時(shí)刻了解控制水泵的不穩(wěn)定和影響注水泵耗能的因素

2019/10/22

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      主要從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，弄清這些小流量不穩(wěn)定的形成機(jī)理并分析其影響因素，從而來指導(dǎo)低比轉(zhuǎn)速高速誘導(dǎo)輪離心泵的設(shè)計(jì)，使高速離心泵的揚(yáng)程流量特性線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(wěn)定性。

水泵 特性

  產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象的機(jī)理

  產(chǎn)生小流量不穩(wěn)定現(xiàn)象的原因主要是誘導(dǎo)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(nèi)的尾跡-射流結(jié)構(gòu)與流動(dòng)分離、以及葉輪與蝸殼聯(lián)合工作時(shí)出現(xiàn)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分布，另一方面又消耗了很大的能量，致使小流量區(qū)的揚(yáng)程和效率下降，因此就很容易使高速離心水泵特性線出現(xiàn)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(wěn)定現(xiàn)象。下面就對(duì)這幾種不穩(wěn)定因素的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行闡述。

  1.進(jìn)口回流產(chǎn)生的機(jī)理

  關(guān)于葉輪進(jìn)口回流產(chǎn)生的機(jī)理國內(nèi)外許多學(xué)者作了研究。Stepanoff是較早對(duì)離心泵葉輪進(jìn)口回流機(jī)理進(jìn)行研究的學(xué)者之一，他認(rèn)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)口周圍的圓周速度增加，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(rèn)為離心揚(yáng)程對(duì)于給定的葉輪直徑和流量來說是不變的，而動(dòng)揚(yáng)程是流量的函數(shù)，在揚(yáng)程流量曲線上某些點(diǎn)，動(dòng)揚(yáng)程一旦超過離心揚(yáng)程，那么在這些點(diǎn)壓力梯度反向，導(dǎo)致了流動(dòng)方向相反，即產(chǎn)生回流現(xiàn)象。文獻(xiàn)3從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面分析了低比轉(zhuǎn)速離心泵葉輪進(jìn)口回流產(chǎn)生的機(jī)理，認(rèn)為旋轉(zhuǎn)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(dǎo)致小流量不穩(wěn)定現(xiàn)象的主要原因。

  由于設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)低比轉(zhuǎn)速高速誘導(dǎo)輪離心泵時(shí)往往采用正沖角方法，即為了保證誘導(dǎo)輪產(chǎn)生的揚(yáng)程能夠滿足離心輪進(jìn)口的能量要求，取誘導(dǎo)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(shè)計(jì)超低比轉(zhuǎn)速高速誘導(dǎo)輪離心泵時(shí)普遍采用加大流量設(shè)計(jì)，這就使運(yùn)行工況下的實(shí)際液流角小于設(shè)計(jì)工況下的液流角，這樣就使誘導(dǎo)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)生繞流線的旋渦。因此誘導(dǎo)輪和離心輪的進(jìn)口回流實(shí)際上也就是由于旋轉(zhuǎn)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旋渦的回漩流。

  2.離心葉輪流道中的二次流與分層效應(yīng)

  現(xiàn)在的流場分析與流動(dòng)測試研究已表明離心葉輪流道內(nèi)的流動(dòng)基本上是由相對(duì)速度較小的尾流區(qū)和近似于無粘性的射流區(qū)所組成，尾流區(qū)緊貼在葉輪的前蓋板和非工作面上，尾流區(qū)愈寬，射流-尾流之間的剪層愈薄，兩者之間的速度梯度愈大，意味著射流-尾流結(jié)構(gòu)愈強(qiáng)，葉輪內(nèi)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(yīng)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(duì)尾跡的影響，國內(nèi)外許多學(xué)者作了研究，定性來講可用下式來分析葉輪旋轉(zhuǎn)流道中的二次流：

  EMBEDEquation.2(2-1)

