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三元流叶轮改造技术在灌溉泵站中的应用研究

2018-04-02樊亚龙

陕西水利 2018年1期
关键词:叶轮泵站水泵

樊亚龙

0 前言

陕西省东雷二期抽黄大型灌溉泵站位于关中东部渭北旱原台塬区,设计灌溉面积126.5万亩,是利用黄河水资源修建的一处多级高扬程大型电力提灌工程。灌区共建设泵站37座,安装水泵电动机组170套,总装机功率114.6 MW[1]。由于建设年份较早,水泵采用传统一维水力设计方法设计,加上运行时经常偏离设计工况点,泵站普遍存在流量衰减、效率低、能耗高等问题。尤其是流量衰减较为严重,导致灌溉高峰期难以满足用水要求。

1 流量衰减问题

此处流量衰减指进水池、管道无明显堵塞和淤积前提下,水泵运行一段时间后,功率(电流、流量)明显减小。一般来说,可能引起流量衰减的原因有以下几点[2]:

(1)轴封、管件接缝处进气。通常在启动后较短时间内发生,且不太可能通过关机重启而消失。

(2)表面吸入涡。通常生在低水位工况下产生,伴有较明显的压力脉动和振动,难以通过关机重启解决。

(3)汽蚀。通常发生在水泵设计不合理、低水位工况,常伴有异常高频声音。

(4)流道堵塞。包括管道堵塞和水泵堵塞两种,管道堵塞一般关机重启不易恢复,而水泵堵塞可通过关机重启恢复。

抽黄泵站的流量衰减在关机重启或者阀门速闭速开后就可以恢复,初步推断主要原因在于水泵本身。为解决此问题,二黄管理局借助三元流叶轮设计新理念[3]和工程经验[4-6],以董家七级泵站作为试点,在不改变其他建筑物和设备的前提下,将原叶轮更换为高效节能型三元流扭曲型叶轮,并对更换前后水泵运行情况进行比较分析。

2 三元流技术改造

2.1 一元流设计理论

一元流可以简单地看成流体在弯曲的管道内匀速流动。假定进出口流道截面及流道内部任何过流截面的水流是均匀分布的,而流速仅为一个自变量的函数,据此设计出叶片的几何形状,制作出多种模型进行试验,择优选用。离心泵在不同的工况下,其流量压力变化范围很大,这种叶轮的模型只能是有限的数种,因而无法保证优选模型与实际运行工况一致,当偏离设计工况时,叶轮效率极低。由于一元流计算设计简单、成本低,目前我国仍有水泵厂延用此设计方法。

2.2 二元流设计理论

二元流设计将叶轮流道及流体流态作为变量,只考虑水流从叶片根部到叶片顶部的S面流动,忽略叶片之间的圆柱面内的流动阻力,从而将三维坐标简化为二维坐标。二元流设计出来的水泵叶轮在工作中冲击损失、摩擦损失仍然较大,选用二元流水泵过程中的服从性差。

2.3 三元设计理论

1976年版美国权威工具书《泵手册》把我国科学家吴仲华创立的三元流动理论作为未来可能出现的新设计方法,最初应用在风机叶片设计领域中国,1986年《射流-尾迹三元流动计算》方法用于水泵设计。目前,国内外一些院所和大型水泵公司陆续引进三元流设计方法[7]。

三元流设计理论是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,建立起完整真实的叶轮内流体流动的数学模型。通过三元射流-尾迹流动计算,对因流体粘性和泵体内部压力梯度引起的流体流动状态进行定量分析,通过水力优化设计,改善叶轮内流体的流动状态,使流体沿过流通道呈流线型光顺流动,以减小漩涡、进口冲击和出口尾迹脱流等损失,使泵效率得以提高,高效区更宽。

典型的三元流叶轮设计流场是根据优化前的泵运行特性,如流量,扬程,电流、电压和出口阀门开度等指标进行采集,结合运行要求的性能指标参数,均作为作为已知参数,进行叶轮的迭代优化设计。由典型三元流叶轮截面相对速度分布(图1)可以看到,采用三元流设计轮优化后的叶轮内不流场分布均匀,流线平滑光顺无漩涡,从而损失较小,且不易产生过度汽蚀现象。

