離心泵葉輪切割的節(jié)能改造方案

谷賀(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

1 離心泵葉輪切割的主要工作影響因素

在化工行業(yè)的應(yīng)用中，離心泵的主要功能為葉輪切割、閥門(mén)節(jié)流、變頻調(diào)節(jié)等。各個(gè)功能中葉輪切割是相對(duì)簡(jiǎn)便的，可葉輪切割的適用范圍有限。由于葉輪切割的流量和揚(yáng)程過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致離心泵的工作效率降低，一般會(huì)將葉輪切割用于小型工程中。在葉輪的工作過(guò)程中，對(duì)葉輪影響的因素比較復(fù)雜，包括直徑、出水角、葉片分散程度光潔度以及翼型等。這些因素對(duì)離心泵的工作效率有直接影響。葉輪在工作過(guò)程中的變動(dòng)會(huì)影響到離心泵的工作效率與工作質(zhì)量，對(duì)葉輪的優(yōu)化以及節(jié)能技術(shù)的改造已經(jīng)成為提高離心泵工作效率的方式，能夠提高工廠的生產(chǎn)工作效率，提升工廠的經(jīng)濟(jì)效益。

2 離心泵葉輪切割的節(jié)能改造方案

2.1 離心泵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以A工廠內(nèi)部某部門(mén)的離心泵為例，其中離心泵共269臺(tái)，以機(jī)泵(P-03)為例，其設(shè)計(jì)流量為245 m3/h、轉(zhuǎn)速1475 r/min、設(shè)計(jì)揚(yáng)程117 m、入口壓0.58 MPa、出口壓1.18 MPa、葉輪直徑為210 mm。在實(shí)際工作時(shí)，正常運(yùn)轉(zhuǎn)的體積流量為200 m3/h，出口閥開(kāi)度達(dá)到40%，入口壓0.7 MPa、出口壓1.3 MPa。工藝最大時(shí)流量達(dá)到250 m3/h，出口閥開(kāi)度達(dá)到50%，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速功率為55 kW，吸液面高約6.2 m，排液面壓位1.1 MPa，排液面高約45.2 m。

2.2 管路特性計(jì)算

設(shè)靜壓頭為Hpot，靜壓頭的求解需要吸液面與排液面到泵軸的距離數(shù)據(jù)HA和HB，以及吸液面與排液面上的壓力數(shù)據(jù)PA和PB[1]。將兩者之間代泵軸的距離數(shù)據(jù)和兩者之間的壓力數(shù)據(jù)分別相減，得出的兩個(gè)數(shù)值相加，就是靜壓頭的數(shù)值。

2.2.1 吸入管路

該管路中，管直徑為200 mm，管長(zhǎng)為83 m，其中90°的彎頭3個(gè)、閘閥1個(gè)、1個(gè)過(guò)濾器、1個(gè)三通。設(shè)置操作流量為58.3 m3/h，管徑為200 mm，流速為0.52 m3/s，介質(zhì)摩擦系數(shù)一般為0.02。之后進(jìn)行沿程管路的損失計(jì)算將得出的介質(zhì)摩擦系數(shù)與管長(zhǎng)和壓力相乘，再將其中的數(shù)值除以2倍的管路距離，得出的數(shù)值即為吸入管路的損失系數(shù)。

之后對(duì)局部管路損失進(jìn)行計(jì)算，將局部阻力系數(shù)除以2，便等于介質(zhì)摩擦系數(shù)與管長(zhǎng)和標(biāo)準(zhǔn)壓力連乘之積除以2，得出局部管路損失的具體數(shù)值。最后將沿程管路損失數(shù)值與局部管路損失數(shù)值相加，就能夠得出吸入管路的總壓力值。

