三元流水泵风机节能新1.docx

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三元流水泵风机节能新1

水泵、风机节能

（射流—尾迹全三元改造）

上海牛尔节能科技有限公司

第一章全三元技术概述………………………………………2～6

一、公司简介………………………………………………………………2

二、射流—尾迹全三元技术概述……………………………………………2～3

三、全三元技术在水泵改造中的优势及特点………………………………3

四、水泵节能改造方式的比较………………………………………………3～4

五、水泵节能改造项目实施方法……………………………………………4

六、水泵节能改造项目实施方式……………………………………………4～5

七、我们的承诺………………………………………………………………5

八、水泵节能改造工作流程…………………………………………………6

第二章全三元技术基本原理、部分案例及分析报告……7～22

一、射流—尾迹全三元技术基本原理………………………………………7～8

二、部分案例…………………………………………………………………8～22

第一章全三元技术概述

一、公司简介

上海牛尔节能科技有限公司是由上海睿通资产管理有限公司和温州嘉和控股有限公司共同投资成立的一家以销售和租赁节能环保产品以及企业提供节能减排方案为主的企业。

并且已经与国内外多家知名企业达成战略合作伙伴协作。

如今节能减排已经成企业的重要社会责任，公司将随时引进先进技术来充实公司的服务内容和经验，与合作伙伴共同努力来满足客户需求的同时，将与合作伙伴和客户共同成长，为节能环保行业作出应有的贡献。

公司通过与客户签订节能服务合同，为客户提供包括：

能源审计、项目设计、项目融资、设备采购、工程施工、设备安装调试、人员培训、节能量确认和保证等一整套的节能服务，并从节能改造后获得的节能效益中收回投资和取得利润的一种商业运作模式。

二、射流—尾迹全三元技术概述

射流—尾迹全三元流动理论是著名科学家、中国科学院院士吴仲华二十世纪五十年代在美国创立的。

二十世纪七十年代电子计算机得到有效应用后，这一理论被广泛应用于美国的航空燃气轮机设计。

西方各大发动机制造公司和国际航空界称之为“吴氏理论”或“吴式方程”；在国际学术界吴仲华被公认为叶轮机械全三元流动（射流—尾迹全三元）理论的奠基人。

水泵由电机等原动机带动泵叶轮旋转，将原动机的机械能转变为被输送流体的动能和压力能。

在与叶轮同步旋转的空间坐标系（R、￠、Z）中，任何空间一点均可由此坐标系确定。

任何一点的流速W可表示为该点坐标的函数

，这就是全三元流动的基本概念。

计算图

（1）流道中任何空间一点的流速W,这就是全三元流动解法。

也就是说通过全三元流动计算，可以得到水泵内任意点的流速。

在航空用离心压气机中，用激光测速技术观察到射流—尾迹现象；在水泵叶轮试验中，发现了同样的现象。

在流道出口附近出现了一个低能量流动区，它类似于一个旋涡，称之为

尾迹；其主流部分出口流速W可按全三元流动理论作无粘性位流计算得出，这部分称之为射流。

尾迹的出现，不但降低了叶轮的水力效率；而且因减少了有效通流面积，也使泵的流量减少。

控制尾迹区成为改进水力效率设计的一个重要目标，以前人们对此是毫无所知。

我们通过水泵设计软件《射流—尾迹全三元流动》对水泵叶轮作了多项、重大技术改进设计，根据用户水泵实际运行工况，以完全满足用户实际运行需要为前提；重新设计、铸造加工可互换的高效率全三元叶轮，置换于原设备壳体内。

不动设备基础、电机、管路等，施工简单，见效快。

在实际运行中节能效果十分明显。

这一方法将会在水泵、风机的节能改造中发挥举足轻重的作用。

从供水、钢铁、石油、化工等众多用泵大户的反映看，可以说大有用武之地。

三、全三元技术在水泵改造中的优势及特点

全三元技术应用，就是采用国际上最前沿的泵水力性能解决方案，通过使用水泵设计软件《射流—尾迹全三元流动》；重新进行水泵内水力部件（主要是叶轮）的优化设计；然后进行铸造、加工和更换，提高泵效率，减少能耗。

