邢少偉，吳 明，李 龍

（中國石化勝利油田石油化工總廠，山東 東營 257000）

勝利油田石化總廠利用三元流動技術對循環(huán)水泵葉輪進行了技術改造。在不改變泵體、電機、管路系統(tǒng)的前提下，設計制造了新型三元流葉輪，代替原泵的普通葉輪；改造后，流量增加，電機耗電量降低，單耗明顯下降，節(jié)能效果顯著。

一、運行現(xiàn)狀及特性分析

勝利油田石化總廠二循有8臺水泵，編號為P3201-1~P3201-7和P3201-8；P3201-1~P3201-7(7臺泵)的型號為600S-75B，P3201-8的型號為12SH-9；冬天運行2臺600S-75B型和1臺12SH-9型水泵，夏天運行3臺600S-75B型水泵。

該泵設計參數(shù)(銘牌標定)如下。

P3201-1~P3201-7(7臺)泵：流量Q=2 710m3/h，揚程H=55m；配套電機的額定功率N e=560kW，額定電壓U=6 000V，額定電流I=67.9A；

P3201-8泵(型號12SH-9)：流量Q=792m3/h，揚程H=68m；配套電機的額定功率N e=220kW，額定電壓U=6 000V，額定電流I=25.5A。

現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)及計算結果如表1。

說明：由于泵出口沒有單獨的流量計，流量為3臺泵循環(huán)水量的總和。

通過表1可以看出，泵組的效率只有51%；泵效較低。

二、水泵節(jié)能改造技術方案對比

目前，離心泵提高效率的方法主要有以下幾種：

⑴更換新泵。投資大、施工周期長，有時還得對管線、閥門、配電系統(tǒng)、電機等都作改動。

⑵在電機上增加變頻調(diào)速裝置。變頻裝置一次性投資大，且可靠性較差，此方法調(diào)整了泵的轉速同時，盡管因轉速降低，電機耗功減少，但由于泵的流量也減少了，噸水電耗并沒有優(yōu)化，相反對于泵本身效率是下降的，因此噸水電耗有時反而是上升的，節(jié)能的效果不好。

表1

⑶對目前使用的泵進行簡單的改造，諸如切割葉輪，多級泵拆級等。這只能使泵降低壓力和流量，泵效率反而降低。這種節(jié)能只是降低泵的運行狀態(tài)，從而電機功率減少，但是效果和使用范圍局限性很大。

(4)采用國內(nèi)外領先的泵設計軟件《射流——尾跡三元流動理論》，結合實際的生產(chǎn)運行工況，對葉輪重新優(yōu)化設計，然后進行制造和更換，提高泵效率，減少能耗。也可以針對實際使用要求，在不動電機、泵體、管線等條件下增大流量、提高壓力，以滿足生產(chǎn)需要。

三、射流——尾跡三元流動技術

1.三元流動概述

水泵由電機帶動泵葉輪旋轉。將機械能轉變?yōu)榱黧w的動能和壓力能。在與葉輪同步旋轉的空間坐標系(R、φ、Z)中，任何空間一點均可由此坐標系確定。任何一點的流速W，可表示為該點坐標的函數(shù)W=f(R、φ、Z)，這就是三元流動的基本概念。計算圖1流道中任何空間一點的流速W，這就是三元流動解法。也就是說通過三元流動計算，可以得到水泵內(nèi)任意點的流速。

圖1 葉輪、園柱坐標(R、φ、Z)及流動速度W

2.射流——尾跡三元流動計算方法

在航空用離心壓氣機中，用激光測速技術觀察到射流——尾跡現(xiàn)象；在水泵葉輪試驗中，發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。在流道出口附近出現(xiàn)了一個低能量流動區(qū)，它類似于一個旋渦，稱之為尾跡；其主流部分出口流速W可按三元流動理論作無黏性位流計算得出，這部分稱之為射流。尾跡的出現(xiàn)，不但降低了葉輪的水力效率，而且因減少了有效通流面積，也使泵的流量減少?？刂莆槽E區(qū)成為改進水力效率設計的一個重要目標。1986年最早提出其計算方法。“射流——尾跡三元流動”理論，把葉輪內(nèi)部無限的分割，通過對葉輪流道內(nèi)的各工作點的分析，建立葉輪數(shù)學模型。通過這一方法，對葉輪流道分析可以做得更準確，反映流體的流場、流速也更接近實際，因此設計的葉輪也就能更好地滿足工況使用，效率顯著提高。

