水泵葉輪切削的能效分析與應(yīng)用

栗杰

（河北廣播電視臺器材購置服務(wù)中心，河北 石家莊 050031）

1 循環(huán)水泵葉輪切削對水泵效率的影響

水泵由于選型偏差會造成與管網(wǎng)特性不匹配繼而引起運行效率低、能耗大的問題。為擴大離心泵的適用范圍使其工作在高效區(qū)，通常會采取變速（加裝變頻器）調(diào)節(jié)和變徑（改變?nèi)~輪直徑）調(diào)節(jié)來達到符合管網(wǎng)特性的目的。然而，無論采取哪種方法，水泵現(xiàn)有的揚程、流量、功率都會發(fā)生改變并符合工況點來提高水泵效率。變頻變速調(diào)節(jié)提高水泵效率是一種較理想的節(jié)能措施，但由于存在設(shè)備造價高，改造投入大，設(shè)備維護難度大等因素我們暫不作討論。變徑調(diào)節(jié)的葉輪切削則是建立于大量感性實驗資料的基礎(chǔ)上的。其認為如果葉輪的切削量控制在一定限度內(nèi)時，則切削前后水泵相應(yīng)的自身效率可視為不變。但工況點的改變更適合管路阻力特性，使其整體效率得到提升。

2 切削數(shù)據(jù)與切削方式的確定

切削限量與比轉(zhuǎn)數(shù)（ns）有關(guān)。

表1

由此表1我們不難看出，低、中比轉(zhuǎn)數(shù)的水泵在進行葉輪切削時，葉輪直徑的切削量控制在合理的區(qū)間，其效率的下降可以忽略。根據(jù)《泵與風(fēng)機》教材中相似理論在水泵中的應(yīng)用論述：“水泵在運行中，當轉(zhuǎn)速、葉輪尺寸及流體密度發(fā)生改變時，根據(jù)相似關(guān)系，運行性能參數(shù)及性能曲線的變換相似”。泵與風(fēng)機的相似定律反映了性能參數(shù)之間的關(guān)系。它們之間的流體力學(xué)性質(zhì)遵循力學(xué)相似原理。為了改善在用泵的性能，切削泵的葉輪，使葉輪直徑減小，以達到降低揚程、接近管網(wǎng)阻力特性、降低功率和節(jié)能的目的?；谝陨蠋c，若要確定切削量就要依據(jù)相似原理找出各參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。即：低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵ns＜60。

(Q＇/Q)=(D＇/D)2

(H＇/H)=(D＇/D)2

(P＇/P)=(D＇/D)4

中高比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵：ns=60～120。

(Q＇/Q)=(D＇/D)

(H＇/H)=(D＇/D)2

(P＇/P)=(D＇/D)3

式中：Q、Q＇為原泵流量和葉輪切削后泵的流量，m3/h；H、H＇為原泵揚程和葉輪切削后泵的揚程，m；P、P＇為原泵功率和葉輪切削后泵的功率，kW；D、D＇為葉輪原直徑和切削后葉輪的直徑，mm。

計算值D＇的修正：修正值(K)由比轉(zhuǎn)數(shù)(ns)確定。ns越小，K值取大。ns越大，K值取小。其關(guān)系見表2。

表2

比轉(zhuǎn)數(shù)的大小直接關(guān)系到切削方式的選擇。低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵葉輪切削時，前后蓋板和葉片的切削量是相等的。中高比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵葉輪切削時，后蓋板的切削量大于前蓋板。

3 離心水泵葉輪切削工藝在我單位的應(yīng)用

我局熱交換站內(nèi)原有3臺山東產(chǎn)臥式單級單吸清水離心泵用于辦公低區(qū)的中央空調(diào)采暖循環(huán)系統(tǒng)。其中2#泵因老化嚴重在局綜合業(yè)務(wù)樓啟用后進行了配套改造，更換為上海連成產(chǎn)SLW150-400A型單級單吸清水離心泵。具體參數(shù)見表3、4。

