射流——尾迹三元流动技术在水泵节能改造中的应用

邢少伟，吴 明，李 龙

（中国石化胜利油田石油化工总厂，山东 东营 257000）

胜利油田石化总厂利用三元流动技术对循环水泵叶轮进行了技术改造。在不改变泵体、电机、管路系统的前提下，设计制造了新型三元流叶轮，代替原泵的普通叶轮；改造后，流量增加，电机耗电量降低，单耗明显下降，节能效果显著。

一、运行现状及特性分析

胜利油田石化总厂二循有8台水泵，编号为P3201-1~P3201-7和P3201-8；P3201-1~P3201-7(7台泵)的型号为600S-75B，P3201-8的型号为12SH-9；冬天运行2台600S-75B型和1台12SH-9型水泵，夏天运行3台600S-75B型水泵。

该泵设计参数(铭牌标定)如下。

P3201-1~P3201-7(7台)泵：流量Q=2 710m3/h，扬程H=55m；配套电机的额定功率N e=560kW，额定电压U=6 000V，额定电流I=67.9A；

P3201-8泵(型号12SH-9)：流量Q=792m3/h，扬程H=68m；配套电机的额定功率N e=220kW，额定电压U=6 000V，额定电流I=25.5A。

现场采集数据及计算结果如表1。

说明：由于泵出口没有单独的流量计，流量为3台泵循环水量的总和。

通过表1可以看出，泵组的效率只有51%；泵效较低。

二、水泵节能改造技术方案对比

目前，离心泵提高效率的方法主要有以下几种：

⑴更换新泵。投资大、施工周期长，有时还得对管线、阀门、配电系统、电机等都作改动。

⑵在电机上增加变频调速装置。变频装置一次性投资大，且可靠性较差，此方法调整了泵的转速同时，尽管因转速降低，电机耗功减少，但由于泵的流量也减少了，吨水电耗并没有优化，相反对于泵本身效率是下降的，因此吨水电耗有时反而是上升的，节能的效果不好。

表1

⑶对目前使用的泵进行简单的改造，诸如切割叶轮，多级泵拆级等。这只能使泵降低压力和流量，泵效率反而降低。这种节能只是降低泵的运行状态，从而电机功率减少，但是效果和使用范围局限性很大。

(4)采用国内外领先的泵设计软件《射流——尾迹三元流动理论》，结合实际的生产运行工况，对叶轮重新优化设计，然后进行制造和更换，提高泵效率，减少能耗。也可以针对实际使用要求，在不动电机、泵体、管线等条件下增大流量、提高压力，以满足生产需要。

三、射流——尾迹三元流动技术

1.三元流动概述

水泵由电机带动泵叶轮旋转。将机械能转变为流体的动能和压力能。在与叶轮同步旋转的空间坐标系(R、φ、Z)中，任何空间一点均可由此坐标系确定。任何一点的流速W，可表示为该点坐标的函数W=f(R、φ、Z)，这就是三元流动的基本概念。计算图1流道中任何空间一点的流速W，这就是三元流动解法。也就是说通过三元流动计算，可以得到水泵内任意点的流速。

图1 叶轮、园柱坐标(R、φ、Z)及流动速度W

2.射流——尾迹三元流动计算方法

在航空用离心压气机中，用激光测速技术观察到射流——尾迹现象；在水泵叶轮试验中，发现了同样的现象。在流道出口附近出现了一个低能量流动区，它类似于一个旋涡，称之为尾迹；其主流部分出口流速W可按三元流动理论作无黏性位流计算得出，这部分称之为射流。尾迹的出现，不但降低了叶轮的水力效率，而且因减少了有效通流面积，也使泵的流量减少。控制尾迹区成为改进水力效率设计的一个重要目标。1986年最早提出其计算方法。“射流——尾迹三元流动”理论，把叶轮内部无限的分割，通过对叶轮流道内的各工作点的分析，建立叶轮数学模型。通过这一方法，对叶轮流道分析可以做得更准确，反映流体的流场、流速也更接近实际，因此设计的叶轮也就能更好地满足工况使用，效率显著提高。

