淺談離心泵葉輪優(yōu)化增效節(jié)能分析

程少高

（大慶宏偉慶化石油化工有限公司，黑龍江 大慶 163400）

1 離心泵流量調(diào)節(jié)幾種常用方法及特點(diǎn)

離心泵石化行業(yè)廣泛應(yīng)用，常用離心泵流量調(diào)節(jié)方法一般有閥門(mén)節(jié)流、變頻調(diào)速、葉輪切削等方法；閥門(mén)節(jié)流會(huì)造成能量的喪失和浪費(fèi)，但是一種快速易行的流量調(diào)節(jié)方法；變頻調(diào)速節(jié)能效果好、主動(dòng)化程度高，泵的揚(yáng)程會(huì)隨轉(zhuǎn)速的下降相應(yīng)降低。對(duì)于現(xiàn)有泵優(yōu)化，較為簡(jiǎn)便的方法是采用葉輪直徑切削，但切削后的葉輪出口流場(chǎng)會(huì)增加渦流、混流，容積損失增加，泵的效率會(huì)降低，此類(lèi)調(diào)節(jié)流量、揚(yáng)程都是在一定范圍限制的，適用于小工況調(diào)節(jié)。

2 影響葉輪效率的幾個(gè)主要因素及機(jī)理

影響泵效率的關(guān)鍵零部件如葉輪、泵體、泵蓋、導(dǎo)流器等，尤其是葉輪的直徑、翼形、出水角、葉片的分度、流道的形狀、光潔度等對(duì)泵效率的影響十分明顯。葉輪直徑及流道寬度對(duì)泵的揚(yáng)程及流量起著決定性作用，對(duì)于后彎式葉輪，出口安裝角在一定范圍內(nèi)增加，會(huì)增加揚(yáng)程，同時(shí)提高泵內(nèi)通流部件表面光潔度，可提高水泵效率3%左右；離心泵在小流量下工作，流速低，葉片入口的沖角增大，導(dǎo)致葉片附近形成渦流區(qū)，葉片侵蝕加劇，離心泵效率降低。水泵偏離設(shè)計(jì)工況越遠(yuǎn)，葉片區(qū)的壓力脈動(dòng)越大，尤其是低流量下，壓力脈動(dòng)表現(xiàn)在振動(dòng)參數(shù)上更加顯著。葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)成為提高泵效率的一種新興技術(shù)，已得到廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)合常用節(jié)能方法，對(duì)我公司現(xiàn)存的機(jī)泵運(yùn)行問(wèn)題研究

（1）我公司機(jī)泵主要參數(shù)及基本情況。碳四塔頂回流泵P2109，轉(zhuǎn)速1475rpm，設(shè)計(jì)流量267.3m3/h，揚(yáng)程116m，入口壓力0.58MPa，出口壓力1.18MPa，額定電流291A，電壓380V。實(shí)際運(yùn)行參數(shù)：運(yùn)行流量105m3/h，運(yùn)行電流150A，電壓380V，入口壓力0.7MPa，出口壓力1.3MPa。P2109使用的為出口角<90°的后彎式葉輪，泵運(yùn)行流量、電流與額定值偏離較大，泵的出口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度較小，泵運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大，最大時(shí)可達(dá)5mm/s，嚴(yán)重影響泵的長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行，軸承、機(jī)封等配件的使用壽命嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)，為解決此問(wèn)題，對(duì)葉輪進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，對(duì)葉輪內(nèi)部參數(shù)優(yōu)化改進(jìn)。

（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)主要步驟。設(shè)計(jì)過(guò)程主要內(nèi)容是已知原始葉輪的幾何參數(shù)，形成三坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)泵實(shí)際需求的流量與揚(yáng)程，結(jié)合葉輪設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算公式，對(duì)葉輪直徑、流道寬度及葉輪出、入口角進(jìn)行微調(diào)，形成新的三坐標(biāo)數(shù)據(jù)，建立葉輪模型，并根據(jù)葉輪模型確定流道模型，基于計(jì)算流體力學(xué)CFD結(jié)合FLUNT軟件，對(duì)流道內(nèi)的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)進(jìn)行模擬、分析，確定改進(jìn)的葉輪流場(chǎng)葉片入口脫流、背面漩渦、流動(dòng)分離均得以改進(jìn)，葉輪內(nèi)的靜壓值隨流動(dòng)方向按流動(dòng)規(guī)律逐漸增加，使葉片水力效率得以提高。