表3

表4

經(jīng)過對比我們發(fā)現(xiàn)，2#循環(huán)泵的選型無論從流量、揚程和配用的電機似乎符合系統(tǒng)的要求。然而，實際運轉(zhuǎn)中2#循環(huán)泵的運轉(zhuǎn)電流超過額定值的20%多。同時還伴隨著震動、噪音和超過正常的溫升。重新分析數(shù)據(jù)可以看出輸出軸功率的差異正是影響其無法正常工作的主要原因。富裕的軸功率作用在系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)化成多余的流量，繼而加大電機的負荷。不但白白消耗電能，水泵的工況也極其不穩(wěn)定，隨時都有燒毀的危險。找到問題所在我們對癥下藥。利用以上數(shù)據(jù)我們可以算出：

2#泵比轉(zhuǎn)數(shù)=3.65·n·s?/h?，即ns=70。

式中：n為轉(zhuǎn)速，r/min；s為流量，l/s；h為揚程，m。

如果套用相似理論，為保證中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)合理以及參考局綜合業(yè)務(wù)樓的管路特點，在選用切削公式時應(yīng)當優(yōu)先考慮揚程。即：(H＇/H)=(D＇/D)2。

現(xiàn)熱交換站內(nèi)辦公區(qū)循環(huán)泵吸程壓力為0.15MPa，泵出口壓力0.6MPa。出口最近的熱交換器壓力為0.55MPa。我們可以認為系統(tǒng)揚程近似于吸程和熱交換器處的壓力之差0.4MPa，即40m。代入公式可得：

（40/44）=(D＇/370)2 D＇=352.98

K值修正：D＇=352.98×0.96=338.86≈340mm；

切削量：370-340=30mm；

驗證：（30/370）×100%=8.1%＜20%；

在允許的切削范圍內(nèi)。

我們再來計算葉輪切削后對流量和功率的影響。

流量：(Q＇/Q)=(D＇/D)

(Q＇/187)=(340/370)

Q＇=171.84m3/h

流量較標示值下降了15m3/h，實際下降的應(yīng)該更多，因為已經(jīng)在超流量運行。

功耗也是我們這次技改重點解決的問題。

(P＇/P)=(D＇/D)3

（P＇/33820）=0.7759 I=69.055A

較之前的實際運轉(zhuǎn)電流89A減少了20A。

按上述公式計算出來的數(shù)據(jù)應(yīng)該可以滿足現(xiàn)有系統(tǒng)的管道阻力特性。開始機加工，拆下葉輪確定切削位置，前后蓋板和葉片的切削量一致。上車床進行車削加工，加工量D=30mm，進刀量為r=15mm。加工完成后對葉輪進行動平衡試驗，安裝葉輪后試車正常，改造完成。

這次離心泵葉輪切削改造在2011年12月10日完成后，辦公區(qū)2#循環(huán)泵正常投入使用，實際運轉(zhuǎn)電流65A，泵出口壓力降為0.55MPa，噪音震動明顯減小，流量值只能參考計算結(jié)果。節(jié)電效果改善明顯，經(jīng)計算一個采暖季單臺設(shè)備16h/天，運行120天，節(jié)電19200kW/h，如按電價每度8角來計算，可節(jié)約電費1萬5千余元。改造成本計算，1個普通車工1個工時就可完成。可以說改造做到了精確計算，并達到了預(yù)期的結(jié)果。

4 結(jié)語

（1）水泵的選型并不是越大越好，應(yīng)充分考慮管路的結(jié)構(gòu)和布局特點。做到能效合理，物盡其用。

（2）改造工程雖然可以解決一些實際問題，但并不是最理想的方案。

（3）流體的實際參數(shù)和計算結(jié)果有一定差距，在計算時盡可能收集全面準確的數(shù)據(jù)來縮小差距。

（4）我局制冷站中央空調(diào)循環(huán)水泵同樣存在選型不合理的問題，通過這次改造所積累的經(jīng)驗可用于下一步制冷站的安全節(jié)能改造，繼續(xù)挖掘潛力、節(jié)能降耗，共筑節(jié)約型社會。