我们可以针对现场实际工况及使用要求，对水泵进行如下四种节能改造：

⑴提高单泵压力同时提高汇管压力；

⑵增加单泵流量同时增加汇管流量；

⑶同时提高压力和增加流量（电机功率许可前提下）；

⑷保证流量和压力不变的情况下降低电机工作功率。

具体流程：

根据用户水泵的实际运行工况，首先对在用离心泵的流量、压力、电机耗功等进行测试，提出常年运行的工艺参数要求，以及双方确认；然后使用《射流—尾迹全三元流动》软件设计、铸造、加工出全三元水泵叶轮；保证可以和原型水泵互换，在不改动管路、电机、泵体等条件下，更换叶轮；最后在同样测试条件下，对水泵进行改造前、后的数据比较，若效果欠佳，则结合实际工况对叶轮稍作微调，即可达到预期目标。

四、水泵节能改造方式的比较

⑴叶轮是水泵的心脏,它决定了水泵的扬程、效率的绝大部分，不是工况与设计值差异极大的情况，泵体的影响总是较小的。

对于在用水泵，结合其在用的流量、扬程及泵体，设计出可互换的高效率全三元叶轮，置换于原泵内，这是投入最少、见效最快的节能改造方式。

⑵水泵制造厂或用户对在用水泵不符合使用要求时，可以采用的方式只有切割叶轮；或整体

更换新泵。

切割叶轮是对流量、扬程都减小时使用的方法，此时电机功率会减小，人们往往以为这样是节能了；但要知道由于流量的减小，单耗（吨水电耗）不但不减，反而还会增加，因此水泵自身的水力效率是下降的。

换装新泵，由于管路、底座甚至电路、电机都要改变，不但周期长，投资大，不是万不得已是不宜采用的。

特别是对于要求水泵扬程减小，流量增大；或扬程、流量都在电机的功率许可条件下一起增大的情况，切割叶轮是无法办到的。

⑶变频调速方案：

它是在降低频率，因而降低电机转速（即水泵转速），使水泵的扬程下降，流量减少。

变频调速减小了阀门的节流损失；因而减小了电机功率损耗，是一种节能措施；但如果水泵的运行工况是稳定的（压力、流量稳定），变频调速方案就不可取。

只有针对工况变化频繁或较频繁、压力和流量有富裕量的水泵采用变频调速方案才是可取的。

全三元技术与变频调速并不能互相取代。

即使采用了变频调速，但是水泵效率低下的问题仍然存在。

因此仍可使用全三元改造（射流—尾迹全三元改造）技术，提高水泵的效率。

综上所述，对在用水泵，应用《射流—尾迹全三元流动》设计高效率可互换的全三元叶轮，无论对工频泵或变频泵都是行之有效的节能改造方案，其投入产出比最优。

五、水泵节能改造项目实施方法

根据用户水泵实际运行工况，以完全满足用户实际运行需要为前提；使用《射流—尾迹全三元流动》设计软件，重新设计、铸造加工可互换的高效率全三元叶轮，置换于原设备壳体内。