2.2.2 排出管路

排出管路的數(shù)值計(jì)算中，設(shè)置其管徑200 mm，管長(zhǎng)30 m，14個(gè)90°彎頭以及4個(gè)閘閥。將操作流量控制在250 m3/h，管徑為200 mm的情況下，介質(zhì)流速會(huì)達(dá)到2.21 m3/s，介質(zhì)摩擦系數(shù)為0.02。在該類(lèi)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，排出管路的沿程管路損失數(shù)值先求出介質(zhì)摩擦系數(shù)與管長(zhǎng)和介質(zhì)流速的平方三個(gè)數(shù)值相乘的積，之后用該數(shù)值除以2倍的管路距離，得出沿程管路損失數(shù)值[2]。

在局部管路的損失數(shù)值計(jì)算中，和吸入管路相同，將局部阻力系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)壓力和管流速的平方相乘，得出的數(shù)值除以2，就能夠得出局部管路的損失數(shù)值。最后將沿程管路損失數(shù)值和局部管路損失數(shù)值相加，就得出排出管路的整體損失數(shù)值。

2.2.3 換熱器能頭損耗

在離心泵的冷水區(qū)到熱水區(qū)的過(guò)程中，會(huì)經(jīng)過(guò)換熱器E-102。離心泵工作中產(chǎn)生的流體不潔凈，在與換熱器進(jìn)行接觸后會(huì)在換熱器表面形成污垢。由于污垢導(dǎo)熱效果并不好，因此換熱器的熱量傳導(dǎo)效果也會(huì)下降，導(dǎo)致?lián)Q熱器的熱量轉(zhuǎn)換不及時(shí)，引起離心泵工作的效率降低。在離心泵工作的過(guò)程中，需要將換熱器的壓力數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，以更加精確的數(shù)值進(jìn)行換熱器的壓力計(jì)算。初步將換熱器的壓力定為0.3 MPa，出口閥門(mén)的開(kāi)口程度約為2/3，換熱器的壓力數(shù)值再次下降0.1，最終換熱器壓力數(shù)值為0.2 MPa。管路總損失已經(jīng)得知，在進(jìn)行換熱器能頭損耗的計(jì)算過(guò)程中，需要總損失數(shù)值除以標(biāo)準(zhǔn)氣壓的數(shù)值，最終得出管總阻力系數(shù)和管路特性數(shù)值。

這是對(duì)于調(diào)節(jié)閥在正常開(kāi)放時(shí)間進(jìn)行的管路特性計(jì)算，但在調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為50%的時(shí)候，管路特性就會(huì)發(fā)生改變。在調(diào)節(jié)閥全開(kāi)的情況下的管路特性和50%開(kāi)度調(diào)節(jié)閥下的管路特性相比要更加平緩一些。根據(jù)管路特性和靜態(tài)力的相關(guān)關(guān)系能夠得知，在調(diào)節(jié)閥為50%開(kāi)度的時(shí)候，可以將靜態(tài)力除以調(diào)節(jié)閥全開(kāi)總管路特性的平方，得出最終的管路特性數(shù)值。

2.3 泵比轉(zhuǎn)速的確認(rèn)

比轉(zhuǎn)數(shù)是離心泵在工作時(shí)的參數(shù)分析，離心泵工作中，比轉(zhuǎn)數(shù)不受流體性質(zhì)以及流速的影響，和葉輪的相關(guān)系數(shù)有著密切的關(guān)聯(lián)。當(dāng)比轉(zhuǎn)速的數(shù)值升高時(shí)，離心泵的流量增大，而揚(yáng)程相應(yīng)減少。比轉(zhuǎn)數(shù)的數(shù)值大小變化與離心泵工作中的效率和相關(guān)數(shù)據(jù)的變動(dòng)有著密切的聯(lián)系，對(duì)于比轉(zhuǎn)數(shù)的確認(rèn)是對(duì)于離心泵葉輪切割節(jié)能改造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在比轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)算確認(rèn)中，要求得泵的額定轉(zhuǎn)速、泵的額定流量以及泵的額定揚(yáng)程幾個(gè)數(shù)據(jù)，將泵的額定流量開(kāi)方后與泵的額定轉(zhuǎn)速相乘，得出的積除以泵額定揚(yáng)程的3/4個(gè)立方，最終的數(shù)值再乘以3.65，就能夠得出最終泵的比轉(zhuǎn)數(shù)。其中要注意的是，離心泵中有多級(jí)泵的類(lèi)型，此時(shí)的泵的額定揚(yáng)程也應(yīng)取相應(yīng)級(jí)數(shù)。

