水泵节能改造浅析

2024-02-28高江华

冶金动力 2024年1期

高江华

（北京首钢股份有限公司，河北迁安 064400）

引言

首钢股份公司联合泵站主要为3 座高炉提供冷却水，其中2#联合泵站为2#高炉提供冷却水。2#高炉于2016年10月投产运行，设计大修周期为15年，炉龄后期对联合泵站冷却水的流量和压力提出了更高要求，尤其是2#联合泵站高压泵组冷却水的流量和压力。2#高炉投产初期，2#联合泵站高压泵组为2 用2 备，运行电流平均为50 A 左右。近年来，2#高炉不断要求提高冷却水流量和压力，2 台水泵已不能满足高炉用水要求，所以只能开启3 台水泵，导致电耗升高和备用水泵数量减少，降低了2#联合泵站高压泵组向高炉供水的稳定性，所以对2#高炉2#联合泵站高压泵组进行节能改造势在必行。

1 水泵节能技术

目前，广泛应用的水泵节能技术主要有阀门调节、变频调节、叶轮切割和三元流动等。

1.1 阀门调节技术

阀门调节技术主要应用于高压泵组在管道上并联运行的情况，当生产工况发生变化并导致水泵的设计流量不能满足生产要求时，需对水泵的流量进行调节，即根据电机运行电流调节水泵出口阀门开度来满足高炉用水量要求。采用阀门调节技术调节水泵流量会导致能耗显著增加。

1.2 变频调节技术

变频调节技术在交流电机调速过程中被广泛应用，其原理是通过变频器改变交流电机的转速（水泵转速），控制水泵的流量。相比采用阀门调节技术调节水泵流量，采用变频调节技术可大幅度降低能量损耗。

通过变频器改变交流电机转速，降低水泵扬程，改变水泵流量，可以起到节能的作用，但在每台交流电机上均需安装变频器，成本高，不便于安装，且维护也较麻烦，还可能成为故障点。

1.3 叶轮切割技术

叶轮切割技术可解决水泵类型和规格的有限性与供水多样性的矛盾，其理论计算公式较多，最常用有比转速计算公式和叶轮切割公式等［1］。

（1）比转速。比转速是指数学模型中水泵的转速。在实际应用中，水泵的比转速等于数学模型中水泵在流量为0.075 m3∕s、扬程为1 m 时的转速，其计算公式为［2］：

式中：ns—水泵的比转速，r∕min；

n—水泵的转速，r∕min；

Q—流量，m3∕s；

H—水泵的扬程，m。

（2）叶轮切割公式。生产实践结果表明，当水泵的比转速为30～80 r∕min（低比转速）时，叶轮切割公式为［3］：

当水泵的比转速为 80～300 r∕min（高比转速）时，叶轮切割公式为：

式中：Q'—叶轮切割后的水泵流量，m3∕s；

Q—叶轮切割前的水泵流量，m3∕s；

D'—叶轮切割后的叶轮直径，m；

D—叶轮切割前的叶轮直径，m；

H'—叶轮切割后的水泵扬程，m；

H—叶轮切割前的水泵扬程，m；

N'—叶轮切割后的水泵有效功率，kW；

N—叶轮切割前的水泵有效功率，kW。

水泵叶轮外径的切割量不宜过大，且必须在一定范围内，否则会使叶轮与泵体之间的间隙过大，导致水泵的效率显著下降，影响水泵的经济运行。叶轮外径的切割不应使水泵的效率降低太多，当比转速分别为60 r∕min、120 r∕min、200 r∕min、300 r∕min时，叶轮外径的最大切割量分别为20%、15%、11%、9%。

在低比转速下，当叶轮外径的切割量较小时，其对水泵出口阀门开度的影响不大；在高比转速和中比转速下，当叶轮外径的切割量较小时，其对水泵出口阀门开度的影响较大，且影响水泵的效率。通常，叶轮经过切割后，水泵的扬程、有效功率和流量均会降低，而流量的降低会使水泵的效率下降，如此水泵的能耗不但未降低，反而还会增大，无法达到节能的目的。

1.4 三元流动技术

三元流动理论有别于传统的一元流动理论和二元流动理论，其认为水泵叶轮内部由2 个叶片和前后盖板组成1个完整的空间流场，以叶轮主轴、叶轮剖面和叶轮旋转方向等3 系建立圆柱坐标系，坐标系中任意一点的流速均可用三元函数表示［4］。

射流-尾迹三元流动理论是对水泵叶轮内部完整的三元空间进行无限分割，通过对叶轮流道内各点流量进行分析，建立完整、真实的叶轮内部流体的流动数学模型。该数学模型的建立使叶轮流道的分析更准确，更能反映叶轮内部流体的流场和压力分布实际情况［5］。

