張雪蕊

（廣州市自來水有限公司 西村水廠）

0 引言

我國泵工業(yè)起步于20世紀(jì)初，發(fā)展于80年代。泵站作為水的唯一動(dòng)力來源，是重要的工程器械，它在水資源的調(diào)度、治理中起著不可替代的作用。同時(shí)，泵站在防洪排澇和抗旱減災(zāi)、以及工農(nóng)業(yè)用水和城鄉(xiāng)居民生活供水等方面發(fā)揮著重要作用。

節(jié)能減排已經(jīng)成為中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃綱要的主要內(nèi)容，尤其對(duì)電力、鋼鐵、有色、石油化工、水處理等工業(yè)領(lǐng)域高耗能企業(yè)提出了更加嚴(yán)格的要求。水泵作為工業(yè)核心流體輸送設(shè)備占據(jù)著耗能的主要部分，臥式中開離心泵是應(yīng)用較為廣泛的泵型，特別是在市政自來水行業(yè)的取送水方面，發(fā)揮著極其重要作用，自來水廠的臥式中開離心泵普遍都是20世紀(jì)90年代的國產(chǎn)品牌產(chǎn)品，效率低下，運(yùn)行不穩(wěn)定，維護(hù)困難，已經(jīng)不滿足現(xiàn)在的使用和節(jié)能需求，提高臥式中開離心泵性能已經(jīng)刻不容緩。

1 提高水泵效率的技術(shù)手段

離心泵的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法主要基于水力模型來對(duì)離心泵進(jìn)行優(yōu)化、設(shè)計(jì)，例如：速度系數(shù)法通過對(duì)現(xiàn)有的水力模型庫進(jìn)行歸納統(tǒng)計(jì)，隨時(shí)吸收先進(jìn)模型，及時(shí)優(yōu)化各種速度系數(shù)，是泵設(shè)計(jì)最常用的方法；損失極值法保證設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的流量和揚(yáng)程，通過幾何參數(shù)的最佳組合使泵的總損失最??；基于CFD（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱：計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）的優(yōu)化設(shè)計(jì)法根據(jù)離心泵的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，調(diào)整葉輪和蝸殼的幾何參數(shù)，使得泵內(nèi)流態(tài)較好，以避免漩渦、回流、二次流等不穩(wěn)定流動(dòng)的出現(xiàn)。

隨著水廠系統(tǒng)工況要求的不斷變化，對(duì)于提高水泵運(yùn)行效率的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是不一樣的。因此根據(jù)取水泵站的實(shí)際運(yùn)行工況，來對(duì)提高取水泵組效率的技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，并選擇最優(yōu)途徑，提高取水泵組的工作效率，是水廠系統(tǒng)適應(yīng)供水環(huán)境變化的必要過程。

2 工程實(shí)例

西村水廠日產(chǎn)量達(dá)1.0×106m3/d，所用取水泵組為20世紀(jì)80年代型號(hào)產(chǎn)品，相關(guān)參數(shù)如表1所示。自廣州西江飲水工程完工后，與往年同期相比，廠內(nèi)日均取水量有所增加，因而取水泵組運(yùn)行偏離高效區(qū)，導(dǎo)致泵組能耗升高。雖然近幾年對(duì)該型號(hào)取水泵組進(jìn)行多次葉輪切削、噴涂等手段以期提高其運(yùn)行效率，但不能從根本上降低能耗，因此結(jié)合取水泵組實(shí)際運(yùn)行情況，重新設(shè)計(jì)一款適合西村水廠取水工藝工況的新泵，才是從根本上提高取水泵組效率、降低能耗的根本之法。

表1 原取水泵組參數(shù)

3 解決方案及效果分析

3.1 技術(shù)手段

由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法運(yùn)算復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，無法快速解決西村水廠的迫切需求，因此采用基于CFD的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)取水泵重新設(shè)計(jì)，有利于縮短周期。在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，原有水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)以及新型水泵運(yùn)行期望值對(duì)比如表2所示。

表2 原有水泵及新型水泵數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)運(yùn)行工況需求對(duì)離心泵進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先應(yīng)用solidworks分別對(duì)進(jìn)水、葉輪、蝸殼等部分建立幾何模型并組裝成整體，得到三維流動(dòng)計(jì)算域；再選用四面體單元，應(yīng)用ICEM軟件對(duì)計(jì)算域生成計(jì)算網(wǎng)格；然后采用ANSYS-CFX軟件模擬計(jì)算雙吸泵三維流動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算域進(jìn)、出口分別采用壓力及流量邊界條件（流量大小由泵工況決定）；從而計(jì)算得到的流速分布和靜壓力分布。如圖1、圖2所示。

圖1 流速分布圖

圖2 靜壓力分布圖

在模擬計(jì)算得到流速和靜壓分布后，按照以下公式可預(yù)測(cè)計(jì)算不同流量Q下泵的揚(yáng)程H、軸功率N及效率η：

其中，ρ為水的密度，M、ΔP分別代表水泵扭矩、泵進(jìn)口與出口的總壓差和中心高差。

離心泵工作介質(zhì)為水，湍流模型選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，選用最新的SG型葉輪模型。按Q=4300m3/h、H=9m、n=495r/min改造參數(shù)來計(jì)算新型水泵比轉(zhuǎn)速：

最后求得新型水泵水力模型性能預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。新型水泵葉輪如圖3所示。

圖3 新型水泵葉輪三維優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

表3 新型水泵水力模型性能預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

3.2 效果測(cè)試

根據(jù)西村水廠實(shí)際運(yùn)行工況，以及對(duì)新型水泵進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬測(cè)試得到設(shè)計(jì)新型水泵相關(guān)參數(shù)如表4所示，水泵性能曲線如圖4所示。

表4 新型水泵測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4 新型水泵性能曲線

3.3 運(yùn)行效果

根據(jù)對(duì)取水泵組前后一年的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、歸類、分析、對(duì)比，可得取水泵組在不同揚(yáng)程情況下的運(yùn)行效率及數(shù)據(jù)占比，如圖5、圖6所示。分析數(shù)據(jù)圖可知：與原取水泵組相比，新型水泵揚(yáng)程分布較為集中，且效率區(qū)間高原取水泵組。

圖5 原取水泵組運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

圖6 新型取水泵組運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

4 結(jié)語

根據(jù)目前供水格局和廠內(nèi)運(yùn)行工況，使用基于CFD的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的新型取水泵組，極大縮短了設(shè)計(jì)周期，且由于取水泵組整體性能得到很大提升，因此泵組效率得到一定提升，從而降低了電耗。