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1 離心泵葉輪切割的主要工作影響因素

在化工行業(yè)的應用中，離心泵的主要功能為葉輪切割、閥門節(jié)流、變頻調(diào)節(jié)等。各個功能中葉輪切割是相對簡便的，可葉輪切割的適用范圍有限。由于葉輪切割的流量和揚程過大時，會導致離心泵的工作效率降低，一般會將葉輪切割用于小型工程中。在葉輪的工作過程中，對葉輪影響的因素比較復雜，包括直徑、出水角、葉片分散程度光潔度以及翼型等。這些因素對離心泵的工作效率有直接影響。葉輪在工作過程中的變動會影響到離心泵的工作效率與工作質(zhì)量，對葉輪的優(yōu)化以及節(jié)能技術(shù)的改造已經(jīng)成為提高離心泵工作效率的方式，能夠提高工廠的生產(chǎn)工作效率，提升工廠的經(jīng)濟效益。

2 離心泵葉輪切割的節(jié)能改造方案

2.1 離心泵基礎數(shù)據(jù)

以A工廠內(nèi)部某部門的離心泵為例，其中離心泵共269臺，以機泵(P-03)為例，其設計流量為245 m3/h、轉(zhuǎn)速1475 r/min、設計揚程117 m、入口壓0.58 MPa、出口壓1.18 MPa、葉輪直徑為210 mm。在實際工作時，正常運轉(zhuǎn)的體積流量為200 m3/h，出口閥開度達到40%，入口壓0.7 MPa、出口壓1.3 MPa。工藝最大時流量達到250 m3/h，出口閥開度達到50%，此時電動機的額定轉(zhuǎn)速功率為55 kW，吸液面高約6.2 m，排液面壓位1.1 MPa，排液面高約45.2 m。

2.2 管路特性計算

設靜壓頭為Hpot，靜壓頭的求解需要吸液面與排液面到泵軸的距離數(shù)據(jù)HA和HB，以及吸液面與排液面上的壓力數(shù)據(jù)PA和PB[1]。將兩者之間代泵軸的距離數(shù)據(jù)和兩者之間的壓力數(shù)據(jù)分別相減，得出的兩個數(shù)值相加，就是靜壓頭的數(shù)值。

2.2.1 吸入管路

該管路中，管直徑為200 mm，管長為83 m，其中90°的彎頭3個、閘閥1個、1個過濾器、1個三通。設置操作流量為58.3 m3/h，管徑為200 mm，流速為0.52 m3/s，介質(zhì)摩擦系數(shù)一般為0.02。之后進行沿程管路的損失計算將得出的介質(zhì)摩擦系數(shù)與管長和壓力相乘，再將其中的數(shù)值除以2倍的管路距離，得出的數(shù)值即為吸入管路的損失系數(shù)。

之后對局部管路損失進行計算，將局部阻力系數(shù)除以2，便等于介質(zhì)摩擦系數(shù)與管長和標準壓力連乘之積除以2，得出局部管路損失的具體數(shù)值。最后將沿程管路損失數(shù)值與局部管路損失數(shù)值相加，就能夠得出吸入管路的總壓力值。

2.2.2 排出管路

排出管路的數(shù)值計算中，設置其管徑200 mm，管長30 m，14個90°彎頭以及4個閘閥。將操作流量控制在250 m3/h，管徑為200 mm的情況下，介質(zhì)流速會達到2.21 m3/s，介質(zhì)摩擦系數(shù)為0.02。在該類數(shù)據(jù)的基礎上，排出管路的沿程管路損失數(shù)值先求出介質(zhì)摩擦系數(shù)與管長和介質(zhì)流速的平方三個數(shù)值相乘的積，之后用該數(shù)值除以2倍的管路距離，得出沿程管路損失數(shù)值[2]。

在局部管路的損失數(shù)值計算中，和吸入管路相同，將局部阻力系數(shù)與標準壓力和管流速的平方相乘，得出的數(shù)值除以2，就能夠得出局部管路的損失數(shù)值。最后將沿程管路損失數(shù)值和局部管路損失數(shù)值相加，就得出排出管路的整體損失數(shù)值。

