氯堿生產(chǎn)中循環(huán)水泵葉輪節(jié)能改造

葉得強，朱伯麟，姜 錦，楊汝蕓

（金川集團股份有限公司化工廠，甘肅 金昌737100）

金川集團有限公司化工廠20 萬t/a 離子膜燒堿（一期）系統(tǒng)于2009 年11 月建成投產(chǎn)，整套裝置循環(huán)水系統(tǒng)配備2 臺立式斜流泵（開1 備1）為系統(tǒng)各機組、換熱器等換熱設(shè)備提供循環(huán)冷卻水，循環(huán)水泵的主要參數(shù)為：流量6 900 m3/h；揚程50 m；轉(zhuǎn)速：590 r/min；軸功率：1 099 kW；效率：85.5%；循環(huán)水泵配套電機功率：1 300 kW；額定電壓：10 kV；額定電流98.7 A；轉(zhuǎn)速590 r/min。

1 設(shè)備現(xiàn)狀

由于下游耗氯裝置運行不穩(wěn)定，導(dǎo)致燒堿（一期）系統(tǒng)長時間處于低負荷運行狀態(tài)，車間對系統(tǒng)中使用循環(huán)水設(shè)備的設(shè)計水量進行了詳細統(tǒng)計，循環(huán)水總需求量共計6 250.8 m3/h，見表1。在低負荷運行時，蒸發(fā)裝置停止運行，整流系統(tǒng)運行3 套，化鹽水換熱器、陰極液冷卻器、放空氣冷卻器、冷凝水換熱器等設(shè)備未使用冷卻工況，此狀況下系統(tǒng)實際循環(huán)水需求量最大為3 698.4 m3/h，遠遠低于循環(huán)水泵的設(shè)計流量，由于斜流泵無法通過出口閥門調(diào)節(jié)流量，造成了能耗的增加。

2 改造措施

為實現(xiàn)循環(huán)水泵的節(jié)能目的，常用的葉輪改造方法有以下3 種。

2.1 切割葉輪

眾所周知，切割葉輪外圓直徑可以降低水泵的流量和揚程，從而降低泵的運行功率，達到節(jié)能的目的，這個是最簡單的方法。根據(jù)切割定律，切割前后的流量、揚程、功率關(guān)系如下。式中，Q1、H1、P1為葉輪直徑D1時的流量、 揚程、功率；Q2、H2、P2為葉輪直徑D2時的流量、揚程、功率；

表1 20萬t/a離子膜燒堿系統(tǒng)循環(huán)水用量統(tǒng)計

根據(jù)現(xiàn)場循環(huán)水的實際需求流量（取1.15 的余量系數(shù)）則流量為4 260 m3/h，葉輪直徑D1=1 245 mm。計算得出：D2=768.65 mm，H2=19 m。但在滿足流量的同時，由于葉輪切割量過大，造成揚程無法滿足系統(tǒng)要求，此方法不適合現(xiàn)場實際情況。

2.2 變頻節(jié)能改造

變頻的主要工作原理是利用變頻改變驅(qū)動電機的頻率，降低電機的轉(zhuǎn)速，繼而減小泵的輸出流量來實現(xiàn)節(jié)能目的。變頻節(jié)能改造的優(yōu)點是在生產(chǎn)過程中，當生產(chǎn)負荷降低時，系統(tǒng)所需流量減小，變頻電機可以通過降低電機轉(zhuǎn)速來減小泵輸出流量，這樣電機的負荷也隨之減小。根據(jù)泵的性能曲線，該泵輸出流量為4 260 m3/h 時， 泵揚程約為70 m， 效率75%左右，此時泵軸功率：

可以看出,如果變頻改造，泵的流量降低、揚程上升、效率下降，輸出功率降幅甚微，節(jié)能效果不明顯，考慮到其節(jié)能效果和變頻投資，此方法亦不適合現(xiàn)場實際情況。具體性能曲線見圖1。

圖1 泵的性能曲線圖

2.3 重新設(shè)計更換葉輪

為了降低改造成本，在不改變泵其它零部件尺寸（主要是葉輪處軸徑不變）的條件下，按軸徑的要求進行性能換算。40LBSB-50 立式斜流泵的原型泵是C720-N 模型，原型泵的參數(shù)為：QM=6 952 m3/h，HM=68.2 m，η=85.9%，n=590 r/min，葉輪外徑1 297 mm。40BLSB-50 是在原型泵的基礎(chǔ)上對葉輪外徑進行切割后滿足設(shè)計需求的。而現(xiàn)場實際需求的參數(shù)要求為：QP=4 260 m3/h，HP=50 m，n=590 r/min；首先計算泵的比轉(zhuǎn)速。

式中：nsm為原型泵葉輪的比轉(zhuǎn)速；nsp為重新設(shè)計葉輪的比轉(zhuǎn)速。

根據(jù)比轉(zhuǎn)速的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)原型泵 （C720-N模型）即為現(xiàn)場實際需求泵的模型泵，可以以原型泵為模型對其進行相似換算，通過模型換算計算出比例系數(shù)λ 值，計算公式如下：

因改造前后轉(zhuǎn)速保持不變，因此得出：λ=0.873

根據(jù)系數(shù)換算，以原型泵為模型重新設(shè)計新的葉輪，新葉輪既要滿足最小軸徑安裝尺寸，同時也要保證與導(dǎo)葉體匹配，通過比例系數(shù)計算得葉輪直徑為1 132 mm。

計算得改造后葉輪揚程：HP=51.9 m，符合現(xiàn)場條件。

通過以上3 種方案的對比分析，可以得出根據(jù)現(xiàn)場實際情況重新設(shè)計葉輪的方案最為可行，該方案具有投資小、見效快、施工簡單，而且無需更改其他機泵備件，有利于后期的設(shè)備維護管理。

3 經(jīng)濟效益

對改造方案進行反復(fù)核算論證后， 決定由原廠家制造新葉輪，新設(shè)計葉輪的具體參數(shù)為：流量4 260 m3/h、揚程51.9 m，效率83.7%，具體性能曲線見圖2。

2014 年3 月， 車間利用系統(tǒng)停產(chǎn)檢修時間對葉輪進行更換，經(jīng)過3 個月的運行，水泵運行電流為68 A，大幅度降低，節(jié)能效果明顯，同時經(jīng)過計算得出：

改造后泵的軸功率：PP=ρgQH/η=719.07 kW

圖2 新設(shè)計葉輪性能曲線圖

節(jié)約能耗：P=1 099-719.07=379.93 kW

節(jié)省電費：S=379.93×0.48×8 000=145.8 萬元/a（年操作時間按8 000 h 計）

4 結(jié)語

通過對裝置循環(huán)水泵的葉輪的節(jié)能改造，大大節(jié)約了電耗，降低了生產(chǎn)運行成本，達到了節(jié)約能源的預(yù)期目標，取得了滿意的效果。

［1］陳 偉.石油化工設(shè)備設(shè)計選用手冊機泵選用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2009：4－75.

［2］劉桂年，蒲旭亮.離心泵幾個特性參數(shù)的分析［J］.廣州化工，2013，（17）：172－173.