三元流技術(shù)在循環(huán)水泵上的應(yīng)用

苗興東

(中國石油遼河石化分公司，遼寧盤錦 124022)

0 前言

在能源日趨緊張的今天，在國家“十二五”規(guī)劃的要求下，節(jié)能降耗成為當今的主流，而廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等社會生活各個領(lǐng)域的離心泵，其每年電耗占全國總電耗的21%以上，因此離心泵的節(jié)能問題就引起了人們的關(guān)注，各種節(jié)能措施也越來越受到人們的重視。如何提高離心泵的運行效率，實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化運行成為用戶的主要研究對象。隨著三元流動理論逐步成熟，以及該技術(shù)在實際應(yīng)用中的廣泛推廣，泵的效率得到了極大提高，與傳統(tǒng)的一元流、二元流技術(shù)相比，泵節(jié)電率可達到15% ～20%。

目前，遼河石化公司東循環(huán)水場有6臺離心式水泵，設(shè)備位號為1～6號，并聯(lián)于全封閉式循環(huán)水系統(tǒng)，母管制運行，循環(huán)水泵均是采用傳統(tǒng)的二元流理論設(shè)計制造的泵型，已運行10年以上，通過現(xiàn)場測算，水泵運行效率較低。由于水泵的運行效率與泵體內(nèi)部流體流動狀況是密不可分的，而傳統(tǒng)的二元流理論不能準確地反映泵體內(nèi)液體的真實流動狀態(tài)，因此受泵的設(shè)計制造水平和現(xiàn)場運行工況變化的影響，水泵實際運行工況點嚴重偏離其高效區(qū)，造成水泵效率低，能耗高。而通常采用的車削葉輪、更換新泵或者安裝變頻器等辦法都有較大的局限性，不能從根本上解決低效率、能耗高的問題。為此，公司決定采用三元流技術(shù)對循環(huán)水泵進行技術(shù)改造。

1 三元流技術(shù)改造原理分析

1.1 三元流技術(shù)原理

吳仲華院士于20世紀50年代就提出了三元流理論。該理論將葉輪內(nèi)部的三元立體空間無限分割，通過對葉輪流道內(nèi)的各工作點的分析，建立起完整、真實的葉輪內(nèi)流動的數(shù)學(xué)模型。劉殿魁［1］于80年代提出了“射流—尾跡”模型，通過三元“射流—尾跡”流動計算，對因流體黏性和泵體內(nèi)部壓力梯度引起的流體流動狀態(tài)進行定量分析，利用三元流動理論來求解泵葉輪內(nèi)的流速分布，進而得出水泵葉輪優(yōu)化設(shè)計的方法，根據(jù)葉輪內(nèi)部流動特性的要求，對葉片的進出安放角、葉片數(shù)、扭曲葉片各截面形狀等要素進行優(yōu)化，改善葉輪內(nèi)流體的流動狀態(tài)，從而避免葉片工作面的流動分離，減少流動損失，提高葉輪的工作效率，最終達到提高水泵效率、節(jié)能降耗的目的。該方法特點主要有:①保留電機、泵殼體、進出水管路等現(xiàn)有水泵系統(tǒng);②可根據(jù)系統(tǒng)實際情況進行設(shè)計，達到“量體裁衣”的目的;③工期短、效率高、見效快。

1.2 三元流葉輪與傳統(tǒng)葉輪的比較

三元流葉輪與傳統(tǒng)葉輪除安裝尺寸相同外，其葉片形狀發(fā)生了很大的變化，如圖1和圖2所示［2］。

圖1 葉輪葉片的子午面視圖

圖2 葉片前視圖

由圖1和圖2可以看出:①三元流葉輪葉片加寬了許多，特別是輪轂減少，使流通能力增大;②三元流葉輪直徑減少了，而出口寬度增大;③三元流葉片的扭曲度大很多;④三元流葉片進口邊向來流進口伸展，減少了進口損失。

反映到水泵的效率曲線和特性曲線上，就是三元流可以根據(jù)現(xiàn)有的運行狀態(tài)，設(shè)計時改變水泵的特性曲線，使其變得平滑，同時可以將效率曲線向右平移，以適應(yīng)工況發(fā)生變化時需要，效率達到最大化。因此，葉輪的這種變化，實際上使原泵變?yōu)橐环N全新的泵，其效率最高點對應(yīng)于目前實際運行工況時的流量和揚程，而這是靠選取現(xiàn)有規(guī)格的泵或切割葉輪等方法無法達到的。

2 改造實施情況及效益分析

公司于2012年3月份應(yīng)用三元流技術(shù)對東循環(huán)水站的1號、4號、6號水泵進行改造，現(xiàn)場實測參數(shù)為:1號泵，揚程46 m，流量2 000 m3/h，電機功率460 kW，電流55A;4號泵，揚程46 m，流量3 000 m3/h，電機功率560 kW，電流61A;6號泵，揚程45 m，流量 5 000 m3/h，電機功率 1 000 kW，電流116A。3臺水泵改造后投用至今，機泵運行平穩(wěn)，噪音減小，汽蝕現(xiàn)象明顯減少，節(jié)能效果明顯，達到了改造的預(yù)期目標。具體參數(shù)如表1所示。

表1 改造前后參數(shù)對比

由表1可以看出，在泵改造后滿足各用水點工藝參數(shù)的前提下，1號泵節(jié)電率為20.37%，4號泵節(jié)電率為16%，6號泵節(jié)電率為15.52%。電費按0.58元∕度計算，3臺泵每年節(jié)電費用分別為44.39、45.52 和78.85 萬元。因此該項目屬于短平快項目，投入產(chǎn)出比最佳，經(jīng)濟效益顯著。

3 結(jié)束語

公司應(yīng)用三元流技術(shù)對循環(huán)水泵改造后，在保證系統(tǒng)的工藝參數(shù)沒有發(fā)生變化的情況下，改善了水泵的運行狀況，減輕了汽蝕破壞程度，提高了泵的運行效率，降低了運行電耗，達到了改造目的。三元流葉輪實際上將原泵改變成一種全新的泵，其泵效率最高點對應(yīng)用戶所需的流量、揚程等實際工況，使泵效率得到科學(xué)充分的提高。由于不動電機、泵體、泵軸、管線等，改造工作容易實施，實用性強。與上變頻、換泵或電機等方法比，投資省、見效快。更換三元流動理論設(shè)計的高效率葉輪，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)出比最佳。綜上所述，在水泵實際工況與設(shè)計工況不吻合的情況下，或隨著生產(chǎn)需要增減水量的情況下，利用三元流葉輪技術(shù)，達到新工藝要求和節(jié)能目的，是投資少，見效快，便于實施的水泵節(jié)能新舉措，值得借鑒和推廣。同時，對其他老的循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)能改造有良好的借鑒意義。

［1］劉殿魁.離心泵內(nèi)具有射流—尾跡模型的三元流動計算［J］.工程熱物理學(xué)報，1986，7(1):5-6.

［2］王建立，張小玲.三元流葉輪在循環(huán)水系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.河北化工，2007，30(8):52-53.