時(shí)刻了解控制水泵的不穩定和影響注水泵耗能的因素

2019/10/22

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      主要從設計角度出發(fā)，弄清這些小流量不穩定的形成機理并分析其影響因素，從而來(lái)指導低比轉速高速誘導輪離心泵的設計，使高速離心泵的揚程流量特性線(xiàn)H~Q不存在正斜率上升段，即高速離心泵具有很好的小流量工作穩定性。

水泵 特性

  產(chǎn)生不穩定現象的機理

  產(chǎn)生小流量不穩定現象的原因主要是誘導輪進(jìn)口前緣外徑處產(chǎn)生的回旋流、離心輪進(jìn)口的回流、葉輪流道里的二次流、葉輪流道內的尾跡-射流結構與流動(dòng)分離、以及葉輪與蝸殼聯(lián)合工作時(shí)出現的葉輪出口二次流等。這些因素的存在，一方面影響了高速離心泵的流場(chǎng)分布，另一方面又消耗了很大的能量，致使小流量區的揚程和效率下降，因此就很容易使高速離心水泵特性線(xiàn)出現正斜率上升段，從而使高速離心泵在小流量工況下產(chǎn)生不穩定現象。下面就對這幾種不穩定因素的產(chǎn)生機理進(jìn)行闡述。

  1.進(jìn)口回流產(chǎn)生的機理

  關(guān)于葉輪進(jìn)口回流產(chǎn)生的機理國內外許多學(xué)者作了研究。Stepanoff是較早對離心泵葉輪進(jìn)口回流機理進(jìn)行研究的學(xué)者之一，他認為液體流動(dòng)是靠能量坡度維持的，在流量降低到了接近零時(shí)，由于液體慣性力的作用，葉輪有可能使其進(jìn)口周?chē)膱A周速度增加，因此管壁附近的能量增加，這使得維持液體沿流線(xiàn)流動(dòng)所必須的能量坡度不在存在，因此就在葉輪進(jìn)口附近的液流發(fā)生倒流。Fraser認為離心揚程對于給定的葉輪直徑和流量來(lái)說(shuō)是不變的，而動(dòng)揚程是流量的函數，在揚程流量曲線(xiàn)上某些點(diǎn)，動(dòng)揚程一旦超過(guò)離心揚程，那么在這些點(diǎn)壓力梯度反向，導致了流動(dòng)方向相反，即產(chǎn)生回流現象。文獻3從理論和實(shí)驗兩方面分析了低比轉速離心泵葉輪進(jìn)口回流產(chǎn)生的機理，認為旋轉速度分量是葉輪進(jìn)口回流產(chǎn)生的主要原因，并指出回流是導致小流量不穩定現象的主要原因。

  由于設計人員在設計低比轉速高速誘導輪離心泵時(shí)往往采用正沖角方法，即為了保證誘導輪產(chǎn)生的揚程能夠滿(mǎn)足離心輪進(jìn)口的能量要求，取誘導輪葉片進(jìn)口角大于液流角，同時(shí)為使離心輪獲得較好的汽蝕性能，也取其葉片進(jìn)口角大于液流角；另外為了獲得較高的效率，在設計超低比轉速高速誘導輪離心泵時(shí)普遍采用加大流量設計，這就使運行工況下的實(shí)際液流角小于設計工況下的液流角，這樣就使誘導輪和離心輪進(jìn)口前緣都具有不均勻的圓周速度分量，從而產(chǎn)生繞流線(xiàn)的旋渦。因此誘導輪和離心輪的進(jìn)口回流實(shí)際上也就是由于旋轉葉片邊緣處的液流圓周分速不均勻引起的，是包含垂直于軸面的旋渦和繞流線(xiàn)旋渦的回漩流。

  2.離心葉輪流道中的二次流與分層效應

  現在的流場(chǎng)分析與流動(dòng)測試研究已表明離心葉輪流道內的流動(dòng)基本上是由相對速度較小的尾流區和近似于無(wú)粘性的射流區所組成，尾流區緊貼在葉輪的前蓋板和非工作面上，尾流區愈寬，射流-尾流之間的剪層愈薄，兩者之間的速度梯度愈大，意味著(zhù)射流-尾流結構愈強，葉輪內的損失也就愈大。尾流的形成與發(fā)展是邊界層的發(fā)展、二次流的發(fā)展、流動(dòng)分離和分層效應等因素相互影響相互促進(jìn)而形成的。

