三元流技術(shù)在循環(huán)水泵節(jié)能改造中的應(yīng)用

申延鵬 ,常金唱

目前,節(jié)能降耗已成為全國各行各業(yè),特別是高耗能企業(yè)的重要任務(wù)。我國已把節(jié)能降耗提到了國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常重要的位置。

離心泵是把原動機的機械能通過離心泵葉輪產(chǎn)生的離心力使液體產(chǎn)生動能,從而達(dá)到輸送液體的目的,它廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。因此,通過優(yōu)化離心泵的性能做好離心泵的節(jié)能工作,是節(jié)能降耗中至關(guān)重要的一環(huán)。

1 三元流技術(shù)概述

我國離心泵多年來一直采用一元流理論設(shè)計離心泵葉輪,它的設(shè)計理念是假定進(jìn)出口流通截面及流道內(nèi)部任何流通截面的水流分布是均勻的,而流速僅為一個自變量的函數(shù)。據(jù)此而設(shè)計出葉片的幾何形狀,制作出多種模型進(jìn)行試驗,擇優(yōu)選用。由于離心泵在不同工況下其流量、壓力變化范圍很大,而這種葉輪的模型只能是有限的數(shù)種,因而無法保證優(yōu)選模型與實際工況一致。這就導(dǎo)致離心泵葉輪偏離設(shè)計最佳效率點,進(jìn)而影響泵的實用效率。

我國科學(xué)家吳仲華教授創(chuàng)立的 S1、S2兩類流面概念,奠定了葉輪機械三元流動理論的基礎(chǔ),中科院研究員劉殿魁教授于 1986年提出了《葉輪機械內(nèi)含射流—尾跡的完全三元流的解法》。應(yīng)用這一計算方法對葉輪流道進(jìn)行設(shè)計,有效地解決了尾跡區(qū)的影響,提高了葉輪的水力效力,同時增大了有效流通面積,提高了離心泵的工作效率。

離心泵的水力效率受水泵葉輪的進(jìn)口輪徑、出口輪徑、輪轂比、子午流道的曲率變化、葉型中心線的形狀、葉片厚度分布、安裝角、進(jìn)口角、出口角及泵的工作流量、壓力變化等多種因素的影響。而根據(jù)《射流—尾跡三元流動理論》結(jié)合離心泵在使用中的流量、揚程等具體參數(shù)設(shè)計制作的高效三元流葉輪,在不變動泵體安裝結(jié)構(gòu)的情況下,換裝于原泵體內(nèi)。以投資最少,見效最快的技改方式,達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2 三元流技術(shù)原理

三元流技術(shù),實質(zhì)上就是通過使用先進(jìn)的泵設(shè)計軟件《射流—尾跡三元流動理論計算方法》,結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實際的運行工況,重新進(jìn)行泵內(nèi)水力部件(主要是葉輪)的優(yōu)化設(shè)計。具體步驟是:先對“在用”離心泵的流量、壓力、電機耗功等進(jìn)行測試,并提出常年運行的工藝參數(shù)要求,作為泵的設(shè)計參數(shù);再使用泵設(shè)計軟件設(shè)計出新葉輪,保證可以和原型互換,在不動管路電路、泵體等條件下實現(xiàn)節(jié)能或擴大生產(chǎn)能力的目標(biāo)。

2.1 一元、三元流動基本概念

下頁圖1左邊是葉輪的局部視圖,右邊是把葉輪內(nèi)兩個相鄰葉片和前、后蓋板形成的流道abcdefgh作為一個計算分析研究的單元。aehd、bfgc是兩個相鄰的葉片,dcnghid是葉輪前蓋板,bkfeja是葉輪后蓋板。傳統(tǒng)的“一元流理論”就是把葉輪內(nèi)的曲形流道abcdefgh,視為一個截面變化的彎曲流管,認(rèn)為沿流線的流速大小僅隨截面大小而變化,但假定在每個橫斷面上如abcd、ijkn、efgh等,流速是相同的。這樣在流體力學(xué)計算中,流動速度 (w)就只是流線長度坐標(biāo)(s)的一元函數(shù)。這種簡化使泵內(nèi)部流體力學(xué)的計算可以用手工算法得以實現(xiàn)。國內(nèi)采用的雙吸水平中開泵,就是采用這種理論設(shè)計的。

圖1 葉輪、圓柱坐標(biāo) (R、Φ、ω)及流動速度ω

然而由于葉輪流道abcdefgh的三元曲線形狀又是高速旋轉(zhuǎn)的,流速 (或壓力)不但沿流線變化,而且沿橫截面abcd,ijkn、efgh等等,任何一點都是不相同的,即流速是三元空間圓柱坐標(biāo) (R、Φ、Z的函數(shù))。特別是葉片數(shù)也是有限的,流速和壓力沿旋轉(zhuǎn)周向 (Φ坐標(biāo))的變化,正是水泵向流體輸入功的最終體現(xiàn)。忽略這一點就無法計算水泵內(nèi)部的壓力變化,這也就是為什么一元流動理論只能計算葉輪進(jìn)口、出口參數(shù),而不能準(zhǔn)確分析葉輪內(nèi)部流動參數(shù)的原因。水泵的效率顯然與其內(nèi)部流動狀況的好壞是密不可分的,一元流理論固然簡單,但不能完全反映泵內(nèi)的真實流動,這就在設(shè)計上阻礙了泵效率的提高。