应用射流-尾迹三元流动理论对水泵叶轮进行改进设计，在不改变水泵的泵体、电机和管道系统前提下，设计制造了新型三元流动叶轮，代替原水泵内的普通叶轮。在新型三元流动叶轮的实际应用过程中，由于水泵的运行情况不同，导致不同水泵的运行参数存在较大差异，所以需单独对每个水泵的叶轮进行改进设计。

三元流动技术是一种根据水泵的实际运行工况进行改进设计以提高水泵效率的技术，对水泵的改造简单，并适应于以下情况：

（1）改变流量和扬程；

（2）保持流量不变，改变扬程；

（3）保持扬程不变，改变流量；

（4）在功率不变的情况下，提高流量和扬程。

经过理论分析和用户改造验证，射流-尾迹三元流动理论在水泵改进设计方面具有显著优势，能够提高水泵的效率，实现节能目的。

2 高压水泵采用三元流动技术的设计条件

首钢股份公司2#高炉2#联合泵站高压水泵采用三元流动技术需满足以下设计条件。

（1）2 台水泵运行即可满足高炉现行的冷却水流量达2 500 m³∕h和压力达1.91 MPa的要求。

（2）高压冷却水系统的流量和压力留有一定的余量，为高炉15年大修周期保留流量和压力的提升空间。

（3）若只改造3台水泵，则在对高炉流量和压力进行调整后，改造后的水泵应能与原泵组配合使用，这样既能节能，又能降低扬程损失，减少对水泵的机械损坏。

3 水泵运行参数的确定

确定了高压水泵采用三元流动技术的设计条件后，便可对水泵的选型、扬程和流量进行计算。三元流动理论作为最新的水泵改进设计理论，其可行性已经得到了充分验证。

3.1 选型计算

水泵的选型计算其实通常为估算，考虑内容全面，估算结果才能更符合实际需求。水泵的选型计算包括水泵选型索引、水泵扬程简易估算和水泵扬程设计等。

3.2 扬程计算

要满足高炉对冷却水压力的要求，就必须保证2 台水泵并联运行时压力达到1.96 MPa 以上，并留有余量，所以需对水泵的扬程进行计算。

首钢股份公司2#高炉2#联合泵站高压冷却水系统属于开路循环水系统，所以水泵压力Hp的计算公式为：

式中：Hp—水泵压力，kPa；

hf—冷却水系统总的沿程压力损失，kPa；

hd—冷却水系统局部压力损失，kPa；

hm—设备压力损失，kPa；

hs—开路循环水系统的静水压力，kPa。

首钢股份公司2#高炉2#联合泵站吸水井的有效水深度为6 m，其中地下部分深度为3.5 m，联合泵站与高炉高压管道的距离约为150 m，高压管道与地面的距离约为20 m。经过计算，水泵的额定扬程为194 m，安全系数取10%，则水泵的最大扬程为213.4 m。水泵扬程的计算考虑了压力损失，所以该计算结果既能满足高炉正常生产的需要，又未将高炉联合泵站高压冷却水系统压力损失估算过大，避免了因水泵扬程选得过大而导致的能量损耗。

3.3 流量计算

首钢股份公司2#高炉2#联合泵站高压冷却水系统的管道长度为150 m，而高炉生产时要求冷却水到达高炉时的压力不能低于1.7 MPa，即要求管道两端冷却水的压力差为0.26 MPa。

通过数学模型试验对2#高炉生产时所需流量和压力进行定量分析。在2#联合泵站高压冷却水系统供水管道安装压力计和流量计，分别测量供水管道的压力和流量。对于有压管道，压力和流量的计算步骤如下。

（1）计算管道的比阻。对于旧钢管，可采用舍维列夫公式计算管道的比阻：

式中：s—管道的比阻，s2∕g；

d—管道内径，m。

或采用下式进行计算：

式中：n—管道粗糙系数。

或查表确定管道的比阻。

（2）计算管道两端的压力差H：

式中：H—管道两端的压力差，kPa；

P1—管道前端的压力，kPa；

P2—管道后端的压力，kPa；

ρ—液体密度，kg∕m3；

g—重力加速度，N∕kg。

若存在水平落差（管道起始端与末端的高度差），则H的计算公式为：

式中：h—管道起始端与末端压力差，kPa。

（3）计算流量Q：

式中：Q—流量，m3∕s；

L—管道起始端至末端的长度，m。

（4）计算流速：

式中：V—流速，m∕s。

在对2#高炉生产时所需流量和压力定量分析的基础上，利用三元流动理论对水泵叶轮流道内各点流量进行分析，建立了叶轮内流体数学模型，准确反映了叶轮内流体的流场和压力分布情况，形成了新的泵壳、叶轮和转子的设计方案，最后确定为2 台水泵并联运行，并将2 台水泵的总流量提高至2 600 m3∕h 左右，新水泵采用单级双吸方式，流量为1 250 m3∕h，扬程为194 m，功率为1 000 kW。