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        三元流葉輪改造技術(shù)在灌溉泵站中的應(yīng)用研究

        2018-04-02 06:45:52樊亞龍
        陜西水利 2018年1期
        關(guān)鍵詞:泵站設(shè)計(jì)

        樊亞龍

        0 前言

        陜西省東雷二期抽黃大型灌溉泵站位于關(guān)中東部渭北旱原臺塬區(qū),設(shè)計(jì)灌溉面積126.5萬畝,是利用黃河水資源修建的一處多級高揚(yáng)程大型電力提灌工程。灌區(qū)共建設(shè)泵站37座,安裝水泵電動(dòng)機(jī)組170套,總裝機(jī)功率114.6 MW[1]。由于建設(shè)年份較早,水泵采用傳統(tǒng)一維水力設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì),加上運(yùn)行時(shí)經(jīng)常偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn),泵站普遍存在流量衰減、效率低、能耗高等問題。尤其是流量衰減較為嚴(yán)重,導(dǎo)致灌溉高峰期難以滿足用水要求。

        1 流量衰減問題

        此處流量衰減指進(jìn)水池、管道無明顯堵塞和淤積前提下,水泵運(yùn)行一段時(shí)間后,功率(電流、流量)明顯減小。一般來說,可能引起流量衰減的原因有以下幾點(diǎn)[2]:

        (1)軸封、管件接縫處進(jìn)氣。通常在啟動(dòng)后較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生,且不太可能通過關(guān)機(jī)重啟而消失。

        (2)表面吸入渦。通常生在低水位工況下產(chǎn)生,伴有較明顯的壓力脈動(dòng)和振動(dòng),難以通過關(guān)機(jī)重啟解決。

        (3)汽蝕。通常發(fā)生在水泵設(shè)計(jì)不合理、低水位工況,常伴有異常高頻聲音。

        (4)流道堵塞。包括管道堵塞和水泵堵塞兩種,管道堵塞一般關(guān)機(jī)重啟不易恢復(fù),而水泵堵塞可通過關(guān)機(jī)重啟恢復(fù)。

        抽黃泵站的流量衰減在關(guān)機(jī)重啟或者閥門速閉速開后就可以恢復(fù),初步推斷主要原因在于水泵本身。為解決此問題,二黃管理局借助三元流葉輪設(shè)計(jì)新理念[3]和工程經(jīng)驗(yàn)[4-6],以董家七級泵站作為試點(diǎn),在不改變其他建筑物和設(shè)備的前提下,將原葉輪更換為高效節(jié)能型三元流扭曲型葉輪,并對更換前后水泵運(yùn)行情況進(jìn)行比較分析。

        2 三元流技術(shù)改造

        2.1 一元流設(shè)計(jì)理論

        一元流可以簡單地看成流體在彎曲的管道內(nèi)勻速流動(dòng)。假定進(jìn)出口流道截面及流道內(nèi)部任何過流截面的水流是均勻分布的,而流速僅為一個(gè)自變量的函數(shù),據(jù)此設(shè)計(jì)出葉片的幾何形狀,制作出多種模型進(jìn)行試驗(yàn),擇優(yōu)選用。離心泵在不同的工況下,其流量壓力變化范圍很大,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(shí)際運(yùn)行工況一致,當(dāng)偏離設(shè)計(jì)工況時(shí),葉輪效率極低。由于一元流計(jì)算設(shè)計(jì)簡單、成本低,目前我國仍有水泵廠延用此設(shè)計(jì)方法。

        2.2 二元流設(shè)計(jì)理論

        二元流設(shè)計(jì)將葉輪流道及流體流態(tài)作為變量,只考慮水流從葉片根部到葉片頂部的S面流動(dòng),忽略葉片之間的圓柱面內(nèi)的流動(dòng)阻力,從而將三維坐標(biāo)簡化為二維坐標(biāo)。二元流設(shè)計(jì)出來的水泵葉輪在工作中沖擊損失、摩擦損失仍然較大,選用二元流水泵過程中的服從性差。

        2.3 三元設(shè)計(jì)理論

        1976年版美國權(quán)威工具書《泵手冊》把我國科學(xué)家吳仲華創(chuàng)立的三元流動(dòng)理論作為未來可能出現(xiàn)的新設(shè)計(jì)方法,最初應(yīng)用在風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)領(lǐng)域中國,1986年《射流-尾跡三元流動(dòng)計(jì)算》方法用于水泵設(shè)計(jì)。目前,國內(nèi)外一些院所和大型水泵公司陸續(xù)引進(jìn)三元流設(shè)計(jì)方法[7]。

        三元流設(shè)計(jì)理論是把葉輪內(nèi)部的三元立體空間無限地分割,通過對葉輪流道內(nèi)各工作點(diǎn)的分析,建立起完整真實(shí)的葉輪內(nèi)流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。通過三元射流-尾跡流動(dòng)計(jì)算,對因流體粘性和泵體內(nèi)部壓力梯度引起的流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行定量分析,通過水力優(yōu)化設(shè)計(jì),改善葉輪內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài),使流體沿過流通道呈流線型光順流動(dòng),以減小漩渦、進(jìn)口沖擊和出口尾跡脫流等損失,使泵效率得以提高,高效區(qū)更寬。

        典型的三元流葉輪設(shè)計(jì)流場是根據(jù)優(yōu)化前的泵運(yùn)行特性,如流量,揚(yáng)程,電流、電壓和出口閥門開度等指標(biāo)進(jìn)行采集,結(jié)合運(yùn)行要求的性能指標(biāo)參數(shù),均作為作為已知參數(shù),進(jìn)行葉輪的迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)。由典型三元流葉輪截面相對速度分布(圖1)可以看到,采用三元流設(shè)計(jì)輪優(yōu)化后的葉輪內(nèi)不流場分布均勻,流線平滑光順無漩渦,從而損失較小,且不易產(chǎn)生過度汽蝕現(xiàn)象。

