王 濤

(黑龍江省節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，哈爾濱 150001)

以三元流動理論設(shè)計的新型水泵葉輪在供水公司的應(yīng)用

王 濤

(黑龍江省節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，哈爾濱 150001)

文中介紹了以三元流動理論設(shè)計的新型水泵葉輪在工業(yè)企業(yè)的應(yīng)用，并說明了其工作原理。系統(tǒng)不僅具有節(jié)能環(huán)保效益，而且提高了水泵的性能。

三元流動理論；節(jié)能環(huán)保

0 引 言

石家莊市供水總公司供水六廠的電費支出在企業(yè)的全部運營成本中所占比例相當大，達到60%以上，而在全部電費支出中，供水泵運行電費又占主要部分。為了進一步提高水泵的運行效率，節(jié)能降耗，節(jié)約成本，公司決定采用通過“葉輪機械三元流動理論”研制的新型葉輪對公司現(xiàn)有的六臺水泵進行改造。在更換了“三元流動理論”設(shè)計的高效葉輪后，泵的效率得到了有效的提高。

1 案例源企業(yè)簡介

河北省石家莊市供水總公司屬國家大型二類供水企業(yè)?？偣粳F(xiàn)有員工2 600人，水廠8座，清水池17座，水源井162眼，輸配水管網(wǎng)1 022 km。擁有固定資產(chǎn)近10億元，日產(chǎn)水能力107×104m3，供水面積97 km2，服務(wù)人口約130萬人，規(guī)模居河北省供水行業(yè)之首。石家莊市供水總公司供水六廠位于石家莊市中華北大街，始建于1978年，1979年正式投產(chǎn)，目前日送水約(13～14)×104m3，主要設(shè)備有六臺送水機、10眼外井、3臺加氯機以及配電柜組成，通過加氯機將水消毒，消毒過程在管網(wǎng)中完成。

2 改造前系統(tǒng)的運行狀況、技術(shù)水平、能耗情況

石家莊市供水總公司第六水廠的送水機組為加壓泵站。來水經(jīng)送水機組加壓后輸送至用戶。送水機組為6臺水泵并列布置，1#～5#送水機為500S-59A型水泵，6#送水機為24SA-18型水泵。在技術(shù)改造實施前開1#～5#送水機供水，日供水約13～14×104m3。500S-59A水泵原設(shè)計參數(shù)見表1。

表1500S-59A水泵原設(shè)計參數(shù)

由于出廠水壓要求為P=0.25 MPa，因此，泵揚程明顯偏高，造成能源浪費。為此，將電機改為低轉(zhuǎn)速n=750 r/min，小功率Ne=220 kW的電機。水泵葉輪也幾經(jīng)調(diào)試，將500S-59A型泵的葉輪切削為φ642 mm(裝于2#、3#泵體內(nèi))和φ660 mm(裝于1#、4#泵體內(nèi))兩種。改造后，4臺泵出口泵壓P1=0.23 MPa，單臺泵平均流量Q=1 645 m3/h，電機工作電流I=23 A，電機消耗功率Pe=210 kW，機組總效率Et=53.3%。以上數(shù)據(jù)表明，泵組經(jīng)改造后雖然較改造前有較明顯的節(jié)能效果，但泵效率仍偏低。

3 水泵系統(tǒng)節(jié)能改造及原理

通過使用新型的泵設(shè)計軟件《射流——尾跡三元流動理論》，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實際的運行工況，重新進行泵內(nèi)水力部件(主要是葉輪)的優(yōu)化設(shè)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。

吳仲華教授的“葉輪機械三元流動”理論，自七十年代電子計算機得到廣泛應(yīng)用后被充分的應(yīng)用于航空燃氣輪機設(shè)計和發(fā)展。在吳氏理論的基礎(chǔ)上，提出了泵內(nèi)含射流——尾跡模型的三元流動計算方法，通過具體實踐，應(yīng)用這一方法設(shè)計的泵葉輪比以前效率有明顯改善。

目前應(yīng)用的“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，建立起完整、真實的葉輪數(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(shè)計的葉輪也就能更好地滿足工況使用，效率顯著提高。

葉輪機械內(nèi)的完全三元流動，應(yīng)用吳仲華教授創(chuàng)立的S1、S2兩流面理論可以用不同方法求解，一種是流函數(shù)方法，這一方法在數(shù)學上嚴謹，但物理上不太直觀，另一種是直接計算流體流動速度的流面(或流線)迭代法，這一方法物理上比較直觀，反映問題更接近實際。

泵葉輪內(nèi)部由兩個葉片、前后蓋板組成一個完整的空間流場，觀察者與葉輪同步旋轉(zhuǎn)看到的是與時間無關(guān)的定常相對流動，要求計算空間流場中任何一點的相對速度的大小及方向，從而建立葉輪數(shù)學模型。