2.2.3 換熱器能頭損耗

在離心泵的冷水區(qū)到熱水區(qū)的過程中，會經(jīng)過換熱器E-102。離心泵工作中產(chǎn)生的流體不潔凈，在與換熱器進行接觸后會在換熱器表面形成污垢。由于污垢導熱效果并不好，因此換熱器的熱量傳導效果也會下降，導致?lián)Q熱器的熱量轉(zhuǎn)換不及時，引起離心泵工作的效率降低。在離心泵工作的過程中，需要將換熱器的壓力數(shù)值進行調(diào)整，以更加精確的數(shù)值進行換熱器的壓力計算。初步將換熱器的壓力定為0.3 MPa，出口閥門的開口程度約為2/3，換熱器的壓力數(shù)值再次下降0.1，最終換熱器壓力數(shù)值為0.2 MPa。管路總損失已經(jīng)得知，在進行換熱器能頭損耗的計算過程中，需要總損失數(shù)值除以標準氣壓的數(shù)值，最終得出管總阻力系數(shù)和管路特性數(shù)值。

這是對于調(diào)節(jié)閥在正常開放時間進行的管路特性計算，但在調(diào)節(jié)閥開度為50%的時候，管路特性就會發(fā)生改變。在調(diào)節(jié)閥全開的情況下的管路特性和50%開度調(diào)節(jié)閥下的管路特性相比要更加平緩一些。根據(jù)管路特性和靜態(tài)力的相關關系能夠得知，在調(diào)節(jié)閥為50%開度的時候，可以將靜態(tài)力除以調(diào)節(jié)閥全開總管路特性的平方，得出最終的管路特性數(shù)值。

2.3 泵比轉(zhuǎn)速的確認

比轉(zhuǎn)數(shù)是離心泵在工作時的參數(shù)分析，離心泵工作中，比轉(zhuǎn)數(shù)不受流體性質(zhì)以及流速的影響，和葉輪的相關系數(shù)有著密切的關聯(lián)。當比轉(zhuǎn)速的數(shù)值升高時，離心泵的流量增大，而揚程相應減少。比轉(zhuǎn)數(shù)的數(shù)值大小變化與離心泵工作中的效率和相關數(shù)據(jù)的變動有著密切的聯(lián)系，對于比轉(zhuǎn)數(shù)的確認是對于離心泵葉輪切割節(jié)能改造的關鍵環(huán)節(jié)。在比轉(zhuǎn)數(shù)的計算確認中，要求得泵的額定轉(zhuǎn)速、泵的額定流量以及泵的額定揚程幾個數(shù)據(jù)，將泵的額定流量開方后與泵的額定轉(zhuǎn)速相乘，得出的積除以泵額定揚程的3/4個立方，最終的數(shù)值再乘以3.65，就能夠得出最終泵的比轉(zhuǎn)數(shù)。其中要注意的是，離心泵中有多級泵的類型，此時的泵的額定揚程也應取相應級數(shù)。

離心泵的比轉(zhuǎn)數(shù)與葉輪切割量有著聯(lián)系，在進行比轉(zhuǎn)數(shù)的確認后，還可以得出比轉(zhuǎn)數(shù)與葉輪切割量之間的關系，兩者之間呈現(xiàn)反比例關系，當比轉(zhuǎn)數(shù)逐漸提高時，葉輪最大切割量的數(shù)值會逐漸減小。

