基于三元流技术的海水泵节能研究与应用

王 栋，龚玉林，曾一芸

（南海西部石油油田服务（深圳）有限公司，广东 深圳 518000）

基于三元流技术的海水泵节能研究与应用

王 栋1，龚玉林2，曾一芸3

（南海西部石油油田服务（深圳）有限公司，广东 深圳 518000）

目前，海洋石油111FPSO上的海水泵均采用一元流水力模型设计，主要材质有铝青铜、双相钢等。这类海水泵在实际使用过程中无法适应生产工艺的变化，也无法一直保持处于高效区间运行，因此往往容易出现实际运行效率偏低的情况。同时由于海水中氯离子的强腐蚀性，导致海水泵叶轮特别容易腐蚀，通常使用寿命小于2年。因此非常有必要重新选定海水泵的叶轮材质和优化水力模型设计，以达到降低海水泵的能源消耗，减少日常维护保养成本的节能增效目标。圆柱坐标(R 、Φ、Z)及流动速度W见图1所示，图1（a）示意了一个含有6个叶片（cghd、bfea等）的泵叶轮，图1（b）单独画出了一个叶片通道及叶轮进口截

1 三元流技术原理

所谓三元流技术，是指通过采用三元流动理论并结合计算机辅助设计从三维立体空间的角度出发解决海水泵运行效率的瓶颈问题。在本项目实施过程中所需要改动的范围极少，主要是针对海水泵叶轮进行改造，通过量身定制与现场工艺需求相匹配的三元流高效叶轮，替换原有叶轮即可。项目施工周期通常为1—2天，不会影响正常生产。同时，三元流技术适用于所有离心式水泵设备，应用范围非常广泛，还能解决变频器、智能阀门等无法适用的工况，例如:需要增大流量、增加扬程的应用场合。

1.1 三元流动理论的产生

图1为叶轮、圆柱坐标及流动速度。水泵叶轮、面abcd水流速W1的分布，及出口截面gfeh水流速分布W2。由于叶片是轴对称的，而叶轮前盖板（cghd），后盖板(bfea)均为以轮轴线OO（Z轴）为中心形成的回转曲面，所以分析叶轮内的流动，只须研究图1（b）所示的一个叶片通道就够了，叶片数目为nb(通常为3—8个)，则叶片通道的流量为泵总流量的nb分之一。水泵工作的原理就是由电动机带动泵叶轮旋转，转速为图1中所示，在与叶轮同步旋转的园柱坐标系( )

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。

图1 叶轮、圆柱坐标及流动速度

随着电子计算机得到普遍应用之后，出现了二元流动理论，即沿图1中dcgh曲面（回转面，也称S1流面）和bcgf曲面（子午面，也称S2流面）计算出流速W的分布，即求出W=f1(Z 、Φ )和W=f2(Z 、R)。这时放弃了沿通流截面流速均匀的假定，能计算出沿周向（Φ向）和径向（R向）流速W及压力的变化，较为真实地反映叶片通道内的物理本质。实际上需要完全反映流动的真实性，只有通过三元流动理论计算才能解决，完全三元流动的计算方法是由我国科学家吴仲华在1951年在世界上首次提出。

1.2 三元流方程表达及解法

图2表示三元流叶片通道内的通流截面、流面坐标情况。设想空间流场内周向取JO-1个S2流面，它们与2个叶片表面形成JO个流片，每个流片通过的流量相同；同样沿径向取IO-1个S1流面，它们与机壳内外回转面形成流量相等的IO个流片（图中JO=IO=3）。再取KO+1个与S1、S2流面不共面的任意回转面，其母线为子午面上的直线（或曲线）n，它称之为通流截面（图2中KO=4），S1、S2流面与通流截面相交，构成了过空间点A的非正交曲线坐标S1、S2，2类流面相交则构成流线坐标L。

图2 三元流叶片通流截面、流面坐标图

由此可得出S1、S22类流面的运动方程

式中:w为液体在叶轮中的相对流速，系数c11—c23等均为流线几何形状的函数；L为流线（S1、S2两类流面的交线，定名为流面坐标）。

连续方程可写为

式中:d S1×d Ss2为图1中通流截面上一个微元流管的面积。经以上计算得出叶轮内三元空间各点的流速及压力分布，为设计三元流高效率叶轮提供理论依据。

1.3 海水泵叶轮的三元流设计

海洋石油111FPSO上的海水泵叶轮设计，首先是利用精密仪器和先进的检测技术，检测系统当前运行的工况参数和相关设备参数，根据三元流动理论并结合CFD流体力学计算方法，把叶轮内部的三元立体空间无限地分割，通过对叶轮流道内各工作点的分析，依托专业设计软件，建立起完整、真实的流动特征数学模型，进而对叶轮流道可做出更准确的分析，反映的流体流场、压力分布也更接近实际，设计的叶轮也就能更好地满足各种极端工况使用需求，因此采用三元流技术设计的叶轮，节能效果非常显著，其抗气蚀性更优越。