離心泵的比轉(zhuǎn)數(shù)與葉輪切割量有著聯(lián)系，在進(jìn)行比轉(zhuǎn)數(shù)的確認(rèn)后，還可以得出比轉(zhuǎn)數(shù)與葉輪切割量之間的關(guān)系，兩者之間呈現(xiàn)反比例關(guān)系，當(dāng)比轉(zhuǎn)數(shù)逐漸提高時(shí)，葉輪最大切割量的數(shù)值會(huì)逐漸減小。

2.4 優(yōu)化泵葉輪

對(duì)離心泵葉輪的具體數(shù)據(jù)和工作模式進(jìn)行優(yōu)化，需要對(duì)離心泵葉輪的幾何參數(shù)有了解。以離心泵的三坐標(biāo)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對(duì)葉輪的各方面數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，包括葉輪直徑、葉片面積、流道寬度以及出口角等。之后將葉輪微調(diào)后的數(shù)據(jù)以科學(xué)手段進(jìn)行推導(dǎo)，對(duì)葉輪經(jīng)過(guò)微調(diào)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬與分析，得出最合適的葉輪切割數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)離心泵葉輪切割的節(jié)能改造。在進(jìn)行離心泵葉輪切割的改造優(yōu)化時(shí)，應(yīng)注意三點(diǎn)。第一點(diǎn)就是對(duì)葉輪外形的調(diào)整，能夠影響到葉輪外形的數(shù)據(jù)包括葉輪直徑、葉輪外徑、入口直徑等。第二個(gè)就是葉輪的幾何尺寸，在葉輪進(jìn)行優(yōu)化后，由于外形改變，葉輪直徑以及葉輪流道寬度發(fā)生改變，導(dǎo)致離心泵的相關(guān)數(shù)值也發(fā)生改變，比如揚(yáng)程和流量都有所減小，但是在離心泵工作過(guò)程中，相關(guān)的數(shù)據(jù)需要保持改變前的數(shù)值才能夠保證離心泵正常工作。第三個(gè)因素是對(duì)葉輪進(jìn)行精加工，在葉輪進(jìn)行鑄造安裝時(shí)，要對(duì)葉輪的表面進(jìn)行打磨，保證葉輪的表面光滑，避免工作時(shí)發(fā)生卡殼故障。葉輪內(nèi)部要進(jìn)行精加工，噴涂光滑噴劑，讓葉輪的工作摩擦力減小，增加流體經(jīng)過(guò)葉輪時(shí)的流量，減小流體通過(guò)損失，節(jié)省資源，提高工作效率。

2.5 降低離心泵級(jí)數(shù)

在離心泵工作時(shí)，會(huì)有多級(jí)離心泵的類(lèi)型。該種離心泵層級(jí)更多，葉輪數(shù)量也更多，在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的阻力，增加耗電量。但如果對(duì)離心泵的層級(jí)進(jìn)行降低，較少離心泵的葉輪數(shù)量，就會(huì)降低離心泵的揚(yáng)程，降低離心泵的工作效率。想要實(shí)現(xiàn)離心泵葉輪節(jié)能，同時(shí)還能保證離心泵葉輪的層級(jí)減少，降低離心泵在工作時(shí)的耗電量，需要先確定基礎(chǔ)的離心泵葉輪數(shù)量，之后再對(duì)離心泵葉輪的數(shù)量層級(jí)進(jìn)行減少。因此要對(duì)離心泵的保證正常工廠運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的基礎(chǔ)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，得出準(zhǔn)確的葉輪數(shù)量需求數(shù)值后，對(duì)離心泵葉輪進(jìn)行抽級(jí)處理，減小電量消耗，達(dá)到節(jié)能效果。