  關(guān)于二次流的形成及其對尾跡的影響，國內外許多學(xué)者作了研究，定性來(lái)講可用下式來(lái)分析葉輪旋轉流道中的二次流：

  EMBEDEquation.2(2-1)

  上式中的EMBEDEquation.2為旋轉滯止壓力，EMBEDEquation.2為相對流線(xiàn)的旋轉分量，EMBEDEquation.2分別為I對次法線(xiàn)方向和旋轉軸方向的偏導數。上式表明相對流線(xiàn)方向的旋渦是由兩個(gè)因素產(chǎn)生：一是為具有半徑Rn的流線(xiàn)曲率，另一是旋轉角速度ω引起的。

  旋轉滯止壓力I是動(dòng)壓力EMBEDEquation.2和折算靜壓力EMBEDEquation.2之和，粘性的作用使I下降。由于在葉輪流道旋轉邊界層內存在較大的相對速度梯度，因此具有均勻折算靜壓的邊界層內I的最小值出現在壁面上，其值等于p*。

  考慮葉輪流道的B-B流動(dòng)，假設由于進(jìn)口管壁面的摩擦已經(jīng)產(chǎn)生了如圖所示的速度剖面，考慮B-B的流道的一個(gè)流面ABCD，靠近葉輪流道外直徑的A點(diǎn)，流線(xiàn)曲率由葉片曲率產(chǎn)生，次法線(xiàn)方向的旋轉壓力梯度是由前蓋板邊界層損失引起的，第一項產(chǎn)生的正的流線(xiàn)方向的旋轉分量EMBEDEquation.2。而在靠近內直徑處的B點(diǎn)，引起負的EMBEDEquation.2，其結果是形成前蓋板及后蓋板表面邊界層上的二次流，使前、后蓋板表面邊界層內的低I微團流到非工作面上，并且從連續性出發(fā)也把工作面上的低I微團驅趕到非工作面上去，這樣就增厚了非工作面上的邊界層。由于I梯度與ω幾乎垂直，由式(2-1)的第二項引起的二次流較小。由于在葉輪出口處的C、D兩點(diǎn)位于流道的徑流部位，因此主要由第二項引起如圖所示方向的正、負EMBEDEquation.2和二次流，這樣也就把前、后蓋板邊界層內低能微團驅趕到非工作面上去，增加了非工作面上的邊界層。

  將同樣的分析方法應用于子午平面內，當流線(xiàn)由軸向向徑向拐彎時(shí)，在工作面和非工作面邊界層上形成二次流旋渦，它們把工作面和非工作面上邊界層內的低I微團驅趕到前蓋板上，增厚了前蓋板表面的邊界層。

  上面分析可以得出產(chǎn)生流線(xiàn)方向上二次流旋渦有三個(gè)來(lái)源：

  1)彎曲葉片；它使流動(dòng)從進(jìn)口沖角方向轉到軸線(xiàn)方向，把前、后蓋板表面上邊界層內的低I流體微團驅趕到非工作面上，由于工作面邊界層內的低I流體微團是不穩定的，因此也被驅趕到非工作面上。

  2)軸向向徑向拐彎；由于子午面上前后蓋板型線(xiàn)存在曲率，把工作面和非工作面以及后蓋板表面上邊界層內的低I流體微團轉移到前蓋板表面。

  3)旋轉；隨著(zhù)流動(dòng)從軸向到徑向，旋轉對二次流旋渦的貢獻不斷增加，哥氏力產(chǎn)生的二次流使低I流體從前、后蓋板表面以及不穩定的工作面表面的低I流體轉移到非工作面上

  由于分層效應的影響，使高能流體微團在工作面和后蓋板一側積聚，促使來(lái)流速度加快，并且邊界層增長(cháng)緩慢，減少了分離傾向。而在非工作面和前蓋板一側則有低能流體微團積聚，從而降低了來(lái)流速度，加劇了邊界層增長(cháng)，助長(cháng)了邊界層分離傾向。