2.4 優(yōu)化泵葉輪

對離心泵葉輪的具體數(shù)據(jù)和工作模式進行優(yōu)化，需要對離心泵葉輪的幾何參數(shù)有了解。以離心泵的三坐標數(shù)據(jù)為基準，對葉輪的各方面數(shù)據(jù)進行調(diào)整，包括葉輪直徑、葉片面積、流道寬度以及出口角等。之后將葉輪微調(diào)后的數(shù)據(jù)以科學手段進行推導，對葉輪經(jīng)過微調(diào)后的數(shù)據(jù)進行模擬與分析，得出最合適的葉輪切割數(shù)值，從而實現(xiàn)離心泵葉輪切割的節(jié)能改造。在進行離心泵葉輪切割的改造優(yōu)化時，應注意三點。第一點就是對葉輪外形的調(diào)整，能夠影響到葉輪外形的數(shù)據(jù)包括葉輪直徑、葉輪外徑、入口直徑等。第二個就是葉輪的幾何尺寸，在葉輪進行優(yōu)化后，由于外形改變，葉輪直徑以及葉輪流道寬度發(fā)生改變，導致離心泵的相關數(shù)值也發(fā)生改變，比如揚程和流量都有所減小，但是在離心泵工作過程中，相關的數(shù)據(jù)需要保持改變前的數(shù)值才能夠保證離心泵正常工作。第三個因素是對葉輪進行精加工，在葉輪進行鑄造安裝時，要對葉輪的表面進行打磨，保證葉輪的表面光滑，避免工作時發(fā)生卡殼故障。葉輪內(nèi)部要進行精加工，噴涂光滑噴劑，讓葉輪的工作摩擦力減小，增加流體經(jīng)過葉輪時的流量，減小流體通過損失，節(jié)省資源，提高工作效率。

2.5 降低離心泵級數(shù)

在離心泵工作時，會有多級離心泵的類型。該種離心泵層級更多，葉輪數(shù)量也更多，在工作時會產(chǎn)生更大的阻力，增加耗電量。但如果對離心泵的層級進行降低，較少離心泵的葉輪數(shù)量，就會降低離心泵的揚程，降低離心泵的工作效率。想要實現(xiàn)離心泵葉輪節(jié)能，同時還能保證離心泵葉輪的層級減少，降低離心泵在工作時的耗電量，需要先確定基礎的離心泵葉輪數(shù)量，之后再對離心泵葉輪的數(shù)量層級進行減少。因此要對離心泵的保證正常工廠運轉(zhuǎn)時的基礎數(shù)值進行計算，得出準確的葉輪數(shù)量需求數(shù)值后，對離心泵葉輪進行抽級處理，減小電量消耗，達到節(jié)能效果。

2.6 優(yōu)化電機設備

電機設備是離心泵中的動力型裝置，能夠通過高速的轉(zhuǎn)動將離心泵中的污水甩出。電機作為離心泵工作中的主要動力，對其進行升級改造，能夠節(jié)省離心泵工作時消耗的電量，促進離心泵的工作效率。一般對電機進行優(yōu)化時都會采用變頻器進行電機進行升級優(yōu)化。變頻器對電機進行調(diào)節(jié)優(yōu)化的原理就是將電機頻率進行調(diào)節(jié)，降低離心泵的比轉(zhuǎn)數(shù)，降低離心泵在工作過程中的能源消耗。在離心泵的變頻器電機調(diào)節(jié)優(yōu)化過程中，要對電機變頻數(shù)值進行計算。其中流量和比轉(zhuǎn)數(shù)的關系為倍率關系，實際流量的數(shù)值要通過將額定轉(zhuǎn)速除以實際轉(zhuǎn)速的數(shù)值，得出的數(shù)值和額定流量再次相乘，得出最終的實際轉(zhuǎn)速數(shù)值。對于實際揚程的數(shù)值也需要進行計算，通過額定轉(zhuǎn)速的數(shù)值除以實際轉(zhuǎn)速的數(shù)值，將得出的數(shù)值和額定揚程的數(shù)值互乘，就能夠得出實際揚程的數(shù)值。將實際揚程的數(shù)值以及實際流量的數(shù)值得出之后，就能夠?qū)﹄姍C變頻的具體數(shù)值進行估算。

由以上的數(shù)值能夠得出，當電機電流變頻為30 Hz時，運行電流量下降了73%，當電機變頻達到25 Hz時，變頻電流的下降達到了85%，當電機變頻的電流達到了20 Hz時，運行電流的下降比例達到了88%。通過對電機進行變頻器的安裝與使用，電機對于離心泵葉輪工作時的電力能源節(jié)約效果顯著。在單級離心泵的電機加裝了變頻器后，在保證離心泵正常工作的基礎上，降低了運行中產(chǎn)生的噪音、解決了電流流動過多產(chǎn)生的過載問題，提升了離心泵的使用壽命，節(jié)省了維修成本。

