离心泵叶轮切割的节能改造方案

谷贺(中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086)

1 离心泵叶轮切割的主要工作影响因素

在化工行业的应用中，离心泵的主要功能为叶轮切割、阀门节流、变频调节等。各个功能中叶轮切割是相对简便的，可叶轮切割的适用范围有限。由于叶轮切割的流量和扬程过大时，会导致离心泵的工作效率降低，一般会将叶轮切割用于小型工程中。在叶轮的工作过程中，对叶轮影响的因素比较复杂，包括直径、出水角、叶片分散程度光洁度以及翼型等。这些因素对离心泵的工作效率有直接影响。叶轮在工作过程中的变动会影响到离心泵的工作效率与工作质量，对叶轮的优化以及节能技术的改造已经成为提高离心泵工作效率的方式，能够提高工厂的生产工作效率，提升工厂的经济效益。

2 离心泵叶轮切割的节能改造方案

2.1 离心泵基础数据

以A工厂内部某部门的离心泵为例，其中离心泵共269台，以机泵(P-03)为例，其设计流量为245 m3/h、转速1475 r/min、设计扬程117 m、入口压0.58 MPa、出口压1.18 MPa、叶轮直径为210 mm。在实际工作时，正常运转的体积流量为200 m3/h，出口阀开度达到40%，入口压0.7 MPa、出口压1.3 MPa。工艺最大时流量达到250 m3/h，出口阀开度达到50%，此时电动机的额定转速功率为55 kW，吸液面高约6.2 m，排液面压位1.1 MPa，排液面高约45.2 m。

2.2 管路特性计算

设静压头为Hpot，静压头的求解需要吸液面与排液面到泵轴的距离数据HA和HB，以及吸液面与排液面上的压力数据PA和PB[1]。将两者之间代泵轴的距离数据和两者之间的压力数据分别相减，得出的两个数值相加，就是静压头的数值。

2.2.1 吸入管路

该管路中，管直径为200 mm，管长为83 m，其中90°的弯头3个、闸阀1个、1个过滤器、1个三通。设置操作流量为58.3 m3/h，管径为200 mm，流速为0.52 m3/s，介质摩擦系数一般为0.02。之后进行沿程管路的损失计算将得出的介质摩擦系数与管长和压力相乘，再将其中的数值除以2倍的管路距离，得出的数值即为吸入管路的损失系数。

之后对局部管路损失进行计算，将局部阻力系数除以2，便等于介质摩擦系数与管长和标准压力连乘之积除以2，得出局部管路损失的具体数值。最后将沿程管路损失数值与局部管路损失数值相加，就能够得出吸入管路的总压力值。

2.2.2 排出管路

排出管路的数值计算中，设置其管径200 mm，管长30 m，14个90°弯头以及4个闸阀。将操作流量控制在250 m3/h，管径为200 mm的情况下，介质流速会达到2.21 m3/s，介质摩擦系数为0.02。在该类数据的基础上，排出管路的沿程管路损失数值先求出介质摩擦系数与管长和介质流速的平方三个数值相乘的积，之后用该数值除以2倍的管路距离，得出沿程管路损失数值[2]。

在局部管路的损失数值计算中，和吸入管路相同，将局部阻力系数与标准压力和管流速的平方相乘，得出的数值除以2，就能够得出局部管路的损失数值。最后将沿程管路损失数值和局部管路损失数值相加，就得出排出管路的整体损失数值。

2.2.3 换热器能头损耗

在离心泵的冷水区到热水区的过程中，会经过换热器E-102。离心泵工作中产生的流体不洁净，在与换热器进行接触后会在换热器表面形成污垢。由于污垢导热效果并不好，因此换热器的热量传导效果也会下降，导致换热器的热量转换不及时，引起离心泵工作的效率降低。在离心泵工作的过程中，需要将换热器的压力数值进行调整，以更加精确的数值进行换热器的压力计算。初步将换热器的压力定为0.3 MPa，出口阀门的开口程度约为2/3，换热器的压力数值再次下降0.1，最终换热器压力数值为0.2 MPa。管路总损失已经得知，在进行换热器能头损耗的计算过程中，需要总损失数值除以标准气压的数值，最终得出管总阻力系数和管路特性数值。