  上式中的EMBEDEquation.2為旋轉(zhuǎn)滯止壓力，EMBEDEquation.2為相對(duì)流線的旋轉(zhuǎn)分量，EMBEDEquation.2分別為I對(duì)次法線方向和旋轉(zhuǎn)軸方向的偏導(dǎo)數(shù)。上式表明相對(duì)流線方向的旋渦是由兩個(gè)因素產(chǎn)生：一是為具有半徑Rn的流線曲率，另一是旋轉(zhuǎn)角速度ω引起的。

  旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)邊界層內(nèi)存在較大的相對(duì)速度梯度，因此具有均勻折算靜壓的邊界層內(nèi)I的最小值出現(xiàn)在壁面上，其值等于p*。

  考慮葉輪流道的B-B流動(dòng)，假設(shè)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)，流線曲率由葉片曲率產(chǎn)生，次法線方向的旋轉(zhuǎn)壓力梯度是由前蓋板邊界層損失引起的，第一項(xiàng)產(chǎn)生的正的流線方向的旋轉(zhuǎn)分量EMBEDEquation.2。而在靠近內(nèi)直徑處的B點(diǎn)，引起負(fù)的EMBEDEquation.2，其結(jié)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(nèi)的低I微團(tuán)流到非工作面上，并且從連續(xù)性出發(fā)也把工作面上的低I微團(tuán)驅(qū)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(xiàng)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(xiàng)引起如圖所示方向的正、負(fù)EMBEDEquation.2和二次流，這樣也就把前、后蓋板邊界層內(nèi)低能微團(tuán)驅(qū)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(yīng)用于子午平面內(nèi)，當(dāng)流線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(nèi)的低I微團(tuán)驅(qū)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)生流線方向上二次流旋渦有三個(gè)來源：

  1)彎曲葉片；它使流動(dòng)從進(jìn)口沖角方向轉(zhuǎn)到軸線方向，把前、后蓋板表面上邊界層內(nèi)的低I流體微團(tuán)驅(qū)趕到非工作面上，由于工作面邊界層內(nèi)的低I流體微團(tuán)是不穩(wěn)定的，因此也被驅(qū)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(nèi)的低I流體微團(tuán)轉(zhuǎn)移到前蓋板表面。

  3)旋轉(zhuǎn)；隨著流動(dòng)從軸向到徑向，旋轉(zhuǎn)對(duì)二次流旋渦的貢獻(xiàn)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(wěn)定的工作面表面的低I流體轉(zhuǎn)移到非工作面上

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

  3.尾流-射流結(jié)構(gòu)與流動(dòng)分離

  上面已經(jīng)提及離心葉輪通道內(nèi)的流動(dòng)基本上是由相對(duì)較小的尾流區(qū)和近似于無粘的射流區(qū)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(zhuǎn)的作用下，非工作面上的邊界層由于二次流的影響越來越厚，有容易在某一小流量下發(fā)生失速現(xiàn)象，從而導(dǎo)致邊界層分離。

影響因素 

  1.1壓力與單耗關(guān)系

  1.1.1無壓負(fù)荷時(shí)的單泵單耗從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，無壓負(fù)荷的情況下，隨著泵壓的升高，單耗值是隨著上升的，泵壓越高，單耗增長越大。其中DF300泵在正常運(yùn)行過程中，一般泵壓值最低在15.4MPa.

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

  1.1.3泵壓影響注水單耗的主要原因。從以上統(tǒng)計(jì)結(jié)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(fù)荷的情況下，引起泵壓升高的主要原因是運(yùn)行泵的供水量略大于系統(tǒng)所需污水量，干壓偏高，泵壓也隨著升高，但通常泵壓不會(huì)升高太多。壓負(fù)荷泵壓升高的主要原因是：a.污水罐水位偏低，注水泵壓負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)；b.管線施工，降低干線壓力，壓低負(fù)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(shè)備維護(hù)保養(yǎng)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(jù)注水泵站生產(chǎn)運(yùn)行特點(diǎn)，采取了一系列措施。