2.6 優(yōu)化電機(jī)設(shè)備

電機(jī)設(shè)備是離心泵中的動(dòng)力型裝置，能夠通過(guò)高速的轉(zhuǎn)動(dòng)將離心泵中的污水甩出。電機(jī)作為離心泵工作中的主要?jiǎng)恿?，?duì)其進(jìn)行升級(jí)改造，能夠節(jié)省離心泵工作時(shí)消耗的電量，促進(jìn)離心泵的工作效率。一般對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)都會(huì)采用變頻器進(jìn)行電機(jī)進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化。變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化的原理就是將電機(jī)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低離心泵的比轉(zhuǎn)數(shù)，降低離心泵在工作過(guò)程中的能源消耗。在離心泵的變頻器電機(jī)調(diào)節(jié)優(yōu)化過(guò)程中，要對(duì)電機(jī)變頻數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。其中流量和比轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系為倍率關(guān)系，實(shí)際流量的數(shù)值要通過(guò)將額定轉(zhuǎn)速除以實(shí)際轉(zhuǎn)速的數(shù)值，得出的數(shù)值和額定流量再次相乘，得出最終的實(shí)際轉(zhuǎn)速數(shù)值。對(duì)于實(shí)際揚(yáng)程的數(shù)值也需要進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)額定轉(zhuǎn)速的數(shù)值除以實(shí)際轉(zhuǎn)速的數(shù)值，將得出的數(shù)值和額定揚(yáng)程的數(shù)值互乘，就能夠得出實(shí)際揚(yáng)程的數(shù)值。將實(shí)際揚(yáng)程的數(shù)值以及實(shí)際流量的數(shù)值得出之后，就能夠?qū)﹄姍C(jī)變頻的具體數(shù)值進(jìn)行估算。

由以上的數(shù)值能夠得出，當(dāng)電機(jī)電流變頻為30 Hz時(shí)，運(yùn)行電流量下降了73%，當(dāng)電機(jī)變頻達(dá)到25 Hz時(shí)，變頻電流的下降達(dá)到了85%，當(dāng)電機(jī)變頻的電流達(dá)到了20 Hz時(shí)，運(yùn)行電流的下降比例達(dá)到了88%。通過(guò)對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻器的安裝與使用，電機(jī)對(duì)于離心泵葉輪工作時(shí)的電力能源節(jié)約效果顯著。在單級(jí)離心泵的電機(jī)加裝了變頻器后，在保證離心泵正常工作的基礎(chǔ)上，降低了運(yùn)行中產(chǎn)生的噪音、解決了電流流動(dòng)過(guò)多產(chǎn)生的過(guò)載問(wèn)題，提升了離心泵的使用壽命，節(jié)省了維修成本。

2.7 離心泵葉輪故障處理

離心泵在工作過(guò)程中，由于流體中含有的雜質(zhì)較多，經(jīng)常會(huì)堵塞在離心泵的內(nèi)部零部件中，造成離心泵葉輪出現(xiàn)故障。這種情況會(huì)導(dǎo)致正在進(jìn)行生產(chǎn)的工作被迫停止，還造成化工廠的設(shè)備受損，經(jīng)濟(jì)利益受到影響。在離心泵的葉輪選擇時(shí)，要注意葉輪的工作環(huán)境，如果葉輪工作環(huán)境中的流體所含雜質(zhì)較少或過(guò)濾網(wǎng)孔徑較大，就可以正常選用葉輪，但如果生產(chǎn)的環(huán)境相對(duì)不理想，而且流體中含有的雜質(zhì)較多，就需要使用體積量更大的離心泵。更換N形葉輪能夠有效地防止離心泵發(fā)生類(lèi)似的事故，因?yàn)镹形葉輪具備插入式結(jié)構(gòu)，對(duì)堵塞纏繞事故的應(yīng)對(duì)性良好，而且N型葉輪在工作時(shí)具有較小風(fēng)阻，發(fā)出的噪音也相對(duì)較小，能夠提升離心泵工作時(shí)的效率，有效降低了離心泵葉輪在工作時(shí)發(fā)生故障的概率。