这是对于调节阀在正常开放时间进行的管路特性计算，但在调节阀开度为50%的时候，管路特性就会发生改变。在调节阀全开的情况下的管路特性和50%开度调节阀下的管路特性相比要更加平缓一些。根据管路特性和静态力的相关关系能够得知，在调节阀为50%开度的时候，可以将静态力除以调节阀全开总管路特性的平方，得出最终的管路特性数值。

2.3 泵比转速的确认

比转数是离心泵在工作时的参数分析，离心泵工作中，比转数不受流体性质以及流速的影响，和叶轮的相关系数有着密切的关联。当比转速的数值升高时，离心泵的流量增大，而扬程相应减少。比转数的数值大小变化与离心泵工作中的效率和相关数据的变动有着密切的联系，对于比转数的确认是对于离心泵叶轮切割节能改造的关键环节。在比转数的计算确认中，要求得泵的额定转速、泵的额定流量以及泵的额定扬程几个数据，将泵的额定流量开方后与泵的额定转速相乘，得出的积除以泵额定扬程的3/4个立方，最终的数值再乘以3.65，就能够得出最终泵的比转数。其中要注意的是，离心泵中有多级泵的类型，此时的泵的额定扬程也应取相应级数。

离心泵的比转数与叶轮切割量有着联系，在进行比转数的确认后，还可以得出比转数与叶轮切割量之间的关系，两者之间呈现反比例关系，当比转数逐渐提高时，叶轮最大切割量的数值会逐渐减小。

2.4 优化泵叶轮

对离心泵叶轮的具体数据和工作模式进行优化，需要对离心泵叶轮的几何参数有了解。以离心泵的三坐标数据为基准，对叶轮的各方面数据进行调整，包括叶轮直径、叶片面积、流道宽度以及出口角等。之后将叶轮微调后的数据以科学手段进行推导，对叶轮经过微调后的数据进行模拟与分析，得出最合适的叶轮切割数值，从而实现离心泵叶轮切割的节能改造。在进行离心泵叶轮切割的改造优化时，应注意三点。第一点就是对叶轮外形的调整，能够影响到叶轮外形的数据包括叶轮直径、叶轮外径、入口直径等。第二个就是叶轮的几何尺寸，在叶轮进行优化后，由于外形改变，叶轮直径以及叶轮流道宽度发生改变，导致离心泵的相关数值也发生改变，比如扬程和流量都有所减小，但是在离心泵工作过程中，相关的数据需要保持改变前的数值才能够保证离心泵正常工作。第三个因素是对叶轮进行精加工，在叶轮进行铸造安装时，要对叶轮的表面进行打磨，保证叶轮的表面光滑，避免工作时发生卡壳故障。叶轮内部要进行精加工，喷涂光滑喷剂，让叶轮的工作摩擦力减小，增加流体经过叶轮时的流量，减小流体通过损失，节省资源，提高工作效率。

2.5 降低离心泵级数

在离心泵工作时，会有多级离心泵的类型。该种离心泵层级更多，叶轮数量也更多，在工作时会产生更大的阻力，增加耗电量。但如果对离心泵的层级进行降低，较少离心泵的叶轮数量，就会降低离心泵的扬程，降低离心泵的工作效率。想要实现离心泵叶轮节能，同时还能保证离心泵叶轮的层级减少，降低离心泵在工作时的耗电量，需要先确定基础的离心泵叶轮数量，之后再对离心泵叶轮的数量层级进行减少。因此要对离心泵的保证正常工厂运转时的基础数值进行计算，得出准确的叶轮数量需求数值后，对离心泵叶轮进行抽级处理，减小电量消耗，达到节能效果。

2.6 优化电机设备

电机设备是离心泵中的动力型装置，能够通过高速的转动将离心泵中的污水甩出。电机作为离心泵工作中的主要动力，对其进行升级改造，能够节省离心泵工作时消耗的电量，促进离心泵的工作效率。一般对电机进行优化时都会采用变频器进行电机进行升级优化。变频器对电机进行调节优化的原理就是将电机频率进行调节，降低离心泵的比转数，降低离心泵在工作过程中的能源消耗。在离心泵的变频器电机调节优化过程中，要对电机变频数值进行计算。其中流量和比转数的关系为倍率关系，实际流量的数值要通过将额定转速除以实际转速的数值，得出的数值和额定流量再次相乘，得出最终的实际转速数值。对于实际扬程的数值也需要进行计算，通过额定转速的数值除以实际转速的数值，将得出的数值和额定扬程的数值互乘，就能够得出实际扬程的数值。将实际扬程的数值以及实际流量的数值得出之后，就能够对电机变频的具体数值进行估算。

