离心泵与复杂管系系统优化与节能改造研究
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【摘要】针对黄金带炼油厂目前大多数的离心泵运行效率低的现状，收集泵与管路实际运行数据及工艺要求，应用测量仪对泵所配电机的运行数据进行测试，对电机运行情况进行标定。再根据现场工艺参数及管路的布置，绘制离心泵与管路系统的装置特性图。找到满足生产工艺要求的系统最佳工作点。并使用大型流场模拟计算软件对离心泵内的流体流动情况进行数值模拟，从而得出最佳的叶轮型线和最佳的叶轮切割尺寸，使离心泵能够适应当前运行工况。通过技术分析和技术经济性分析，给出最佳的离心泵改造方案，降低泵的电耗。
【关键词】离心泵；效率；数值模拟；改造
Focusing on the current situation of massive inefficiency of centrifugal pumps; the requirement of pump and pipeline operation data and techniques, admeasuring apparatus has been applied to test operating data of pump-related motors and to demarcate the oprationg situation of motors mentioned above. Thereafter centrifugal pump and piping system have been designed according to technical parameters on site and allocation of pumplines. Meanwhile, the optimal operationg spot has been found out.We also utilize large-scale software to numerically stimulate fluid flow of centrifugal pump. In this way, we have found out the optimal impeller type line and optimal impeller cutting size, which in this case fercilitate centrifugal pump to adapt the current operating condition. Finally we have found optimal modification to the centrifugal pump, which reduce the electricity consumption of pumps, by utilizing technical analysis and technical-economic analysis. KEYWORD:centrifugal pumpsefficiencynumerical simulationtransform
中图分类号：TH311
一、立项的必要性
在对黄金带炼油厂的现场实际调查中发现，大多数的离心泵运行效率低，其主要原因有：
（一）由于生产方案和加工量是按照国家要求而经常变化的，装置负荷率波动较大。
（二） 在我国大多数工厂中，尤其离心泵进出口压力经常改变的情况下，离心泵基本都是在低效率工况下运行，造成了能源的大量浪费。
（三）工程设计中由于要求动力设备适应的范围较大，泵和电机选得过大，结果使真正操作点远不能达到最佳效率。
（四）国产水泵与国际先进的水泵相比，平均效率低5％～10％，污水泵平均效率低20％～30%，加上系列不全，选用时被迫以大代小，效率就更低了。
（五）泵与管路缺少系统优化。
（六）炼油厂中70％的机泵是在变工况下运行的，电机负载率一般在60％～70％，平均功率因数低于0.81左右。
鉴于以上原因，改变黄金带炼油厂泵目前的运行状况已势在必行。
本课题完成后，将提高黄金带炼油厂离心泵综合运行效率，节能效果明显，研究成果在石油行业具有重大的推广和应用前景。
二、项目完成情况的总结
（一）计划任务书的内容
1、主要研究内容
（1）现场采集离心泵的基础数据，绘制管路单线图，并收集泵与管路实际运行数据及工艺要求。
（2）应用电动机经济运行测量仪对离心泵所配电机的运行数据进行测试，对电机运行情况进行标定。
（3）根据现场工艺参数及管路的布置，通过应用计算机，模拟得出现场管路特性曲线与泵的性能曲线，绘制离心泵与管路系统的装置特性图。分析建立泵与管路组成的系统的优化运行数学模型，找到满足生产工艺要求的系统最佳工作点。
（4）使用大型流场模拟计算软件CFD对离心泵内的流体流动情况进行数值模拟，从而得出最佳的叶轮型线和最佳的叶轮切割尺寸，使离心泵能够适应当前运行工况。
（5）通过技术分析和技术经济性分析，给出最佳的离心泵改造方案，降低泵的电耗。
（二）技术考核指标
1、分析离心泵与复杂管系系统特性，绘制出泵与管系系统的特性曲线；
2应用计算机进行软件编程，建立准确的离心泵与复杂管系系统优化运行分析数学模型；
3、应用流体计算软件模拟分析离心泵内流体的真实流场，分析数值模拟结果并得出最佳的叶轮型线和最佳的叶轮切割尺寸。
5、提高计划改造离心泵的整体工作效率不低于7％。
三、离心泵系统优化节能方法
对离心泵进行设计时不仅应该考虑设计工况下的高效率，同时还要满足非设计工况下使用时的可靠性。因为在设计工况下工作时，流体通过离心泵各个过流部件的流动是处于最佳状况的，理论上可以认为是理想流动。但是偏离设计工况时，由于真实流体的粘滞性，在泵内将会产生漩涡、回流、失速和脱流。根据流态的变化，把离心泵Q-H曲线划分成五个区：
（一）设计工况区:设计工况区就是我们所说的高效范围，泵内流动特点基本上是假设的理想状况。在这个区域内，叶轮入口周向分速度Ｃu1=0,也就是说叶片入口安放角βＡ1等于液体流入叶片时相对圆周方向的流动角β1。当流量大于或小于这一流量时，将会使Ｃu1≠0。
（二）大于设计流量区:通常是指大于上临界流量至1.2倍最佳工况点流量。
（三） 小于下临界流量区:从下临界流量至减小流量时叶片背面产生脱流的区域。
图2-1脱流时的小流量
（四） 小于3)区流量的区域:从叶片背面产生脱流的小流量至靠近叶轮前盖板处产生回流的流量区域。
图2-2前冠的进口产生回流
（五）小于4)区流量的区域:从靠近叶轮前盖板处产生回流的流量至关死点的区域。在关死点时，叶轮内在进出口处产生两个回流。
性能曲线上除了设计工况区以外的其它区域为非设计工况区。在非设计工况区运转的叶片泵，泵内流动复杂，远不像设计工况时所假设的理想流动状况，这时可能伴有噪声、振动和其它现象；油泵运行不稳定，甚至出现故障。所以，必须关注这些问题，使离心油泵在非设计工况时能够高效、安全和可靠地运转。