图1 三元流叶轮流场分布

2.4 三元流技术改造

对水泵的三元流技术改造,是根据现场技术要求,针对实际运行情况,不动电机、管路、安装位置等,控制叶轮安装接口尺寸,设计出与原叶轮可互换的非标准叶轮,以达到效率最大化,成本最小化。改造过程为:认真检测、分析水泵运行工况,测绘原叶轮装配尺寸及泵壳尺寸;根据用户对水量、水压要求,确定三元流叶轮设计参数,进行数值预测,通过迭代计算设计,最终制造三元流空间扭曲叶轮;更换叶轮。

本次试点的董家七级泵站高池方向安装4台20SH-19G型单级双吸离心泵,水泵设计流量0.46 m3/s,设计扬程28.3 m,配套电机功率185 kW。将4#机组更换为三元流叶轮,其他机组(以3#机组为例)仍采用原叶轮作为对比。3#机组叶轮(原叶轮)如图2所示,叶轮直径470 mm;4#机组叶轮三维模型(三元流叶轮)如图3所示,叶轮直径513 mm。

3 三元流叶轮改造效果

通过对不同机组长时间运行测试,可以看到三元流改造具有如下效果:

图2 3#叶轮(原叶轮)

图3 4#叶轮三维模型(三元流叶轮)

(1)流量扬程相同时,提高水泵效率。3#机组(原叶轮)电机功率185 kW,4#机组(三元流叶轮)电机功率140 kW,效率提高了24.3%,日节电1080 kW,年节电129600 kW(120天),相当于每年减少碳排放101.7 t。

(2)电机功率相同时,提高水泵流量。4#机组(三元流叶轮)工作点流量由0.463/s增大到0.53/s,有效解决供水流量不足问题。

(3)流量稳定。图4为4#机组(三元流叶轮)和3#机组(原叶轮)运行过程电流变化趋势对比(由于泵站还未实现自动化,故采用人工采集电流数值,总共采集96小时,每隔1小时采集一次数据)。由图可知,3#机组(原叶轮)开机20小时后,电流由300 A降至270 A,之后24小时又降至260 A,再经过41小时降至255 A,最后稳定在255 A,即开机20小时候就出现了较为严重的流量衰减,且随着时间推后,流量呈阶梯状衰减。4#机组(三元流叶轮)开机电流328 A,在观测的96个小时内一直保持328 A,不存在流量衰减。

图4 机组运行电流变化趋势对比图

4 结论

对建成年份较早的灌溉泵站,由于设计和运行等原因,容易出现偏离设计点、效率低、流量衰减等问题,采用三元流技术进行改造具有如下优势:

(1)在不动管路、电机、泵体、泵轴等建筑物和设备的前提下,只更换叶轮,改造成本低,实施简单,操作性强,并能节约检修费用。

(2)节能。在流量和扬程不变情况下,采用三元流叶轮,可以提高水泵效率,减小电机功率,节省能耗。

(3)增效。在配套电机功率不变条件下,采用三元流叶轮,能明显增大水泵出流流量,解决供水不足问题,提高水泵效能。

(4)稳流。由于三元流叶轮设计理论更接近运行实际,能将流量长时间保持在开机稳定值,消除流量衰减。

[1]陕西省大型灌溉排水泵站更新改造规划报告[R].2008.12.

[2]王福军.水泵与水泵站[M].北京:中国农业出版社,2011.

[3]钟再平.一种透平机械高效叶片[P].中国专利:ZL201520247822.X.2015-09-30.

[4]杨胜宇,车永军.应用三元流技术实施循环水泵系统节能改造[J].节能工程,2012(5):37-40.

[5]刘晓军.水泵采用三元流叶轮的使用效果[C].全国中氮情报协作组第23次技术交流会论文集,2005:276.

[6]王涛.以三元流动理论设计的新型水泵叶轮在供水公司的应用[J].应用能源技术,2015(1):9-12.

[7]吴霞,黄静,戈文金.三元流技术在水泵改造中的成功应用[J].江西能源,2007(4):46-47.

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