在不改动原设备基础、电机、管路等条件下实施，施工简单，见效快。

六、水泵节能改造项目实施方式

6.1EMC（合同能源管理）方式

EMC（EnergyManagementContract）是当今发达国家采用的为推进节能项目开展的合同。

合同标的不是制成的产品也不是技术，合同标的是贵公司节约的能源成本。

⑴贵公司“零投资”、“零风险”：

技术改造的成本由本公司承担，因改造项目失败造成的全部损失由本公司包赔。

⑵改造项目实施后的节能效益由双方共同认定或请公正的认证公司或权威的机构评定、检测。

⑶本公司得到的回报是与用户分享在规定的时间段的节能效益。

⑷本公司从用户获得的收益是用户一直向能源供应者支付的成本的一部分，即使不开展此改造项目，这部分也是一直发生只是支付给能源供应者罢了。

用户不存在投资的问题。

⑸在双方约定的收益期内（3年），用户和本公司分享节能效益，用户可按月或按季将节省电费的80%付给本公司，至收益期结束为止。

⑹付款方式：

用户按月或按季将实际节能效益金额按合同比例，在交纳电费时一并汇入本公司帐户。

6.2合同能源管理（EMC）：

根据合同能源管理分享型，技术改造的成本将完全由本公司承担。

改造完成后，用户将在三年内由节能改造产生的节能效益中按一定的比例分成给本公司。

付款方式：

用户每月将实际节能效益金额按合同比例，在每月交纳电费时一并汇入本公司帐户。

6.3合同能源管理（EMC）：

根据合同能源管理保证型，

付款方式：

合同签署生效后，用户付款合同标的30％；改造安装结束，经双方（或三方﹤＋认证方﹥），评定认为改造效果达到合同要求，用户付款合同标的65％；剩余5%为质保金，一年后收回。

（以验收报告时间为准）

七、我们的承诺

保证节电率达到8%～25％，本公司承担全部改造风险，改造后若无节能效果，不收取任何费用。

改造后的水泵，我们终身提供备件等服务。

第二章全三元技术基本原理、部分案例及可行性分析报告

一、射流—尾迹全三元技术基本原理

我们对水泵叶轮设计采用国际上最前沿的泵水力性能解决方案，其设计方法是全三元黏性正问题计算与反问题设计迭代法（以下简称全三元设计法），即主要设计流程按照反问题设计-正问题计算-反问题修正设计-正问题计算-反问题优化设计的迭代过程进行。

全三元黏性正问题计算是根据水泵叶轮和泵体等过流部件的几何尺寸、形状特征以及流体进出口条件，应用全三元CFD理论和技术直接求解泵内流场的特征参数，该方法的主要特点是

（1）采用了全三维粘性流体力学模型；

（2）求解控制方程组的离散方法采用了适合工程应用的有限体积法；（3）采用提高计算收敛速度的多重网格法；（4）采用成熟的网格划分技术和前后数据处理技术。

通过计算可以得到泵内三维粘性流场的速度分布、压力分布及其它流动特征参数，为反问题设计提供真实可靠的理论依据。

反问题则是根据实际运行需要流量、扬程、功率和效率等工况参数，以及流动控制边界条件等要素，设计出水泵叶轮和蜗壳等过流部件的几何尺寸和形状，从而实现对给定内流流动特征的控制。

正反混合问题是对单一求解对象的同一求解区域来用正反问题混合求解，设计计算过程往往需要经过多次迭代；或者是同一求解对象的不同区域同时采用正问题或反问题的不同求解方法，从而构成同一对象的正反混合问题。

我们的全三元水泵设计就是根据上述水泵叶轮研究设计思路，分析研究水泵实际运行工况，对低效率叶轮的叶片形状、叶片进出口几何尺寸、叶轮前后盖板几何形状等要素进行优化设计。

改进设计的重点在于根据叶轮内部流动特性的要求，运用全三元设计方法优化叶片的进出安放角、叶片数、扭曲叶片各截面形状等要素，从而避免叶片工作面的流动分离，减少流动损失，提高叶轮的工作效率。

另外，叶轮的前后盖板的形状也将直接影响叶轮内的流动的状态，我们在不改动水泵壳体尺寸条件下，利用全三元方法优化前后盖板的局部形状，改善叶轮和蜗壳内部的流动形态，减小流动损失，提高水泵效率。

