三元流技术在循环水泵上的应用

苗兴东

(中国石油辽河石化分公司，辽宁盘锦 124022)

0 前言

在能源日趋紧张的今天，在国家“十二五”规划的要求下，节能降耗成为当今的主流，而广泛应用于工农业生产等社会生活各个领域的离心泵，其每年电耗占全国总电耗的21%以上，因此离心泵的节能问题就引起了人们的关注，各种节能措施也越来越受到人们的重视。如何提高离心泵的运行效率，实现系统的最优化运行成为用户的主要研究对象。随着三元流动理论逐步成熟，以及该技术在实际应用中的广泛推广，泵的效率得到了极大提高，与传统的一元流、二元流技术相比，泵节电率可达到15% ～20%。

目前，辽河石化公司东循环水场有6台离心式水泵，设备位号为1～6号，并联于全封闭式循环水系统，母管制运行，循环水泵均是采用传统的二元流理论设计制造的泵型，已运行10年以上，通过现场测算，水泵运行效率较低。由于水泵的运行效率与泵体内部流体流动状况是密不可分的，而传统的二元流理论不能准确地反映泵体内液体的真实流动状态，因此受泵的设计制造水平和现场运行工况变化的影响，水泵实际运行工况点严重偏离其高效区，造成水泵效率低，能耗高。而通常采用的车削叶轮、更换新泵或者安装变频器等办法都有较大的局限性，不能从根本上解决低效率、能耗高的问题。为此，公司决定采用三元流技术对循环水泵进行技术改造。

1 三元流技术改造原理分析

1.1 三元流技术原理

吴仲华院士于20世纪50年代就提出了三元流理论。该理论将叶轮内部的三元立体空间无限分割，通过对叶轮流道内的各工作点的分析，建立起完整、真实的叶轮内流动的数学模型。刘殿魁［1］于80年代提出了“射流—尾迹”模型，通过三元“射流—尾迹”流动计算，对因流体黏性和泵体内部压力梯度引起的流体流动状态进行定量分析，利用三元流动理论来求解泵叶轮内的流速分布，进而得出水泵叶轮优化设计的方法，根据叶轮内部流动特性的要求，对叶片的进出安放角、叶片数、扭曲叶片各截面形状等要素进行优化，改善叶轮内流体的流动状态，从而避免叶片工作面的流动分离，减少流动损失，提高叶轮的工作效率，最终达到提高水泵效率、节能降耗的目的。该方法特点主要有:①保留电机、泵壳体、进出水管路等现有水泵系统;②可根据系统实际情况进行设计，达到“量体裁衣”的目的;③工期短、效率高、见效快。

1.2 三元流叶轮与传统叶轮的比较

三元流叶轮与传统叶轮除安装尺寸相同外，其叶片形状发生了很大的变化，如图1和图2所示［2］。

图1 叶轮叶片的子午面视图

图2 叶片前视图

由图1和图2可以看出:①三元流叶轮叶片加宽了许多，特别是轮毂减少，使流通能力增大;②三元流叶轮直径减少了，而出口宽度增大;③三元流叶片的扭曲度大很多;④三元流叶片进口边向来流进口伸展，减少了进口损失。

反映到水泵的效率曲线和特性曲线上，就是三元流可以根据现有的运行状态，设计时改变水泵的特性曲线，使其变得平滑，同时可以将效率曲线向右平移，以适应工况发生变化时需要，效率达到最大化。因此，叶轮的这种变化，实际上使原泵变为一种全新的泵，其效率最高点对应于目前实际运行工况时的流量和扬程，而这是靠选取现有规格的泵或切割叶轮等方法无法达到的。

2 改造实施情况及效益分析

公司于2012年3月份应用三元流技术对东循环水站的1号、4号、6号水泵进行改造，现场实测参数为:1号泵，扬程46 m，流量2 000 m3/h，电机功率460 kW，电流55A;4号泵，扬程46 m，流量3 000 m3/h，电机功率560 kW，电流61A;6号泵，扬程45 m，流量 5 000 m3/h，电机功率 1 000 kW，电流116A。3台水泵改造后投用至今，机泵运行平稳，噪音减小，汽蚀现象明显减少，节能效果明显，达到了改造的预期目标。具体参数如表1所示。

表1 改造前后参数对比

由表1可以看出，在泵改造后满足各用水点工艺参数的前提下，1号泵节电率为20.37%，4号泵节电率为16%，6号泵节电率为15.52%。电费按0.58元∕度计算，3台泵每年节电费用分别为44.39、45.52 和78.85 万元。因此该项目属于短平快项目，投入产出比最佳，经济效益显著。

3 结束语

公司应用三元流技术对循环水泵改造后，在保证系统的工艺参数没有发生变化的情况下，改善了水泵的运行状况，减轻了汽蚀破坏程度，提高了泵的运行效率，降低了运行电耗，达到了改造目的。三元流叶轮实际上将原泵改变成一种全新的泵，其泵效率最高点对应用户所需的流量、扬程等实际工况，使泵效率得到科学充分的提高。由于不动电机、泵体、泵轴、管线等，改造工作容易实施，实用性强。与上变频、换泵或电机等方法比，投资省、见效快。更换三元流动理论设计的高效率叶轮，无论对工频泵或变频泵都是行之有效的节能技改方案，其投入产出比最佳。综上所述，在水泵实际工况与设计工况不吻合的情况下，或随着生产需要增减水量的情况下，利用三元流叶轮技术，达到新工艺要求和节能目的，是投资少，见效快，便于实施的水泵节能新举措，值得借鉴和推广。同时，对其他老的循环系统的节能改造有良好的借鉴意义。

［1］刘殿魁.离心泵内具有射流—尾迹模型的三元流动计算［J］.工程热物理学报，1986，7(1):5-6.

［2］王建立，张小玲.三元流叶轮在循环水系统中的应用［J］.河北化工，2007，30(8):52-53.