（3）結(jié)合實(shí)際確定優(yōu)化設(shè)計(jì)主要內(nèi)容。此次葉輪優(yōu)化原理基本可以歸納為，尋求與其運(yùn)行狀況相關(guān)的最佳流速場(chǎng)，減小脫流、渦流，減少摩擦損失，提高水力效率。因?yàn)橛绊懭~輪效率因素較多，不能一一做到優(yōu)化，此次優(yōu)化主要考慮以下三點(diǎn)：

①確定葉輪外形變更方向，包括吸入口直徑、葉輪外徑、流道寬度。考慮被優(yōu)化機(jī)泵的實(shí)際需求是在小流量下運(yùn)行，為降低閥門(mén)開(kāi)度小增加的節(jié)流損失，結(jié)合工藝需求及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采取減小葉輪出入口直徑，縮小流道寬度的優(yōu)化方向，此變更降低了葉輪的額定流量及揚(yáng)程。

②葉輪幾何尺寸優(yōu)化后，出現(xiàn)揚(yáng)程降低問(wèn)題，而實(shí)際生產(chǎn)仍需揚(yáng)程基本不變，因此，考慮從入口角、出口角的方向進(jìn)一步優(yōu)化。根據(jù)原葉輪流場(chǎng)模擬分析，如圖1、2。調(diào)整葉片進(jìn)、出口角，避免過(guò)多的脫流，降低水力損失，提高水力效率，再次建模流場(chǎng)模擬，經(jīng)過(guò)三次的調(diào)整，最終確定速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)均得以?xún)?yōu)化和提升的新葉輪，如圖3、4。

圖1 壓力分布圖

圖2 相對(duì)速度矢量圖

圖3 原始葉片壓力分布

圖4 優(yōu)化后的葉片壓力分布

③葉輪流道內(nèi)部精加工。鑄模模具要進(jìn)行精修，葉輪鑄造成型后要進(jìn)行數(shù)控加工、邊界打磨，成型后的葉輪進(jìn)行內(nèi)部流道表面光滑噴涂處理，減小摩擦及渦流損失，提高效率。

安裝優(yōu)化葉輪后，泵運(yùn)行參數(shù)對(duì)比如表1。

表1 碳四塔頂回流泵P2109B葉輪改造前后運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表

對(duì)離心泵的葉輪進(jìn)行了優(yōu)化，使得泵在原有小流量下運(yùn)行，出口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增加，減少了管路節(jié)流損失，電機(jī)運(yùn)行電流由150A降為128A，機(jī)泵振動(dòng)由5.0mm/s降至2.5mm/s。

結(jié)合電機(jī)運(yùn)行輸入功率計(jì)算公式：

計(jì)算出：

結(jié)合公式計(jì)算出優(yōu)化后的葉輪每年節(jié)約電量10.6萬(wàn)度，節(jié)約電能約15%。

4 結(jié)語(yǔ)

葉輪的優(yōu)化是離心泵節(jié)能改進(jìn)的一種重要方法，可以實(shí)現(xiàn)揚(yáng)程基本不變，降低額定流量；調(diào)整葉片進(jìn)出口直徑、安裝角度，葉輪內(nèi)部流道光滑處理，得到流速分布規(guī)律，壓力場(chǎng)均勻變化的新流場(chǎng)，減小了脫流、渦流，提高了水力效率；葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)與額定工況偏離較大的機(jī)泵，在低流量運(yùn)行時(shí)具備較高的效率，此次優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了全年節(jié)電10.6萬(wàn)度，機(jī)泵運(yùn)行振動(dòng)由5mm/s降至2.5mm/s的預(yù)期效果。