉輪進(jìn)口區(qū)段水流絕對速度）進(jìn)行選取[5-6]。

3）正導(dǎo)葉進(jìn)口區(qū)域喉口適宜設(shè)計(jì)為單側(cè)減縮的喇叭形，如圖3所示，采用此設(shè)計(jì)，能夠有效改良導(dǎo)葉入口流動(dòng)性，確保更多的水流從背弧G進(jìn)入喉口，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉效率的增加。

圖3 正導(dǎo)葉入口段液體流動(dòng)狀態(tài)示意圖

4）水流自擴(kuò)散管出口區(qū)段翻向背導(dǎo)葉時(shí)（4—5區(qū)段），由于流場較為混亂，在增加翻水面積的同時(shí)還應(yīng)將翻水區(qū)段設(shè)計(jì)為圓弧形，以最大化降低翻水流阻。

5）進(jìn)行背導(dǎo)葉（5—6區(qū)段）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分保障通流面積的充足并進(jìn)行均勻地漸縮，關(guān)鍵在于對背導(dǎo)葉入口角α5進(jìn)行合理選取，取值區(qū)間為20°～36°。此外，背導(dǎo)葉葉片數(shù)量宜控制在6～12片。

3 結(jié)語

對于排水泵運(yùn)行而言，其效率高低同葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)出口區(qū)段的液體流動(dòng)狀況息息相關(guān)。根據(jù)大量實(shí)踐總結(jié)可知，只有確保葉輪最大水力效率和導(dǎo)葉最大水力效率同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，方能保障葉輪和導(dǎo)葉的進(jìn)出口喉部具備最優(yōu)的流動(dòng)狀況，從而使得排水泵具備最佳的水力效率。因此，在具體的設(shè)計(jì)上必須綜合分析水泵運(yùn)行工況，立足于此對其設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而真正確保排水泵節(jié)能效率的提升。

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[4] 姚貴英，劉園園.基于節(jié)能降耗的礦山排水泵優(yōu)化選型方法[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（23）：245.

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[6] 陳志順，施文新，李克清.節(jié)能高效礦用排水泵的研制與應(yīng)用

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