  1.2注水泵維護(hù)保養(yǎng)與單耗的關(guān)系

  對(duì)于設(shè)備來說，過硬的維護(hù)保養(yǎng)也是影響設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)性能的關(guān)鍵因素，因此需統(tǒng)計(jì)設(shè)備保養(yǎng)前后相同壓力條件下的單耗。取設(shè)備二保前后一段時(shí)問不同壓力段的單耗，設(shè)備保養(yǎng)后的單耗值略高于未保養(yǎng)前的，說明高質(zhì)量的維護(hù)保養(yǎng)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(dāng)注水泵吸入口濾網(wǎng)堵塞時(shí)，會(huì)造成壓力過低，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(tǒng)計(jì)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月由于管線聯(lián)頭是的污水系統(tǒng)管線停產(chǎn)，是的1000立污水罐液位過低，吸入壓力下降，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)性能和技術(shù)參數(shù)降低，通過當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，單耗值隨著吸入壓力的降低大幅度升高，說明吸入壓力降低對(duì)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(yùn)行時(shí)高臺(tái)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(wěn)定，當(dāng)泵壓過高時(shí)勢必引起管壓升高，這是就需要關(guān)小注水泵出口閥門使得管壓保持穩(wěn)定，這樣就會(huì)造成能量的浪費(fèi)。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(duì)于泵站來說，降低要注水單耗必須要保證注水泵運(yùn)行的平穩(wěn)，同時(shí)要啟運(yùn)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(tái)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的高效泵效率降低單耗升高。為了解決這一問題我們采取了如下的一些措施：

  2.1控制大罐液位，平穩(wěn)吸入壓力根據(jù)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(wěn)  2.2提高設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)質(zhì)量在規(guī)定的保養(yǎng)時(shí)問內(nèi)，嚴(yán)格按照操作規(guī)范進(jìn)行設(shè)備保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)存在問題，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(bào)，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(qiáng)運(yùn)行機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)監(jiān)測為及時(shí)掌握注水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，給泵站配備了紅外線測溫儀和震動(dòng)測試儀，要求每天對(duì)運(yùn)行機(jī)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(shù)進(jìn)行2次檢測，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。

  2.5使用新式的泵控泵變頻控制系統(tǒng)2008年為了優(yōu)化注水系統(tǒng)，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(tǒng)。前置泵低壓變頻調(diào)速技術(shù)是基于雙泵的串聯(lián)，通過對(duì)前置泵的變頻控制來是注水泵的工作點(diǎn)始終達(dá)到最高泵效，從而使系統(tǒng)效率最高，達(dá)到節(jié)能的目的，也使系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)可以進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。注水泵與增壓泵串接，通過小變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)小功率增壓泵，實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率注水泵的調(diào)節(jié)和控制；它實(shí)質(zhì)上是信號(hào)放大的功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力，流量可調(diào)。該系統(tǒng)由一臺(tái)注水泵和一臺(tái)增壓泵，注水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)，增壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)及保證運(yùn)行的潤滑系統(tǒng)，水冷卻系統(tǒng)，供電系統(tǒng)，儀表測控系統(tǒng)，低壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等組成。小功率增壓泵為注水泵提供吸入壓力，使兩泵恰當(dāng)匹配；并通過計(jì)算機(jī)，儀表系統(tǒng)，變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)使高效區(qū)行范圍很窄的注水泵工作在高效區(qū)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控，依注水工藝要求（地層情況）實(shí)現(xiàn)大閉環(huán)優(yōu)化運(yùn)行；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)效率提高。由于主泵一部分功能由小泵（增壓泵）來負(fù)擔(dān)，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(jí)后，節(jié)能更為顯著。也就是說大泵（注水泵）節(jié)下來的能量用于小泵還有富余，實(shí)現(xiàn)能耗降低

  3措施效果

  通過泵站管理過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(jì)劃內(nèi)運(yùn)行。特別是投產(chǎn)運(yùn)行了前置泵控制系統(tǒng)后，由于主泵一部分功能由小泵（增壓泵）來負(fù)擔(dān)，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(jí)后，節(jié)能更為顯著。也就是說大泵（注水泵）節(jié)下來的能量用于小泵還有富余，實(shí)現(xiàn)能耗降低，注水單耗由原來的5.8降為5.2kwh/m3。大大降低了注水耗電。