  3.尾流-射流結構與流動(dòng)分離

  上面已經(jīng)提及離心葉輪通道內的流動(dòng)基本上是由相對較小的尾流區和近似于無(wú)粘的射流區組成，考慮到真實(shí)流體的粘性作用，在B-B通道的工作面和非工作面都形成了邊界層，在葉片曲率以及旋轉的作用下，非工作面上的邊界層由于二次流的影響越來(lái)越厚，有容易在某一小流量下發(fā)生失速現象，從而導致邊界層分離。

影響因素 

  1.1壓力與單耗關(guān)系

  1.1.1無(wú)壓負荷時(shí)的單泵單耗從統計結果可以看出，無(wú)壓負荷的情況下，隨著(zhù)泵壓的升高，單耗值是隨著(zhù)上升的，泵壓越高，單耗增長(cháng)越大。其中DF300泵在正常運行過(guò)程中，一般泵壓值最低在15.4MPa.

  1.1.2壓負荷時(shí)的單泵單耗。從統計結果可看出，壓負荷的狀態(tài)下，單泵單耗隨泵壓升高，也就是隨著(zhù)壓負荷程度的加深，單耗值上升越快且大于不壓負荷時(shí)的上升速度。其中，DF300泵一般最高泵壓不超過(guò)16.0MPa.

  1.1.3泵壓影響注水單耗的主要原因。從以上統計結果可以看出，單耗值雖然由耗電量除以注水量得出。但由于泵站泵壓控制可直接影響注水泵的注水量與耗電量，因而也就影響了注水單耗的大小，這樣就可以從分析泵壓變化的原因入手，找到能夠降低注水單耗的方法和途徑。不壓負荷的情況下，引起泵壓升高的主要原因是運行泵的供水量略大于系統所需污水量，干壓偏高，泵壓也隨著(zhù)升高，但通常泵壓不會(huì )升高太多。壓負荷泵壓升高的主要原因是：a.污水罐水位偏低，注水泵壓負荷運轉；b.管線(xiàn)施工，降低干線(xiàn)壓力，壓低負荷；c.啟用注水泵排量大于需求量。從上面的分析可以看出，做好泵站泵壓控制工作，提高設備維護保養質(zhì)量和及時(shí)性是降低注水單耗的有效途徑。因此在實(shí)際工作中，根據注水泵站生產(chǎn)運行特點(diǎn)，采取了一系列措施。

  1.2注水泵維護保養與單耗的關(guān)系

  對于設備來(lái)說(shuō)，過(guò)硬的維護保養也是影響設備運轉性能的關(guān)鍵因素，因此需統計設備保養前后相同壓力條件下的單耗。取設備二保前后一段時(shí)問(wèn)不同壓力段的單耗，設備保養后的單耗值略高于未保養前的，說(shuō)明高質(zhì)量的維護保養有利于控制注水單耗。

  1.3吸入口壓力與單耗的關(guān)系

  注水泵吸入口壓力通常變化不大，但當注水泵吸入口濾網(wǎng)堵塞時(shí)，會(huì )造成壓力過(guò)低，泵吸入量不足，泵體聲音異常，震動(dòng)量變大，引發(fā)泵氣蝕。以DF300泵為例，統計分析了注水泵在吸入壓力變化時(shí)單耗的變化。高一聯(lián)注水站在2006年8月由于管線(xiàn)聯(lián)頭是的污水系統管線(xiàn)停產(chǎn)，是的1000立污水罐液位過(guò)低，吸入壓力下降，設備運轉性能和技術(shù)參數降低，通過(guò)當時(shí)的數據對比可以看出，單耗值隨著(zhù)吸入壓力的降低大幅度升高，說(shuō)明吸入壓力降低對注水單耗有直接影響。

  1.4注水泵管壓差與單耗的關(guān)系

  由于正常運行時(shí)高臺子油田每日的水井注水量固定，所以需要保證注水管網(wǎng)壓力穩定，當泵壓過(guò)高時(shí)勢必引起管壓升高，這是就需要關(guān)小注水泵出口閥門(mén)使得管壓保持穩定，這樣就會(huì )造成能量的浪費。很顯然泵管壓差越大單耗就越高。