2.7 離心泵葉輪故障處理

離心泵在工作過程中，由于流體中含有的雜質(zhì)較多，經(jīng)常會堵塞在離心泵的內(nèi)部零部件中，造成離心泵葉輪出現(xiàn)故障。這種情況會導致正在進行生產(chǎn)的工作被迫停止，還造成化工廠的設備受損，經(jīng)濟利益受到影響。在離心泵的葉輪選擇時，要注意葉輪的工作環(huán)境，如果葉輪工作環(huán)境中的流體所含雜質(zhì)較少或過濾網(wǎng)孔徑較大，就可以正常選用葉輪，但如果生產(chǎn)的環(huán)境相對不理想，而且流體中含有的雜質(zhì)較多，就需要使用體積量更大的離心泵。更換N形葉輪能夠有效地防止離心泵發(fā)生類似的事故，因為N形葉輪具備插入式結(jié)構(gòu)，對堵塞纏繞事故的應對性良好，而且N型葉輪在工作時具有較小風阻，發(fā)出的噪音也相對較小，能夠提升離心泵工作時的效率，有效降低了離心泵葉輪在工作時發(fā)生故障的概率。

2.8 改造結(jié)果和節(jié)能計算

在經(jīng)過對離心泵葉輪進行改進升級之后，離心泵的工作效率以及節(jié)能作用有了大幅度的提升。實際運行離心泵的時候，其流量數(shù)值為58.3 m3/h，根據(jù)該數(shù)據(jù)，改造前葉輪到泵軸的距離為247 m，調(diào)節(jié)閥的開度為48%，改造后的葉輪到泵軸的距離為193 m，調(diào)節(jié)閥的開度為47%。在電機輸送電流為82.29 A，輸入功率為47.16 kW時，葉輪在改造后的流量數(shù)值變動到了195 m3/h，電機電流達到66.84 A，電機輸入功率為37.37 kW。電機電流有所下降，實現(xiàn)了電量節(jié)省。在離心泵的流量為170 m3/h的情況下還能夠再次降低電機的電流以及輸入功率，節(jié)能比例預計約達到29%。在日常工作過程中，離心泵由原來的每次工作開啟6臺降低到了每次工作開啟4臺，節(jié)約了能源的消耗，生產(chǎn)效率提升到了24.3%。

進行離心泵的葉輪切割改造之后，離心泵的揚程出現(xiàn)明顯下降。在調(diào)節(jié)閥全開的情況下，離心泵的流量能夠達到210 m3/h，提升了離心泵的生產(chǎn)效率。在葉輪切削的過程中，對葉輪也進行了養(yǎng)護與維修。由于工作過程中流體具有一定腐蝕性，加上流體中雜質(zhì)的影響，導致在離心泵中葉輪的磨損腐蝕程度比較嚴重。在切削過程中，對離心泵的葉輪進行了腐蝕部分的切割去除，并在進行切削后對葉輪進行了光潔度噴灑，表面上進行了防腐蝕的防護養(yǎng)護技術(shù)施用。保證離心泵在工作過程中不被流體中的腐蝕成分影響，不出現(xiàn)磨損故障，也能夠在一定程度上保證離心泵葉輪工作過程中對能源的消耗。此次離心泵葉輪切削減少了離心泵工作過程中出現(xiàn)的問題，全年節(jié)省大約32.1萬元的維修費用。電機變頻對于對按量節(jié)省每年約達到173 338 kW·h，按照0.6元/kW·h計算，節(jié)約電費約10.4萬元，實現(xiàn)了節(jié)能的同時促進了化工廠經(jīng)濟效益的最大化。

3 結(jié)語

在現(xiàn)今工業(yè)生產(chǎn)中，離心泵是被廣泛使用的流體輸送設備，對化工行業(yè)的生產(chǎn)起到了增進生產(chǎn)效率的作用。在離心泵應用中，葉輪切割是比較主要的影響部分，能提升離心泵實現(xiàn)工作效率。對葉輪切割技術(shù)進行節(jié)能技術(shù)改造，能夠提高離心泵的工作效率，降低離心泵在工作時的能源消耗。