四、改造方案及葉輪對比

1.改造方案確定

通過對我廠水泵的運行狀態(tài)進行特性分析后認為最有效、簡捷的方法，就是不改變原泵體、管路、電機等的前提下，根據(jù)實際運行工況，重新設計高效率的三元流葉輪，換裝于原泵體內(nèi)，使泵效率得以提高。

經(jīng)過對現(xiàn)場3臺運行循環(huán)水泵的運行參數(shù)(包括流量、出口壓力、管匯壓力和出口閥門的開度等)進行分析和計算，使用北京海魄爾科技有限公司根據(jù)《射流——尾跡三元流動水泵設計方法》設計制造的葉輪，提出以下方案。

泵組效率從51%提高到58%，建議暫時不對P3201-8泵(型號12SH-9)進行節(jié)能改造。P3201-1~P3201-7(600S-75B)改造后參數(shù)為：揚程40m，流量3 200m3/h。這樣，保持總管壓力不低于0.38MPa，兩臺600S-75B泵流量6 400m3/h左右，再加上P3201-8(12SH-9型泵)總流量在7 100m3/h左右。

泵組電機功率為：

P＝(ρ×g×H×Q)/ηT

＝(1 000×9.81×40×6 400/3 600)/0.58

＝1 202(kW)

這樣在運行總電流不大于122A，單泵運行平均電流61A，運行泵組運行電流總和下降了10A，粗略估算年節(jié)電為：

(10×6 000×1.732×0.8)×24×365=73.8(萬kW·h)

2.三元流葉輪與原葉輪對比

本次改造運用《射流——尾跡三元流動理論方法》，通過計算機模擬技術，對泵葉輪進行流場計算，分析出葉輪內(nèi)的流動速度分布，盡量減少水流沖擊和自葉片表面脫流的流動損失。三元流理論設計的葉輪與原一元流設計葉輪除安裝尺寸(軸孔、鍵、密封環(huán))相同外，葉片形狀有很大的變化(圖2、3)。

圖2 雙吸葉輪葉片的子午面視圖(左半面)

圖3 葉片前視圖

主要變化如下：

(1)子午流道三元流葉輪直徑減小，而出口寬度增大。(2)葉片扭曲度三元流葉片較一元流大。

(3)葉片出口角與原型泵不同。

(4)葉片進口角與原型泵不同。

由圖2、3可看出，兩者的區(qū)別在于：

(1)子午流道三元流葉片加寬了許多，特別是輪轂減少使流通能力增大。

(2)子午流道三元流葉輪直徑減小，葉輪直徑由672mm降到了610mm；出口寬度由120mm增大到125mm。

(3)三元流葉片的扭曲程度較一元流的大很多。

五、實施過程及節(jié)能效果

600S-75B型水泵葉輪更換為以三元流理論為基礎設計制造的葉輪。更換完畢后，3臺泵采取并聯(lián)運行的方式(P3201-8泵未進行改造)，運行參數(shù)見表2。

表2

對比表2可以看出：對600S-75B型泵并聯(lián)運行出口管壓基本保持不變，流量基本保持不變了的情況下，電流明顯降低，電流總和從原來的154A減少為144A；耗電量由1 280kW·h減少為1 198kW·h，減少了6.4%；單耗由0.177 kW·h/m3降低到0.167kW·h/m3，減少了6%。

如果按照單耗降低6%計算，改造后全年預計節(jié)電情況如下：

冬季工況(按照150天計算)運行2臺600S-75B型水泵和1臺12SH-9型水泵，節(jié)電量為354 240kW·h；夏季工況(按照210天計算)運行3臺600S-75型水泵，節(jié)電量為526 932kW·h。全年預計節(jié)電量為88.12萬kW·h，每小時節(jié)電超過100kW·h。其節(jié)能效果十分可觀，并超過改造方案的目標。

[1]吳仲華，A General Theory．Three—Dimensional Flow in Subsonic and Supersonics Turbo machines of Axial-，Radial-and Mixed-Flow Types．NASA TN2604.1952．

[2]劉殿魁．離心泵內(nèi)具有射流——尾跡模型的三元流動計算[J]．工程熱物理學報，1986.6(1)．

[3]沈陽水泵研究所，中國農(nóng)機院．葉片泵設計手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1983.