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(兗礦新疆煤化工有限公司 新疆烏魯木齊 830011)

循環(huán)水系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于石油化工、煤化工、鋼鐵冶煉、熱力發(fā)電廠等領(lǐng)域，主要包括循環(huán)水泵、供水支路和母管、裝置用水支路、用戶換熱器、回水母管、冷卻塔等設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)耗電量約占兗礦新疆煤化工有限公司用電量的20%～30%，存在設(shè)施老化、機(jī)泵效率低、控制水平差、管理粗放、耗水量大、能量浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)施整體優(yōu)化后，總電耗可以降低20%左右，節(jié)能潛力巨大。

1 改造前存在的問(wèn)題

兗礦新疆煤化工有限公司循環(huán)水系統(tǒng)分為2個(gè)子系統(tǒng)，共有8臺(tái)水泵。第一循環(huán)水系統(tǒng)有3臺(tái)循環(huán)水泵，位號(hào)分別為P4202A/B/C，每臺(tái)水泵的額定功率為1 250 kW、額定電流為94 A，運(yùn)行方式為兩開(kāi)一備，實(shí)際運(yùn)行電流為90 A。第二循環(huán)水系統(tǒng)有5臺(tái)循環(huán)水泵，位號(hào)分別為P4201A/B/C/D/E，每臺(tái)水泵的額定功率為1 400 kW、額定電流為105 A，運(yùn)行方式為四開(kāi)一備，實(shí)際運(yùn)行電流為100 A。在運(yùn)行過(guò)程中，循環(huán)水系統(tǒng)存在如下的問(wèn)題。

(1)循環(huán)水泵實(shí)際揚(yáng)程為55 m，根據(jù)水泵性能曲線，運(yùn)行效率低于80%。由于循環(huán)水泵實(shí)際性能曲線與管網(wǎng)性能曲線不匹配，只能將水泵出口閥門(mén)開(kāi)度、冷卻塔上塔閥門(mén)開(kāi)度分別減至30%～35%、40%～50%，因此造成循環(huán)水流動(dòng)阻力增大。

(2)循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)電流接近額定值，若增大水泵出口閥門(mén)開(kāi)度或冷卻塔上塔閥門(mén)開(kāi)度，電動(dòng)機(jī)存在超電流的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)水量取決于換熱器的實(shí)際需求，受后系統(tǒng)裝置實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程、工藝條件、設(shè)備狀況、水質(zhì)條件、操作人員等因素的影響，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)循環(huán)水泵運(yùn)行參數(shù)。但受水泵自身的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化運(yùn)行，導(dǎo)致冬季和夏季循環(huán)水泵開(kāi)啟情況一致，造成能量浪費(fèi)。

2 改造方案

葉輪是離心泵的核心部件，其流動(dòng)性能在很大程度上決定了整個(gè)離心泵的性能，因此葉輪的設(shè)計(jì)極為關(guān)鍵。在工業(yè)泵的設(shè)計(jì)過(guò)程中，葉輪設(shè)計(jì)大多借助于經(jīng)驗(yàn)，或者采用二元流動(dòng)理論進(jìn)行分析，再根據(jù)三維黏性流動(dòng)分析的結(jié)果進(jìn)行修正。因與葉輪內(nèi)實(shí)際的三維黏性流動(dòng)存在較大的差異，故葉輪的效率較低。另外，性能良好的葉輪若無(wú)法與蝸殼實(shí)現(xiàn)良好的匹配，也會(huì)導(dǎo)致泵內(nèi)各種流動(dòng)損失增大，特別是沖擊損失的增大，將大幅降低整臺(tái)泵的實(shí)際運(yùn)行效率。

隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展和計(jì)算方法的優(yōu)化，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)逐漸成為水泵水力優(yōu)化設(shè)計(jì)的主流技術(shù)，國(guó)外水輪機(jī)行業(yè)將模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算有機(jī)結(jié)合，通過(guò)仿真計(jì)算獲得可靠的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。近些年國(guó)內(nèi)也開(kāi)始運(yùn)用CFD技術(shù)優(yōu)化水泵葉輪的設(shè)計(jì)，經(jīng)節(jié)能改造后的葉輪已在石油化工、煤化工、生化制藥、鋼鐵冶金、熱電、機(jī)械電子、中央空調(diào)等行業(yè)得到成功應(yīng)用。眾多案例證明葉輪節(jié)能改造不影響正常生產(chǎn)，優(yōu)化后可確保循環(huán)水系統(tǒng)工藝參數(shù)保持不變，技術(shù)安全可靠。

鑒于此，聘請(qǐng)外單位設(shè)計(jì)并定制高效葉輪，重新調(diào)整系統(tǒng)水力平衡，合理控制換熱器冷卻水供回水溫差和回水壓力，提高管網(wǎng)輸送效率，確定合理的循環(huán)水流量，從而達(dá)到節(jié)電的目的。高效水泵葉輪設(shè)計(jì)時(shí)，以實(shí)際工況點(diǎn)為設(shè)計(jì)點(diǎn)，以工藝需求確定高效區(qū)，根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)工況需求，采用CFD技術(shù)對(duì)兗礦新疆煤化工有限公司的循環(huán)水泵進(jìn)行三維黏性數(shù)值模擬，以準(zhǔn)確模擬其內(nèi)部流場(chǎng)，掌握其葉片內(nèi)循環(huán)水的流動(dòng)特性。即首先模擬優(yōu)化葉片進(jìn)口與出口的速度角，減小葉片的擴(kuò)散損失和水力損失；然后模擬優(yōu)化葉輪蓋板與殼體、葉輪口環(huán)間隙的設(shè)計(jì)，減小泄漏量與摩擦損失；最后模擬優(yōu)化葉輪進(jìn)口直徑、葉片角度、葉片數(shù)，提高葉輪抗汽蝕的性能。

3 改造后效果

改造后的水泵葉輪高效區(qū)域?qū)拸V，能更好地在循環(huán)水系統(tǒng)工況點(diǎn)運(yùn)行；葉輪設(shè)計(jì)效率提高5%，整體運(yùn)行效率提高10%以上；葉輪抗汽蝕性能提高，滿足現(xiàn)場(chǎng)裝置的汽蝕余量要求，提高了水泵運(yùn)行的可靠性。循環(huán)水泵優(yōu)化后的節(jié)電率要求在12%以上，實(shí)際耗電量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 第一循環(huán)水系統(tǒng)水泵耗電量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2 第二循環(huán)水系統(tǒng)水泵耗電量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表1和表2可以看出：第一循環(huán)水系統(tǒng)水泵優(yōu)化前的功率合計(jì)為2 396.00 kW，優(yōu)化后的功率合計(jì)為2 095.11 kW，節(jié)電300.89 kW·h，節(jié)電率為12.56%；第二循環(huán)水系統(tǒng)水泵優(yōu)化前的功率合計(jì)為5 562.00 kW，優(yōu)化后的功率合計(jì)為4 610.09 kW，節(jié)電951.91 kW·h，節(jié)電率為17.11%；第一、第二循環(huán)水系統(tǒng)水泵優(yōu)化后的節(jié)電率均達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

將高效葉輪應(yīng)用于循環(huán)水泵后，循環(huán)水系統(tǒng)年節(jié)電8.75×106kW·h，電價(jià)按0.36元/(kW·h)計(jì)，年節(jié)電效益可達(dá)315萬(wàn)元。