四、改造方案及叶轮对比

1.改造方案确定

通过对我厂水泵的运行状态进行特性分析后认为最有效、简捷的方法，就是不改变原泵体、管路、电机等的前提下，根据实际运行工况，重新设计高效率的三元流叶轮，换装于原泵体内，使泵效率得以提高。

经过对现场3台运行循环水泵的运行参数(包括流量、出口压力、管汇压力和出口阀门的开度等)进行分析和计算，使用北京海魄尔科技有限公司根据《射流——尾迹三元流动水泵设计方法》设计制造的叶轮，提出以下方案。

泵组效率从51%提高到58%，建议暂时不对P3201-8泵(型号12SH-9)进行节能改造。P3201-1~P3201-7(600S-75B)改造后参数为：扬程40m，流量3 200m3/h。这样，保持总管压力不低于0.38MPa，两台600S-75B泵流量6 400m3/h左右，再加上P3201-8(12SH-9型泵)总流量在7 100m3/h左右。

泵组电机功率为：

P＝(ρ×g×H×Q)/ηT

＝(1 000×9.81×40×6 400/3 600)/0.58

＝1 202(kW)

这样在运行总电流不大于122A，单泵运行平均电流61A，运行泵组运行电流总和下降了10A，粗略估算年节电为：

(10×6 000×1.732×0.8)×24×365=73.8(万kW·h)

2.三元流叶轮与原叶轮对比

本次改造运用《射流——尾迹三元流动理论方法》，通过计算机模拟技术，对泵叶轮进行流场计算，分析出叶轮内的流动速度分布，尽量减少水流冲击和自叶片表面脱流的流动损失。三元流理论设计的叶轮与原一元流设计叶轮除安装尺寸(轴孔、键、密封环)相同外，叶片形状有很大的变化(图2、3)。

图2 双吸叶轮叶片的子午面视图(左半面)

图3 叶片前视图

主要变化如下：

(1)子午流道三元流叶轮直径减小，而出口宽度增大。(2)叶片扭曲度三元流叶片较一元流大。

(3)叶片出口角与原型泵不同。

(4)叶片进口角与原型泵不同。

由图2、3可看出，两者的区别在于：

(1)子午流道三元流叶片加宽了许多，特别是轮毂减少使流通能力增大。

(2)子午流道三元流叶轮直径减小，叶轮直径由672mm降到了610mm；出口宽度由120mm增大到125mm。

(3)三元流叶片的扭曲程度较一元流的大很多。

五、实施过程及节能效果

600S-75B型水泵叶轮更换为以三元流理论为基础设计制造的叶轮。更换完毕后，3台泵采取并联运行的方式(P3201-8泵未进行改造)，运行参数见表2。

表2

对比表2可以看出：对600S-75B型泵并联运行出口管压基本保持不变，流量基本保持不变了的情况下，电流明显降低，电流总和从原来的154A减少为144A；耗电量由1 280kW·h减少为1 198kW·h，减少了6.4%；单耗由0.177 kW·h/m3降低到0.167kW·h/m3，减少了6%。

如果按照单耗降低6%计算，改造后全年预计节电情况如下：

冬季工况(按照150天计算)运行2台600S-75B型水泵和1台12SH-9型水泵，节电量为354 240kW·h；夏季工况(按照210天计算)运行3台600S-75型水泵，节电量为526 932kW·h。全年预计节电量为88.12万kW·h，每小时节电超过100kW·h。其节能效果十分可观，并超过改造方案的目标。

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

[2]刘殿魁．离心泵内具有射流——尾迹模型的三元流动计算[J]．工程热物理学报，1986.6(1)．

[3]沈阳水泵研究所，中国农机院．叶片泵设计手册[M]．北京：机械工业出版社，1983.