低扬程大流量离心泵的高效率节能技术研究

张雪蕊

（广州市自来水有限公司 西村水厂）

0 引言

我国泵工业起步于20世纪初，发展于80年代。泵站作为水的唯一动力来源，是重要的工程器械，它在水资源的调度、治理中起着不可替代的作用。同时，泵站在防洪排涝和抗旱减灾、以及工农业用水和城乡居民生活供水等方面发挥着重要作用。

节能减排已经成为中国经济发展规划纲要的主要内容，尤其对电力、钢铁、有色、石油化工、水处理等工业领域高耗能企业提出了更加严格的要求。水泵作为工业核心流体输送设备占据着耗能的主要部分，卧式中开离心泵是应用较为广泛的泵型，特别是在市政自来水行业的取送水方面，发挥着极其重要作用，自来水厂的卧式中开离心泵普遍都是20世纪90年代的国产品牌产品，效率低下，运行不稳定，维护困难，已经不满足现在的使用和节能需求，提高卧式中开离心泵性能已经刻不容缓。

1 提高水泵效率的技术手段

离心泵的设计及优化方法主要基于水力模型来对离心泵进行优化、设计，例如：速度系数法通过对现有的水力模型库进行归纳统计，随时吸收先进模型，及时优化各种速度系数，是泵设计最常用的方法；损失极值法保证设计工况点的流量和扬程，通过几何参数的最佳组合使泵的总损失最小；基于CFD（Computational Fluid Dynamics，简称：计算流体动力学）的优化设计法根据离心泵的数值计算结果，调整叶轮和蜗壳的几何参数，使得泵内流态较好，以避免漩涡、回流、二次流等不稳定流动的出现。

随着水厂系统工况要求的不断变化，对于提高水泵运行效率的优化设计方法是不一样的。因此根据取水泵站的实际运行工况，来对提高取水泵组效率的技术进行设计与分析，并选择最优途径，提高取水泵组的工作效率，是水厂系统适应供水环境变化的必要过程。

2 工程实例

西村水厂日产量达1.0×106m3/d，所用取水泵组为20世纪80年代型号产品，相关参数如表1所示。自广州西江饮水工程完工后，与往年同期相比，厂内日均取水量有所增加，因而取水泵组运行偏离高效区，导致泵组能耗升高。虽然近几年对该型号取水泵组进行多次叶轮切削、喷涂等手段以期提高其运行效率，但不能从根本上降低能耗，因此结合取水泵组实际运行情况，重新设计一款适合西村水厂取水工艺工况的新泵，才是从根本上提高取水泵组效率、降低能耗的根本之法。

表1 原取水泵组参数

3 解决方案及效果分析

3.1 技术手段

由于传统的设计方法运算复杂，设计周期长，无法快速解决西村水厂的迫切需求，因此采用基于CFD的优化设计方法对取水泵重新设计，有利于缩短周期。在进行设计之前，原有水泵运行数据以及新型水泵运行期望值对比如表2所示。

表2 原有水泵及新型水泵数据对比

根据运行工况需求对离心泵进行设计，首先应用solidworks分别对进水、叶轮、蜗壳等部分建立几何模型并组装成整体，得到三维流动计算域；再选用四面体单元，应用ICEM软件对计算域生成计算网格；然后采用ANSYS-CFX软件模拟计算双吸泵三维流动状态，计算域进、出口分别采用压力及流量边界条件（流量大小由泵工况决定）；从而计算得到的流速分布和静压力分布。如图1、图2所示。

图1 流速分布图

图2 静压力分布图

在模拟计算得到流速和静压分布后，按照以下公式可预测计算不同流量Q下泵的扬程H、轴功率N及效率η：

其中，ρ为水的密度，M、ΔP分别代表水泵扭矩、泵进口与出口的总压差和中心高差。

离心泵工作介质为水，湍流模型选取标准k-ε模型，选用最新的SG型叶轮模型。按Q=4300m3/h、H=9m、n=495r/min改造参数来计算新型水泵比转速：

最后求得新型水泵水力模型性能预测数据如表3所示。新型水泵叶轮如图3所示。

图3 新型水泵叶轮三维优化设计图

表3 新型水泵水力模型性能预测数据

3.2 效果测试

根据西村水厂实际运行工况，以及对新型水泵进行的优化设计，经计算机模拟测试得到设计新型水泵相关参数如表4所示，水泵性能曲线如图4所示。

表4 新型水泵测试数据

图4 新型水泵性能曲线

3.3 运行效果

根据对取水泵组前后一年的运行数据进行采样、归类、分析、对比，可得取水泵组在不同扬程情况下的运行效率及数据占比，如图5、图6所示。分析数据图可知：与原取水泵组相比，新型水泵扬程分布较为集中，且效率区间高原取水泵组。

图5 原取水泵组运行数据分析

图6 新型取水泵组运行数据分析

4 结语

根据目前供水格局和厂内运行工况，使用基于CFD的优化设计方法设计的新型取水泵组，极大缩短了设计周期，且由于取水泵组整体性能得到很大提升，因此泵组效率得到一定提升，从而降低了电耗。