由以上的数值能够得出，当电机电流变频为30 Hz时，运行电流量下降了73%，当电机变频达到25 Hz时，变频电流的下降达到了85%，当电机变频的电流达到了20 Hz时，运行电流的下降比例达到了88%。通过对电机进行变频器的安装与使用，电机对于离心泵叶轮工作时的电力能源节约效果显著。在单级离心泵的电机加装了变频器后，在保证离心泵正常工作的基础上，降低了运行中产生的噪音、解决了电流流动过多产生的过载问题，提升了离心泵的使用寿命，节省了维修成本。

2.7 离心泵叶轮故障处理

离心泵在工作过程中，由于流体中含有的杂质较多，经常会堵塞在离心泵的内部零部件中，造成离心泵叶轮出现故障。这种情况会导致正在进行生产的工作被迫停止，还造成化工厂的设备受损，经济利益受到影响。在离心泵的叶轮选择时，要注意叶轮的工作环境，如果叶轮工作环境中的流体所含杂质较少或过滤网孔径较大，就可以正常选用叶轮，但如果生产的环境相对不理想，而且流体中含有的杂质较多，就需要使用体积量更大的离心泵。更换N形叶轮能够有效地防止离心泵发生类似的事故，因为N形叶轮具备插入式结构，对堵塞缠绕事故的应对性良好，而且N型叶轮在工作时具有较小风阻，发出的噪音也相对较小，能够提升离心泵工作时的效率，有效降低了离心泵叶轮在工作时发生故障的概率。

2.8 改造结果和节能计算

在经过对离心泵叶轮进行改进升级之后，离心泵的工作效率以及节能作用有了大幅度的提升。实际运行离心泵的时候，其流量数值为58.3 m3/h，根据该数据，改造前叶轮到泵轴的距离为247 m，调节阀的开度为48%，改造后的叶轮到泵轴的距离为193 m，调节阀的开度为47%。在电机输送电流为82.29 A，输入功率为47.16 kW时，叶轮在改造后的流量数值变动到了195 m3/h，电机电流达到66.84 A，电机输入功率为37.37 kW。电机电流有所下降，实现了电量节省。在离心泵的流量为170 m3/h的情况下还能够再次降低电机的电流以及输入功率，节能比例预计约达到29%。在日常工作过程中，离心泵由原来的每次工作开启6台降低到了每次工作开启4台，节约了能源的消耗，生产效率提升到了24.3%。

进行离心泵的叶轮切割改造之后，离心泵的扬程出现明显下降。在调节阀全开的情况下，离心泵的流量能够达到210 m3/h，提升了离心泵的生产效率。在叶轮切削的过程中，对叶轮也进行了养护与维修。由于工作过程中流体具有一定腐蚀性，加上流体中杂质的影响，导致在离心泵中叶轮的磨损腐蚀程度比较严重。在切削过程中，对离心泵的叶轮进行了腐蚀部分的切割去除，并在进行切削后对叶轮进行了光洁度喷洒，表面上进行了防腐蚀的防护养护技术施用。保证离心泵在工作过程中不被流体中的腐蚀成分影响，不出现磨损故障，也能够在一定程度上保证离心泵叶轮工作过程中对能源的消耗。此次离心泵叶轮切削减少了离心泵工作过程中出现的问题，全年节省大约32.1万元的维修费用。电机变频对于对按量节省每年约达到173 338 kW·h，按照0.6元/kW·h计算，节约电费约10.4万元，实现了节能的同时促进了化工厂经济效益的最大化。

3 结语

在现今工业生产中，离心泵是被广泛使用的流体输送设备，对化工行业的生产起到了增进生产效率的作用。在离心泵应用中，叶轮切割是比较主要的影响部分，能提升离心泵实现工作效率。对叶轮切割技术进行节能技术改造，能够提高离心泵的工作效率，降低离心泵在工作时的能源消耗。