在改造中，葉輪前后蓋板是設(shè)計給定的，對于中間流道內(nèi)的眾多S1流面而言，事先假定形狀，逐步迭代修正至計算收斂，從而得出最接近實際的準確設(shè)計，得到在用戶具體使用情況下，最合理的葉輪葉片曲線，滿足用戶對效率提升的要求。

4 改造后項目的實際運行狀況及現(xiàn)場監(jiān)測

石家莊市供水總公司供水六廠對所有水泵進行了改造。投入生產(chǎn)后，水泵運行穩(wěn)定，不僅降低了成本，而且提高了機組效率，見表2。

表2 改造后現(xiàn)場監(jiān)測表

6 項目節(jié)能量的測量及驗證方式

6.1 節(jié)能量計算

(1)根據(jù)在案例源現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)(對整個供水六廠的六臺水泵進行統(tǒng)計)項目改造前后供水六廠的產(chǎn)水量和耗電量見表3。

表3 產(chǎn)水量和耗電量表

(2)由表3數(shù)據(jù)作項目改造前后產(chǎn)水量與耗電量散點分布圖如圖1所示。

圖1 改造前后產(chǎn)水量與耗電量散點分布圖

(3)項目改造前供水六廠產(chǎn)水量與耗電量線形回歸圖如圖2和圖3所示。

圖2 散點直線回歸圖

圖3 CUMSUM圖

④CUSUM計算

表4 CUSUM計算表

續(xù)表4

EactualPEcalcEactual-EcalcCUSUM94860004713670475609．8010390．201-31838．2915104656004476705459093．346506．6615-25331．63114626004401029453818．728781．2787-16550．3513124434004153110436538．776861．233-9689．1183134800004617381468898．4611101．54431412．426144689004460221457944．4010955．596312368．0223154215004082340431606．10-10106．0982261．9243164051804061882430180．18-25000．1754-22738．2511173913503913646419848．13-28498．1262-51236．3773184110604072596430926．94-19866．9412-71103．3185194104004067249430554．26-20154．2553-91257．5738203719403694001404538．87-32598．8697-123856．4435213751803808014412485．58-37305．5758-161162．0193223800403895542418586．28-38546．2774-199708．2967233816003861251416196．19-34596．1947-234304．4914243491403509960391711．21-42571．212-276875．7034253717303708419405543．80-33813．8043-310689．5077263721803610833398742．06-26562．0601-337251．5678273337803467400388744．78-54964．78-392216．3478283501003458259388107．65-38007．6523-430224．0001293291003257361374105．06-45005．0617-475229．0618

由CUSUM圖算得從新項目投入運行以來，累計14個月節(jié)電量為475 229.061 8 kWh，計算出年節(jié)電量407 339.2 kWh。

7 適用對象及市場潛力

(1)適用對象：該項技術(shù)適用于需要循環(huán)冷卻水及供水要求的企業(yè)對泵站設(shè)備的節(jié)能改造，可應(yīng)用于冶金、煤炭、電力、化工、城市建設(shè)等行業(yè)的水泵改造。

(2)市場潛力：近年來，由于企業(yè)自行開發(fā)和技術(shù)引進，產(chǎn)品性能有了較大提高。但從泵類產(chǎn)品總體上來看，產(chǎn)品性能和質(zhì)量同發(fā)達國家尚有差距，未經(jīng)改造的老產(chǎn)品平均效率比發(fā)達國家產(chǎn)品低2～5個百分點。而且，我國泵類的品種、規(guī)格少，選型上難以匹配，造成了運行上的裕量極不合理。所以，提高泵與風機的效率是節(jié)約能源重要的手段。

[1] 具有任意形狀的分流葉片葉柵的完全三元流動解法[J].工程熱物理學報，1984.

[2] 葉片式泵內(nèi)氣液兩相泡狀流的三維數(shù)值計算[J].水利學報，2001.

[3] 葉輪機械完全三元流動解的若干問題[J].力學學報，1981.

Application of a New Type Pump Impeller with Three-dimensional Flow Theory in the Design of the Water Supply Company

WANG Tao

(Energy Conservation Service Center of Heilongjiang Province, Harbin 150001, China)

This article introduces the application of a new type pump impeller with three-dimensional flow theory in the design of the industrial enterprises, and describes its working principle. This system is not only benefits to the energy conservation and environmental protection, but also improves the performance of the pump.

Three-dimensional flow theory; Energy conservation and environmental protection

2014-11-12

2014-12-10

王 濤(1982-)，男，畢業(yè)于哈爾濱理工大學，電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)從事節(jié)能方面研究與測試工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.01.003

TU1991

B

1009-3230(2015)01-0009-04