2.2 “射流—尾跡”三元流動

最早在航空用離心壓氣機中,用激光測速技術(shù)觀察到“射流—尾跡”現(xiàn)象,如圖2所示,弧狀彎曲線dh和cg分別代表兩個相鄰的葉片,dc為葉片進(jìn)口邊,hg為葉片出口邊,w1為葉片進(jìn)口流速,w2為葉片出口流速,都是不均勻的。t是流動分離點,htv即是尾跡區(qū),是一些低能量流體組成,類似一個旋渦。cdtvg則是射流區(qū)可視為無黏性的位流區(qū),可按通常的三元流計算。

圖2 射流—尾跡模型

下面把差別較大的幾點加以描述:

如圖3所示,葉輪的子午流道形狀,對應(yīng)于圖1中的葉片位置,依次為進(jìn)口、出口、葉輪前蓋板內(nèi)壁型線、葉輪后蓋板壁面型線。實線為三元流葉輪,虛線為傳統(tǒng)一元流葉輪。前者軸向向進(jìn)口方向延伸,軸向?qū)挾却?造成流動損失盡可能小的進(jìn)口條件,使泵的效率和氣蝕性能得以改善。

圖3 葉片形狀的差別

葉片在垂直軸線Z的平面上投影為adh曲面,由于Φ角的改變可以看到三元流葉片扭曲顯著,而一元流葉片a1、d1、h則扭曲度小,有時a1與d1重合,葉片完全不扭曲,而只是一個板式彎曲形葉片,我們稱之為直葉片。當(dāng)然,針對具體的設(shè)計,三元流設(shè)計的葉片進(jìn)出口尺寸可能與一元流均不同,甚至葉片數(shù)目也不相同,不一一描述。

3 水泵技改方式的比較

葉輪是水泵的心臟,它決定了泵的揚程、效率的絕大部分,泵體的影響較小。對于在用泵,結(jié)合其在用的流量、揚程及泵體,設(shè)計出可互換的高效率三元流葉輪,換裝原泵內(nèi),這是投入最少、簡單易行、見效最快的技改方式。

在實際生產(chǎn)運行中,由于離心泵不符合使用要求,往往采用切割葉輪的方式來解決。這種方法實際上是減少了泵的流量和揚程,此時電機功率會減少。但由于流量的減少,離心泵的水力效率下降,單耗增大,并沒有起到節(jié)能的目的。而目前推廣的變頻調(diào)速方案,是通過降低頻率來降低電機、離心泵轉(zhuǎn)速,從而使離心泵的流量和揚程下降,以減少電機功率損耗和閥門節(jié)流損失,達(dá)到一定的節(jié)能目的,離心泵的水力效率并沒有得到提高。且投資大,使用、維護(hù)費用較高,適宜于工況變化頻繁的情況下使用。

河南延化化工有限公司是歷經(jīng) 30年發(fā)展起來的中型氮肥企業(yè)。生產(chǎn)系統(tǒng)使用的離心泵均為一元流結(jié)構(gòu),配用電機常年超負(fù)荷運行,電機易燒毀,維護(hù)工作量大,電耗及其它費用居高不下,對公司節(jié)能增效影響很大。通過對節(jié)能手段的分析論證后,采用了依據(jù)《射流—尾跡三元流動理論》,結(jié)合公司各工段實際運行參數(shù)設(shè)計制造的新型葉輪,先后對尿素循環(huán)水泵和合成氨循環(huán)水泵實施了技術(shù)改造。在不變動工藝管線,確保生產(chǎn)工況不變的情況下,通過換裝新型葉輪,使設(shè)備運行得到徹底優(yōu)化。公司已對 24臺循環(huán)水泵進(jìn)行了技術(shù)改造,其中 17臺泵運行,7臺備用。完成改造后未出現(xiàn)因超負(fù)荷而燒毀電機的現(xiàn)象,維護(hù)工作量和維修費用明顯下降,特別是電耗大幅度下降,具體檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 循環(huán)水泵技術(shù)改造檢測表

經(jīng)計算每年可節(jié)約電費達(dá) 146.77萬元。通過使用三元流葉輪,提高了離心泵的工作效率,從而取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益,達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

4 結(jié)論

經(jīng)過上面的理論介紹與分析,以及改造實例,證明射流—尾跡三元流動理論在水泵設(shè)計方面具有顯著優(yōu)勢,通過此技術(shù)直接對水泵的葉輪改造,不但能夠提高水泵的運行效率,實現(xiàn)節(jié)能:而且可以實現(xiàn)“保證電機不超載的情況下,改變揚程,大幅提高流量”的技術(shù)目標(biāo)。

水泵制造廠對在用泵不符合使用要求時,可以采用的方式只有切割葉輪,或整體更換新泵。切割葉輪是對流量、揚程都減少時使用的方法。此時電機功率會減少,人們往往以為這樣是節(jié)能了。但要知道由于流量的減少,單耗 (噸水電耗)不但不減,有時還會增大,因此水泵自身的水力效率是下降的。換裝新泵,由于管路、底座甚至電路、電機都要改變,不但周期長,投資大,不是萬不得已不宜采用。特別是對于要求泵揚程減少,流量增大,或揚程、流量都在電機許用功率條件下一起增大的情況,切割葉輪是無法應(yīng)用的。

綜上所述,對在用的水泵,使用三元流動理論設(shè)計高效率可互換的葉輪,無論對工頻泵或變頻泵都是行之有效的節(jié)能技改方案,其投入產(chǎn)出比最優(yōu)。