2.8 改造結(jié)果和節(jié)能計(jì)算

在經(jīng)過(guò)對(duì)離心泵葉輪進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)之后，離心泵的工作效率以及節(jié)能作用有了大幅度的提升。實(shí)際運(yùn)行離心泵的時(shí)候，其流量數(shù)值為58.3 m3/h，根據(jù)該數(shù)據(jù)，改造前葉輪到泵軸的距離為247 m，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度為48%，改造后的葉輪到泵軸的距離為193 m，調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度為47%。在電機(jī)輸送電流為82.29 A，輸入功率為47.16 kW時(shí)，葉輪在改造后的流量數(shù)值變動(dòng)到了195 m3/h，電機(jī)電流達(dá)到66.84 A，電機(jī)輸入功率為37.37 kW。電機(jī)電流有所下降，實(shí)現(xiàn)了電量節(jié)省。在離心泵的流量為170 m3/h的情況下還能夠再次降低電機(jī)的電流以及輸入功率，節(jié)能比例預(yù)計(jì)約達(dá)到29%。在日常工作過(guò)程中，離心泵由原來(lái)的每次工作開(kāi)啟6臺(tái)降低到了每次工作開(kāi)啟4臺(tái)，節(jié)約了能源的消耗，生產(chǎn)效率提升到了24.3%。

進(jìn)行離心泵的葉輪切割改造之后，離心泵的揚(yáng)程出現(xiàn)明顯下降。在調(diào)節(jié)閥全開(kāi)的情況下，離心泵的流量能夠達(dá)到210 m3/h，提升了離心泵的生產(chǎn)效率。在葉輪切削的過(guò)程中，對(duì)葉輪也進(jìn)行了養(yǎng)護(hù)與維修。由于工作過(guò)程中流體具有一定腐蝕性，加上流體中雜質(zhì)的影響，導(dǎo)致在離心泵中葉輪的磨損腐蝕程度比較嚴(yán)重。在切削過(guò)程中，對(duì)離心泵的葉輪進(jìn)行了腐蝕部分的切割去除，并在進(jìn)行切削后對(duì)葉輪進(jìn)行了光潔度噴灑，表面上進(jìn)行了防腐蝕的防護(hù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)施用。保證離心泵在工作過(guò)程中不被流體中的腐蝕成分影響，不出現(xiàn)磨損故障，也能夠在一定程度上保證離心泵葉輪工作過(guò)程中對(duì)能源的消耗。此次離心泵葉輪切削減少了離心泵工作過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，全年節(jié)省大約32.1萬(wàn)元的維修費(fèi)用。電機(jī)變頻對(duì)于對(duì)按量節(jié)省每年約達(dá)到173 338 kW·h，按照0.6元/kW·h計(jì)算，節(jié)約電費(fèi)約10.4萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的同時(shí)促進(jìn)了化工廠經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

3 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)今工業(yè)生產(chǎn)中，離心泵是被廣泛使用的流體輸送設(shè)備，對(duì)化工行業(yè)的生產(chǎn)起到了增進(jìn)生產(chǎn)效率的作用。在離心泵應(yīng)用中，葉輪切割是比較主要的影響部分，能提升離心泵實(shí)現(xiàn)工作效率。對(duì)葉輪切割技術(shù)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造，能夠提高離心泵的工作效率，降低離心泵在工作時(shí)的能源消耗。