        圖1 三元流葉輪流場分布

        2.4 三元流技術(shù)改造

        對水泵的三元流技術(shù)改造,是根據(jù)現(xiàn)場技術(shù)要求,針對實(shí)際運(yùn)行情況,不動(dòng)電機(jī)、管路、安裝位置等,控制葉輪安裝接口尺寸,設(shè)計(jì)出與原葉輪可互換的非標(biāo)準(zhǔn)葉輪,以達(dá)到效率最大化,成本最小化。改造過程為:認(rèn)真檢測、分析水泵運(yùn)行工況,測繪原葉輪裝配尺寸及泵殼尺寸;根據(jù)用戶對水量、水壓要求,確定三元流葉輪設(shè)計(jì)參數(shù),進(jìn)行數(shù)值預(yù)測,通過迭代計(jì)算設(shè)計(jì),最終制造三元流空間扭曲葉輪;更換葉輪。

        本次試點(diǎn)的董家七級泵站高池方向安裝4臺20SH-19G型單級雙吸離心泵,水泵設(shè)計(jì)流量0.46 m3/s,設(shè)計(jì)揚(yáng)程28.3 m,配套電機(jī)功率185 kW。將4#機(jī)組更換為三元流葉輪,其他機(jī)組(以3#機(jī)組為例)仍采用原葉輪作為對比。3#機(jī)組葉輪(原葉輪)如圖2所示,葉輪直徑470 mm;4#機(jī)組葉輪三維模型(三元流葉輪)如圖3所示,葉輪直徑513 mm。

        3 三元流葉輪改造效果

        通過對不同機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行測試,可以看到三元流改造具有如下效果:

        圖2 3#葉輪(原葉輪)

        圖3 4#葉輪三維模型(三元流葉輪)

        (1)流量揚(yáng)程相同時(shí),提高水泵效率。3#機(jī)組(原葉輪)電機(jī)功率185 kW,4#機(jī)組(三元流葉輪)電機(jī)功率140 kW,效率提高了24.3%,日節(jié)電1080 kW,年節(jié)電129600 kW(120天),相當(dāng)于每年減少碳排放101.7 t。

        (2)電機(jī)功率相同時(shí),提高水泵流量。4#機(jī)組(三元流葉輪)工作點(diǎn)流量由0.463/s增大到0.53/s,有效解決供水流量不足問題。

        (3)流量穩(wěn)定。圖4為4#機(jī)組(三元流葉輪)和3#機(jī)組(原葉輪)運(yùn)行過程電流變化趨勢對比(由于泵站還未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,故采用人工采集電流數(shù)值,總共采集96小時(shí),每隔1小時(shí)采集一次數(shù)據(jù))。由圖可知,3#機(jī)組(原葉輪)開機(jī)20小時(shí)后,電流由300 A降至270 A,之后24小時(shí)又降至260 A,再經(jīng)過41小時(shí)降至255 A,最后穩(wěn)定在255 A,即開機(jī)20小時(shí)候就出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的流量衰減,且隨著時(shí)間推后,流量呈階梯狀衰減。4#機(jī)組(三元流葉輪)開機(jī)電流328 A,在觀測的96個(gè)小時(shí)內(nèi)一直保持328 A,不存在流量衰減。

        圖4 機(jī)組運(yùn)行電流變化趨勢對比圖

        4 結(jié)論

        對建成年份較早的灌溉泵站,由于設(shè)計(jì)和運(yùn)行等原因,容易出現(xiàn)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)、效率低、流量衰減等問題,采用三元流技術(shù)進(jìn)行改造具有如下優(yōu)勢:

        (1)在不動(dòng)管路、電機(jī)、泵體、泵軸等建筑物和設(shè)備的前提下,只更換葉輪,改造成本低,實(shí)施簡單,操作性強(qiáng),并能節(jié)約檢修費(fèi)用。

        (2)節(jié)能。在流量和揚(yáng)程不變情況下,采用三元流葉輪,可以提高水泵效率,減小電機(jī)功率,節(jié)省能耗。

        (3)增效。在配套電機(jī)功率不變條件下,采用三元流葉輪,能明顯增大水泵出流流量,解決供水不足問題,提高水泵效能。

        (4)穩(wěn)流。由于三元流葉輪設(shè)計(jì)理論更接近運(yùn)行實(shí)際,能將流量長時(shí)間保持在開機(jī)穩(wěn)定值,消除流量衰減。

        [1]陜西省大型灌溉排水泵站更新改造規(guī)劃報(bào)告[R].2008.12.

        [2]王福軍.水泵與水泵站[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2011.

        [3]鐘再平.一種透平機(jī)械高效葉片[P].中國專利:ZL201520247822.X.2015-09-30.

        [4]楊勝宇,車永軍.應(yīng)用三元流技術(shù)實(shí)施循環(huán)水泵系統(tǒng)節(jié)能改造[J].節(jié)能工程,2012(5):37-40.

        [5]劉曉軍.水泵采用三元流葉輪的使用效果[C].全國中氮情報(bào)協(xié)作組第23次技術(shù)交流會論文集,2005:276.

        [6]王濤.以三元流動(dòng)理論設(shè)計(jì)的新型水泵葉輪在供水公司的應(yīng)用[J].應(yīng)用能源技術(shù),2015(1):9-12.

        [7]吳霞,黃靜,戈文金.三元流技術(shù)在水泵改造中的成功應(yīng)用[J].江西能源,2007(4):46-47.

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