以三元流动理论设计的新型水泵叶轮在供水公司的应用

王 涛

(黑龙江省节能技术服务中心，哈尔滨 150001)

以三元流动理论设计的新型水泵叶轮在供水公司的应用

王 涛

(黑龙江省节能技术服务中心，哈尔滨 150001)

文中介绍了以三元流动理论设计的新型水泵叶轮在工业企业的应用，并说明了其工作原理。系统不仅具有节能环保效益，而且提高了水泵的性能。

三元流动理论；节能环保

0 引 言

石家庄市供水总公司供水六厂的电费支出在企业的全部运营成本中所占比例相当大，达到60%以上，而在全部电费支出中，供水泵运行电费又占主要部分。为了进一步提高水泵的运行效率，节能降耗，节约成本，公司决定采用通过“叶轮机械三元流动理论”研制的新型叶轮对公司现有的六台水泵进行改造。在更换了“三元流动理论”设计的高效叶轮后，泵的效率得到了有效的提高。

1 案例源企业简介

河北省石家庄市供水总公司属国家大型二类供水企业。总公司现有员工2 600人，水厂8座，清水池17座，水源井162眼，输配水管网1 022 km。拥有固定资产近10亿元，日产水能力107×104m3，供水面积97 km2，服务人口约130万人，规模居河北省供水行业之首。石家庄市供水总公司供水六厂位于石家庄市中华北大街，始建于1978年，1979年正式投产，目前日送水约(13～14)×104m3，主要设备有六台送水机、10眼外井、3台加氯机以及配电柜组成，通过加氯机将水消毒，消毒过程在管网中完成。

2 改造前系统的运行状况、技术水平、能耗情况

石家庄市供水总公司第六水厂的送水机组为加压泵站。来水经送水机组加压后输送至用户。送水机组为6台水泵并列布置，1#～5#送水机为500S-59A型水泵，6#送水机为24SA-18型水泵。在技术改造实施前开1#～5#送水机供水，日供水约13～14×104m3。500S-59A水泵原设计参数见表1。

表1500S-59A水泵原设计参数

由于出厂水压要求为P=0.25 MPa，因此，泵扬程明显偏高，造成能源浪费。为此，将电机改为低转速n=750 r/min，小功率Ne=220 kW的电机。水泵叶轮也几经调试，将500S-59A型泵的叶轮切削为φ642 mm(装于2#、3#泵体内)和φ660 mm(装于1#、4#泵体内)两种。改造后，4台泵出口泵压P1=0.23 MPa，单台泵平均流量Q=1 645 m3/h，电机工作电流I=23 A，电机消耗功率Pe=210 kW，机组总效率Et=53.3%。以上数据表明，泵组经改造后虽然较改造前有较明显的节能效果，但泵效率仍偏低。

3 水泵系统节能改造及原理

通过使用新型的泵设计软件《射流——尾迹三元流动理论》，结合生产现场实际的运行工况，重新进行泵内水力部件(主要是叶轮)的优化设计，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。

吴仲华教授的“叶轮机械三元流动”理论，自七十年代电子计算机得到广泛应用后被充分的应用于航空燃气轮机设计和发展。在吴氏理论的基础上，提出了泵内含射流——尾迹模型的三元流动计算方法，通过具体实践，应用这一方法设计的泵叶轮比以前效率有明显改善。

目前应用的“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，建立起完整、真实的叶轮数学模型。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。

叶轮机械内的完全三元流动，应用吴仲华教授创立的S1、S2两流面理论可以用不同方法求解，一种是流函数方法，这一方法在数学上严谨，但物理上不太直观，另一种是直接计算流体流动速度的流面(或流线)迭代法，这一方法物理上比较直观，反映问题更接近实际。

泵叶轮内部由两个叶片、前后盖板组成一个完整的空间流场，观察者与叶轮同步旋转看到的是与时间无关的定常相对流动，要求计算空间流场中任何一点的相对速度的大小及方向，从而建立叶轮数学模型。

在改造中，叶轮前后盖板是设计给定的，对于中间流道内的众多S1流面而言，事先假定形状，逐步迭代修正至计算收敛，从而得出最接近实际的准确设计，得到在用户具体使用情况下，最合理的叶轮叶片曲线，满足用户对效率提升的要求。

4 改造后项目的实际运行状况及现场监测

石家庄市供水总公司供水六厂对所有水泵进行了改造。投入生产后，水泵运行稳定，不仅降低了成本，而且提高了机组效率，见表2。

表2 改造后现场监测表

6 项目节能量的测量及验证方式

6.1 节能量计算

(1)根据在案例源现场收集的数据(对整个供水六厂的六台水泵进行统计)项目改造前后供水六厂的产水量和耗电量见表3。

表3 产水量和耗电量表

(2)由表3数据作项目改造前后产水量与耗电量散点分布图如图1所示。

图1 改造前后产水量与耗电量散点分布图

(3)项目改造前供水六厂产水量与耗电量线形回归图如图2和图3所示。

图2 散点直线回归图

图3 CUMSUM图

④CUSUM计算

表4 CUSUM计算表

续表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图算得从新项目投入运行以来，累计14个月节电量为475 229.061 8 kWh，计算出年节电量407 339.2 kWh。

7 适用对象及市场潜力

(1)适用对象：该项技术适用于需要循环冷却水及供水要求的企业对泵站设备的节能改造，可应用于冶金、煤炭、电力、化工、城市建设等行业的水泵改造。

(2)市场潜力：近年来，由于企业自行开发和技术引进，产品性能有了较大提高。但从泵类产品总体上来看，产品性能和质量同发达国家尚有差距，未经改造的老产品平均效率比发达国家产品低2～5个百分点。而且，我国泵类的品种、规格少，选型上难以匹配，造成了运行上的裕量极不合理。所以，提高泵与风机的效率是节约能源重要的手段。

[1] 具有任意形状的分流叶片叶栅的完全三元流动解法[J].工程热物理学报，1984.

[2] 叶片式泵内气液两相泡状流的三维数值计算[J].水利学报，2001.

[3] 叶轮机械完全三元流动解的若干问题[J].力学学报，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 涛(1982-)，男，毕业于哈尔滨理工大学，电子信息工程专业，现从事节能方面研究与测试工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.01.003

TU1991

B

1009-3230(2015)01-0009-04