图3和图4分别为三元流海水泵叶轮的设计图和模具实物。

图3 海水泵三元流叶轮设计

图4 海水泵三元流叶轮模具

通过模具便可以看出，基于三元流技术的海水泵叶轮技术特点包括:①叶片扭曲度进行了大量的优化设计，阻力更小；②叶轮直径减少，而出口宽度增大，提高了水力效率；③叶片宽，轮毂减少，通流能力增大，提高了出水流量；④进口边向来流进口伸展，减少了进口损失，提高了抗气蚀性能；⑤叶轮槽道更宽，叶轮槽道水流速减小，可以减缓气蚀现象的发生；⑥减少进口冲击和出口尾迹脱流等损失，使泵效率得以进一步提高；⑦相邻叶片采用相互交错的结构，降低了水流脉冲，使水流更加平稳。

2 海水泵叶轮材质选择

海水泵叶轮使用寿命一直以来都是困扰整个行业的一大难题，怎样提高海水泵叶轮的耐腐蚀性和改善其汽蚀余量性能做了大量的研究和实验，首次采用升级后ZCuZn16Si4材质铸造三元流高效叶轮的应用取得了突破性进展。ZCuZn16Si4材料具有较高的力学性能和良好的耐蚀性，铸造性能好，流动性高,铸件组织致密，气密性好，特别用于接触海水工作的管配件以及水泵、叶轮铸造。实际使用效果证明ZCuZn16Si4材质能有效的解决了海水泵使用寿命短和容易气蚀的通病，目前也是替代铝青铜、双相钢叶轮的优良材质。图5为海水泵普通叶轮，图6为三元流叶轮。

图5 海水泵普通叶轮

图6 三元流叶轮

3 项目实施及结果

3.1 叶轮水力设计

表1为海水泵铭牌参数表。

在对海水泵近12个月的远程监测数据深入分析后，最终选定改型后的设计参数为：流量Q=700 m3/h，扬程H=80 m，计算出ηs=63.39由此算出叶轮外径、叶轮出口宽度、叶片出口角，最终得出叶片型式的设计。

（3）叶片出口角β2

为了提高抗气蚀性能，叶片向进口伸展，减少进口损失，选定出口角为42.1°。

（4）叶片型式的设计

使用参考文献［3］中的叶型及子午通道计算方法,然后择优选一种最佳方案。

3.2 改造前、后运行参数对比

表2为海水泵改造前、后运行参数对比。

通过以上数据对比得出，改造前、后海水泵的流量基本保持不变，压力得到了0.05 MPa的提升，同时运行电流下降了3.6 A，运行功率减少了27.95 kW,泵组效率提升了7.62个百分点，综合节电率达到10.39%。本次改造项目成功的实施，证明了三元流技术在海水泵上的应用是非常可行的，并且取得了良好的经济效益，预计每年将可以节约用电量16.63万kWh。

4 结束语

经过以上的理论计算分析及实际应用，采用ZCuZn16Si4材质定制的三元流高效海水泵叶轮，不仅解决了海水泵进一步提升效率的瓶颈问题，同时还有效地改善了泵组的抗气蚀性能。同时，通过对海水泵叶轮材质的优化、升级，极大地延长了叶轮使用寿命，大大降低了泵组的日常维修、维护成本，从而实现海水泵的经济运行和安全生产双重优化目标。D

［1］ 刘殿魁.叶轮机械内的三元流动解法——“流面坐标”迭代法［J］.工程热物理学报，1980，1（3）:6—10.

［2］ Wu Chung⁃Hua.A General Theory⁃Three⁃Dimecnsi0nal Flow in Subsonic and Supersonics Turbo machines of Axial［R］.Washington：NACA TN2604,1952.

Energy saving research and application ofseawaterpump based on 3⁃D flow technology

WANG Dong1,GONG Yu⁃lin2,ZENG Yi⁃yun3
（Western South China ofOilfield Service（Shenzhen）Co.,Ltd.,Shenzhen 518000,China）

结合海水泵的实际运行工况，介绍三元流技术的概念及基本原理，包括三元流动理论的产生，三元流方程表达式及解法等。设计海水泵叶轮三元流，分析海水泵叶轮材质的选择对改造前后的参数进行对比，节电量显著。

海水泵；三元流；高效叶轮；抗气蚀性能；节能

Thispaperintroducesthe conceptand the basic prin⁃ciple ofthe 3⁃D flow technique,including the production ofthe 3⁃D flow theory,the equation expression and the solution ofthe 3⁃D flow equation,based on the actualoperating condition ofthe water pump. The water pump impeller is designed,the impeller of the water pump is analyzed,and the selection of the impeller material of the sea pump is compared to the parameters before and after the trans⁃formation.The saving poweris significant.

sea water pump;3⁃D flow;high efficiency impel⁃ler;cavitation resistive property;energy saving

表1 海水泵铭牌参数表

表2 海水泵改造前、后运行参数对比

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.04.008

F407.61；TK018

C

2016-12-09

王栋（1974），男，黑龙江海伦人，工程师，研究方向为机械设计、海洋工程；龚玉林（1983），男，贵州江口人，工程师，研究方向为轮机管理、海洋工程；曾一芸（1977），女，广东和平人，经济师，研究方向为海洋工程、经济管理。