上海寶鋼股份特鋼事業(yè)部 袁震

1 項(xiàng)目背景

寶鋼股份特鋼事業(yè)部于2007年起，為發(fā)揮專(zhuān)業(yè)化管理作用，有效提升能源供應(yīng)的系統(tǒng)整合效應(yīng)，將事業(yè)部中原先隸屬于各生產(chǎn)制造單元的循環(huán)水、水處理單元?jiǎng)潥w能源環(huán)保部進(jìn)行集中管理。為推進(jìn)專(zhuān)業(yè)管理，有效開(kāi)展能源介質(zhì)供應(yīng)單元的節(jié)能工作，能環(huán)部自接收伊始即對(duì)各水系統(tǒng)單元開(kāi)展系統(tǒng)調(diào)研。在循環(huán)冷卻水供應(yīng)環(huán)節(jié)中，我們發(fā)現(xiàn)因系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮為保證安全及最大產(chǎn)量等制定的設(shè)備和運(yùn)行參數(shù)都有較大的冗余，而這些參數(shù)與實(shí)際生產(chǎn)情況并不完全匹配，設(shè)備供應(yīng)能力大于工況需要。為實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)生產(chǎn)供應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)往往是通過(guò)閥門(mén)的開(kāi)啟度來(lái)調(diào)整供應(yīng)，導(dǎo)致設(shè)備的能量損耗增加,造成了能源的大量浪費(fèi)。

因生產(chǎn)系統(tǒng)中的冷卻循環(huán)水系統(tǒng)一般都是以不間斷方式長(zhǎng)期運(yùn)行,如能有效實(shí)現(xiàn)設(shè)備和工況的合理匹配，則整個(gè)系統(tǒng)將有較大的節(jié)能空間。

2 項(xiàng)目的確定

經(jīng)國(guó)內(nèi)外常用水泵風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)性能的比較并反復(fù)論證，我部決定選擇“全三元水泵葉輪設(shè)計(jì)方法”作為現(xiàn)場(chǎng)解決方案。由上海市節(jié)能協(xié)會(huì)推薦，我部與上海置本節(jié)能服務(wù)有限公司達(dá)成合作意向，在特冶冷軋輥冷卻循環(huán)水系統(tǒng)中先行開(kāi)展三元流技術(shù)的改造試驗(yàn)。

2.1 三元流技術(shù)簡(jiǎn)介

該技術(shù)采用國(guó)際上最前沿的泵水力性能解決方案，使用水泵設(shè)計(jì)軟件《全三元水泵葉輪設(shè)計(jì)方法》，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的運(yùn)行工況，重新進(jìn)行水泵內(nèi)水力部件（主要是葉輪）的優(yōu)化設(shè)計(jì)；然后進(jìn)行鑄造、加工和更換，以提高水泵效率，減少能耗。它可以針對(duì)實(shí)際使用要求，在不改變電機(jī)、泵體、管線等條件下增大流量、提高壓力，以滿足生產(chǎn)需要；或者在保證流量、壓力不變的情況下降低電機(jī)工作電流，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.2 三元流原理

傳統(tǒng)的“一元流理論”，把葉輪內(nèi)兩個(gè)相鄰葉片間形成的流道，視為一個(gè)截面變化的彎曲流管，認(rèn)為沿流線的流速大小隨截面大小而變化；但假定在每個(gè)橫斷面上流速是均勻的。 然而由于葉輪流道的三元曲線形狀又是在等速旋轉(zhuǎn)之中，流速（或壓力）不但沿流線變化，而且橫截面上任一點(diǎn)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(diǎn)就無(wú)法計(jì)算水泵的揚(yáng)程，這也就是為什么“一元流理論”只能計(jì)算葉輪進(jìn)口、出口參數(shù)，而不能分析葉輪內(nèi)部流動(dòng)參數(shù)的原因。

水泵的效率顯然與其內(nèi)部流動(dòng)狀況的好壞是密不可分的。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)者只能根據(jù)已有水泵的相似?；偨Y(jié)出一些經(jīng)驗(yàn)作法，進(jìn)行葉輪形狀的設(shè)計(jì)（如速度數(shù)法、保角度變換法等）。由此可見(jiàn)，一元流理論固然簡(jiǎn)單，但不能完全反映水泵內(nèi)的真實(shí)流動(dòng)，這就在設(shè)計(jì)上阻礙了水泵效率的提高。

由于粘性和壓力梯度的存在，泵輪出口沿葉片吸力面及前蓋板表面都會(huì)有流體的脫流，形成“尾跡”區(qū)，它們不但消耗了有用功降低水泵效率；而且由于流道的堵塞，使流量減少。這些都是一元流動(dòng)理論無(wú)法預(yù)測(cè)和分析的；通過(guò)全三元“射流—尾跡”流動(dòng)計(jì)算得出定量分析，使我們改善葉輪內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)，減少進(jìn)口沖擊和出口尾跡脫流等損失，使水泵效率真正得以提高。