  2降低注水單耗的措施

  對于泵站來(lái)說(shuō)，降低要注水單耗必須要保證注水泵運行的平穩，同時(shí)要啟運單耗低的注水泵。泵站的注水單耗肯定低，但很多時(shí)候高臺子油田的注水量及管網(wǎng)壓力需求并不固定，而使用固定注水泵額定排量固定，存在一定的局限性，因此可能由于注水量的變化使得原來(lái)的高效泵效率降低單耗升高。為了解決這一問(wèn)題我們采取了如下的一些措施：

  2.1控制大罐液位，平穩吸入壓力根據實(shí)際情況的需求我們要求操作工日常將注水1000立罐控制在5.5m到7m左右使得注水泵入口壓力平穩  2.2提高設備維護保養質(zhì)量在規定的保養時(shí)問(wèn)內，嚴格按照操作規范進(jìn)行設備保養，發(fā)現設備運轉存在問(wèn)題，例如：震動(dòng)量變大，溫度升高和聲音異常等情況及時(shí)上報，及時(shí)解決。

  2.3潤滑油中添加耐磨劑，提高潤滑油潤滑效果和使用壽命。

  2.4加強運行機組運轉參數監測為及時(shí)掌握注水泵機組的運行狀態(tài)，給泵站配備了紅外線(xiàn)測溫儀和震動(dòng)測試儀，要求每天對運行機組的軸瓦溫度，軸瓦震動(dòng)量及底座震動(dòng)量等有關(guān)參數進(jìn)行2次檢測，發(fā)現異常及時(shí)處理。

  2.5使用新式的泵控泵變頻控制系統2008年為了優(yōu)化注水系統，降低注水單耗我們投產(chǎn)了一一套前置泵控泵變頻控制注水系統。前置泵低壓變頻調速技術(shù)是基于雙泵的串聯(lián)，通過(guò)對前置泵的變頻控制來(lái)是注水泵的工作點(diǎn)始終達到最高泵效，從而使系統效率最高，達到節能的目的，也使系統運行參數可以進(jìn)行智能調節。注水泵與增壓泵串接，通過(guò)小變頻調速系統調節小功率增壓泵，實(shí)現對大功率注水泵的調節和控制；它實(shí)質(zhì)上是信號放大的功能，實(shí)現系統壓力，流量可調。該系統由一臺注水泵和一臺增壓泵，注水泵驅動(dòng)電機，增壓泵驅動(dòng)電機及保證運行的潤滑系統，水冷卻系統，供電系統，儀表測控系統，低壓變頻調速系統，計算機控制系統等組成。小功率增壓泵為注水泵提供吸入壓力，使兩泵恰當匹配；并通過(guò)計算機，儀表系統，變頻調速系統調節使高效區行范圍很窄的注水泵工作在高效區計算機系統實(shí)現自動(dòng)監控，依注水工藝要求（地層情況）實(shí)現大閉環(huán)優(yōu)化運行；實(shí)現系統效率提高。由于主泵一部分功能由小泵（增壓泵）來(lái)負擔，由于高壓泵（大泵）和一個(gè)中低壓泵（小泵）在同一流量下，中低壓泵的功耗要小很多，特別是主泵拆級后，節能更為顯著(zhù)。也就是說(shuō)大泵（注水泵）節下來(lái)的能量用于小泵還有富余，實(shí)現能耗降低

  3措施效果

  通過(guò)泵站管理過(guò)程中采取的降低注水單耗的措施，注水站的注水單耗一直在計劃內運行。特別是投產(chǎn)運行了前置泵控制系統后，由于主泵一部分功能由小泵（增壓泵）來(lái)負擔，由于高壓泵（大泵）和一個(gè)中低壓泵（小泵）在同一流量下，中低壓泵的功耗要小很多，特別是主泵拆級后，節能更為顯著(zhù)。也就是說(shuō)大泵（注水泵）節下來(lái)的能量用于小泵還有富余，實(shí)現能耗降低，注水單耗由原來(lái)的5.8降為5.2kwh/m3。大大降低了注水耗電。