循環(huán)水泵葉輪的改造

唐文建，張原娟

(兗礦新疆煤化工有限公司 新疆烏魯木齊 830011)

循環(huán)水系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于石油化工、煤化工、鋼鐵冶煉、熱力發(fā)電廠等領(lǐng)域，主要包括循環(huán)水泵、供水支路和母管、裝置用水支路、用戶換熱器、回水母管、冷卻塔等設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)耗電量約占兗礦新疆煤化工有限公司用電量的20%～30%，存在設(shè)施老化、機泵效率低、控制水平差、管理粗放、耗水量大、能量浪費嚴重等問題。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對循環(huán)水系統(tǒng)實施整體優(yōu)化后，總電耗可以降低20%左右，節(jié)能潛力巨大。

1 改造前存在的問題

兗礦新疆煤化工有限公司循環(huán)水系統(tǒng)分為2個子系統(tǒng)，共有8臺水泵。第一循環(huán)水系統(tǒng)有3臺循環(huán)水泵，位號分別為P4202A/B/C，每臺水泵的額定功率為1 250 kW、額定電流為94 A，運行方式為兩開一備，實際運行電流為90 A。第二循環(huán)水系統(tǒng)有5臺循環(huán)水泵，位號分別為P4201A/B/C/D/E，每臺水泵的額定功率為1 400 kW、額定電流為105 A，運行方式為四開一備，實際運行電流為100 A。在運行過程中，循環(huán)水系統(tǒng)存在如下的問題。

(1)循環(huán)水泵實際揚程為55 m，根據(jù)水泵性能曲線，運行效率低于80%。由于循環(huán)水泵實際性能曲線與管網(wǎng)性能曲線不匹配，只能將水泵出口閥門開度、冷卻塔上塔閥門開度分別減至30%～35%、40%～50%，因此造成循環(huán)水流動阻力增大。

(2)循環(huán)水泵電動機電流接近額定值，若增大水泵出口閥門開度或冷卻塔上塔閥門開度，電動機存在超電流的風險。

(3)循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)水量取決于換熱器的實際需求，受后系統(tǒng)裝置實際生產(chǎn)過程、工藝條件、設(shè)備狀況、水質(zhì)條件、操作人員等因素的影響，應(yīng)根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)循環(huán)水泵運行參數(shù)。但受水泵自身的限制，無法實現(xiàn)精細化運行，導(dǎo)致冬季和夏季循環(huán)水泵開啟情況一致，造成能量浪費。

2 改造方案

葉輪是離心泵的核心部件，其流動性能在很大程度上決定了整個離心泵的性能，因此葉輪的設(shè)計極為關(guān)鍵。在工業(yè)泵的設(shè)計過程中，葉輪設(shè)計大多借助于經(jīng)驗，或者采用二元流動理論進行分析，再根據(jù)三維黏性流動分析的結(jié)果進行修正。因與葉輪內(nèi)實際的三維黏性流動存在較大的差異，故葉輪的效率較低。另外，性能良好的葉輪若無法與蝸殼實現(xiàn)良好的匹配，也會導(dǎo)致泵內(nèi)各種流動損失增大，特別是沖擊損失的增大，將大幅降低整臺泵的實際運行效率。

隨著計算機硬件的發(fā)展和計算方法的優(yōu)化，計算流體力學(CFD)技術(shù)逐漸成為水泵水力優(yōu)化設(shè)計的主流技術(shù)，國外水輪機行業(yè)將模型試驗與數(shù)值計算有機結(jié)合，通過仿真計算獲得可靠的設(shè)計數(shù)據(jù)。近些年國內(nèi)也開始運用CFD技術(shù)優(yōu)化水泵葉輪的設(shè)計，經(jīng)節(jié)能改造后的葉輪已在石油化工、煤化工、生化制藥、鋼鐵冶金、熱電、機械電子、中央空調(diào)等行業(yè)得到成功應(yīng)用。眾多案例證明葉輪節(jié)能改造不影響正常生產(chǎn)，優(yōu)化后可確保循環(huán)水系統(tǒng)工藝參數(shù)保持不變，技術(shù)安全可靠。

鑒于此，聘請外單位設(shè)計并定制高效葉輪，重新調(diào)整系統(tǒng)水力平衡，合理控制換熱器冷卻水供回水溫差和回水壓力，提高管網(wǎng)輸送效率，確定合理的循環(huán)水流量，從而達到節(jié)電的目的。高效水泵葉輪設(shè)計時，以實際工況點為設(shè)計點，以工藝需求確定高效區(qū)，根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)工況需求，采用CFD技術(shù)對兗礦新疆煤化工有限公司的循環(huán)水泵進行三維黏性數(shù)值模擬，以準確模擬其內(nèi)部流場，掌握其葉片內(nèi)循環(huán)水的流動特性。即首先模擬優(yōu)化葉片進口與出口的速度角，減小葉片的擴散損失和水力損失；然后模擬優(yōu)化葉輪蓋板與殼體、葉輪口環(huán)間隙的設(shè)計，減小泄漏量與摩擦損失；最后模擬優(yōu)化葉輪進口直徑、葉片角度、葉片數(shù)，提高葉輪抗汽蝕的性能。

3 改造后效果

改造后的水泵葉輪高效區(qū)域?qū)拸V，能更好地在循環(huán)水系統(tǒng)工況點運行；葉輪設(shè)計效率提高5%，整體運行效率提高10%以上；葉輪抗汽蝕性能提高，滿足現(xiàn)場裝置的汽蝕余量要求，提高了水泵運行的可靠性。循環(huán)水泵優(yōu)化后的節(jié)電率要求在12%以上，實際耗電量統(tǒng)計結(jié)果見表1和表2。

表1 第一循環(huán)水系統(tǒng)水泵耗電量統(tǒng)計結(jié)果

表2 第二循環(huán)水系統(tǒng)水泵耗電量統(tǒng)計結(jié)果

由表1和表2可以看出：第一循環(huán)水系統(tǒng)水泵優(yōu)化前的功率合計為2 396.00 kW，優(yōu)化后的功率合計為2 095.11 kW，節(jié)電300.89 kW·h，節(jié)電率為12.56%；第二循環(huán)水系統(tǒng)水泵優(yōu)化前的功率合計為5 562.00 kW，優(yōu)化后的功率合計為4 610.09 kW，節(jié)電951.91 kW·h，節(jié)電率為17.11%；第一、第二循環(huán)水系統(tǒng)水泵優(yōu)化后的節(jié)電率均達到預(yù)期目標。

4 結(jié)語

將高效葉輪應(yīng)用于循環(huán)水泵后，循環(huán)水系統(tǒng)年節(jié)電8.75×106kW·h，電價按0.36元/(kW·h)計，年節(jié)電效益可達315萬元。