2.3 三元流改造步驟

該技術(shù)能根據(jù)用戶的實(shí)際情況，先對(duì)在用離心泵的流量、壓力、電機(jī)功耗等進(jìn)行測(cè)試，并提出常年運(yùn)行的工藝參數(shù)要求；再使用《全三元水泵葉輪設(shè)計(jì)方法》設(shè)計(jì)出水泵內(nèi)過(guò)流元件——葉輪，保證可以和原型互換，在不動(dòng)管路、電路、泵體等條件下，更換水力部件；在同樣測(cè)試條件下，對(duì)改型水泵進(jìn)行測(cè)試比較，若效果不理想，結(jié)合實(shí)際工況作第二次調(diào)整，更換新的水力部件，即可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3 項(xiàng)目實(shí)施

3.1 現(xiàn)狀調(diào)查

冷軋輥冷卻循環(huán)水系統(tǒng)有兩套系統(tǒng)：冷軋輥循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水泵系統(tǒng)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)組。下面分析二個(gè)系統(tǒng)：

（1）B1（1#～3#）泵組

該系統(tǒng)共有3套機(jī)組，水泵型號(hào)均為HS200-150-450A型；配套電機(jī)型號(hào)均為Y2-315S-4型。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)如下。

1#機(jī)組：

電機(jī)輸入功率為125kW

機(jī)組效率為57.77%≈58%

2、B2(1#～3#)泵組

3＃機(jī)組

電機(jī)輸入功率為131kW

機(jī)組效率為54.95%≈55%

通過(guò)以上的分析計(jì)算可以看出機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行效率在比原設(shè)計(jì)效率低的狀態(tài)下運(yùn)行；電耗高，經(jīng)濟(jì)性差。

3.2 改進(jìn)方案

該系統(tǒng)共有B1、B2兩個(gè)泵組，我們選定在B2-3#水泵上進(jìn)行先期試驗(yàn)，以上海置本節(jié)能服務(wù)有限公司設(shè)計(jì)制作的全三元流高效葉輪更換水泵原葉輪。在確保滿足生產(chǎn)工藝要求、循環(huán)水系統(tǒng)與改造前同樣的壓力和流量條件下，不改動(dòng)機(jī)泵等設(shè)備基礎(chǔ)、循環(huán)水管路和電機(jī)，達(dá)到提高機(jī)組效率、降低機(jī)組（電機(jī)）平均電耗的目的。

3.3 方案實(shí)施

我部在項(xiàng)目初期就選擇了有豐富經(jīng)驗(yàn)的人員組成管理體系，確定項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，做到科學(xué)管理，安全文明施工。制定了詳細(xì)的施工方案和施工進(jìn)度計(jì)劃，對(duì)工程進(jìn)度、質(zhì)量、資金全面負(fù)責(zé)。自現(xiàn)場(chǎng)采集確認(rèn)運(yùn)行數(shù)據(jù)起，經(jīng)過(guò)設(shè)備測(cè)量、計(jì)算、元件改造等環(huán)節(jié)，順利的完成全部計(jì)劃施工內(nèi)容。

施工期間，我們與設(shè)備制造單位、設(shè)備安裝單位緊密合作，精心組織施工，改造工作圓滿完成。

4 項(xiàng)目效果

為了確認(rèn)水泵葉輪改造后的實(shí)際節(jié)能效果，在改造完畢后，為了檢驗(yàn)改造后的效果，對(duì)該泵組每小時(shí)運(yùn)行的流量、壓力、電流、總的用電量進(jìn)行記錄。對(duì)已改造并投入使用的水泵進(jìn)行多次測(cè)試，并進(jìn)行節(jié)能效果的對(duì)比分析：

B2(1#～3#)泵組

流量Q為550＋25m3/h；揚(yáng)程H為45～47m。

機(jī)組效率△η≥16%；電機(jī)正常實(shí)際輸入功率下降23～24kW。

改造前每噸水電耗為0.181kW/t

改造后每噸水電耗為0.164kW/t

節(jié)電率為9.39%

經(jīng)確認(rèn)改造后用三元流葉輪運(yùn)行的B2-3#水泵運(yùn)行平穩(wěn)、安全，節(jié)電率達(dá)到9.39%。

5 結(jié)束語(yǔ)

水泵、風(fēng)機(jī)是工業(yè)領(lǐng)域中最為廣泛的必不可缺的基礎(chǔ)性設(shè)備，在大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)中水泵、風(fēng)機(jī)的能耗占全部能耗的15%～55%。根據(jù)泵行業(yè)的特性，絕大多數(shù)的泵系統(tǒng)，無(wú)論其新或舊，都由于普通一元葉輪存在射流尾跡的影響，無(wú)法與生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)際使用工況相匹配。而通過(guò)三元流設(shè)計(jì)的葉輪，可以從根本上提高泵效率，真正達(dá)到節(jié)能降耗的目的。通過(guò)本次全三元流水泵改造技術(shù)的應(yīng)用，很大程度上提高了水泵運(yùn)行效率，達(dá)到了實(shí)際使用要求，節(jié)電效果較顯著。此次改造選擇的系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)間不長(zhǎng)，設(shè)備狀態(tài)相對(duì)較好，對(duì)其他屬性的老的循環(huán)系統(tǒng)的節(jié)能改造有良好的借鑒意義。因此我部已著手開(kāi)展計(jì)劃制定，在下階段中將此技術(shù)在其他單元開(kāi)展推廣應(yīng)用。