经过上述系列优化改进，将获得水泵内部的最佳流动状态，从而得到最优的叶片形状，最高效率的叶轮。

我们以流体机械内流计算的基本理论和方程组出发，运用当代计算流体力学（CFD）理论研究的成果，以“理论研究-数值计算-程序校准-产品设计”为发展模式，经历了由理想流体模型到粘性流体模型，一、二元流动到全三元流动的发展过程，形成了从“二元-准三元（S1、S2流面，射流-尾迹模型修正）-全三元势流-全三元黏性流”的研究历程。

目前，我们的工作重点是叶轮机械全三元非定常粘性流动的连续方程和N-S方程等偏微分方程所构成的方程组

计算方法研究和程序开发，以及全三元反问题的设计方法与计算研究。

我们先后引进了PHOENICS、FLUENT、NUMECA等商用CFD软件，先后采用“两类流面”理论（吴氏理论，射流-尾迹模型）、“全三维势流流动”和“全三维粘性流动”理论，在涡轮增压器设计、水泵设计、风扇设计以及通风机设计中进行流场分析，并根据分析结果进一步优化设计，提高了叶轮机械的设计水平。

全三元叶轮与普通叶轮的比较：

根据上述方法重新设计出的全三元叶轮与原一、二元流叶轮有相同安装尺寸（轴孔、键、密封环等），但叶片形状有很大的变化。

其区别见叶片图2：

左图为叶轮叶片的子午面视图，只画出了双吸叶轮的左半面。

右图为一个叶片的前视图。

其主要区别在于：

⑴子午流道全三元叶片加宽了许多，特别是轮毂减小，以增大流通能力。

⑵子午流道全三元叶轮直径减小，而出口宽度增大。

⑶全三元叶片扭曲度较一元流大很多。

⑷全三元叶片进口边向来流进口伸展，减少进口损失。

应当指出：

叶轮的这种变化，实际上是将原水泵改变成一种全新的高效率水泵。

二、部分案例

1、上海某合纤公司循环、冷却水系统节能改造

本案例被收编进由上海市经委编撰的《上海市十大重点节能工程汇编》

上海某合纤公司水泵房

上海某合纤公司于1994年建厂投产，为上海化纤行业的龙头企业。

公司循环、冷却水系统有12Sh—6B型循环水泵5台，开3备2，全天24小时运行；250S65A型冷却水泵3台，开2备1，全天24小时运行；用于生产工艺的循环和冷却。

本公司以合同能源管理方式对该系统实施了节能改造，在水泵壳体保持不变的前提下更换全三元叶轮，结果如下：

⑴12Sh-6B，电机功率225kw

A）方案一：

叶轮改造结果（适用于三分之二春秋季、冬季）：

流量726m3/H，压力0.53mpa，电机电流257A。

机组效率由原来的52.70%提高至70.44%，提高17.74%。

电机实际功率由原来的233.2kw降低至148.8kw，减少84.40kw。

每天节电2025.6kwH。

B）方案二：

叶轮改造结果（适用于三分之一春秋季、夏季）：

流量840m3/H，压力0.57mpa，电机电流313.3A。

机组效率由原来的52.70%提高至70.95%，提高18.25%。

电机实际功率由原来的233.2kw降低至183.9kw，减少49.3kw。

每天节电1183.2kwH。

⑵250S65A，电机功率90kw

改造后：

流量530m3/H，压力0.255mpa，电机电流98.5A。

机组效率由原来的44.65%提高至66.74%，提高22.09%。

电机实际功率由原来的88.9kw降低至55.03kw，减少33.87kw。

每天节电：

812.88kwH。

该系统年节约电量：

152.9万KWH

工程技术人员正在安装全三元叶轮

2、安徽泉盛化工有限公司循环、冷却水系统节能改造

安徽泉盛化工有限公司水泵房

安徽泉盛化工有限公司是安徽定远化肥行业的龙头企业。

泉盛公司尿素车间循环、冷却水系统有250S65型循环、冷却水泵4台，开3备1，全天24小时运行；用于化肥生产工艺设备的循环和冷却。

本公司对该系统实施了节能改造，在水泵壳体保持不变的前提下更换全三元叶轮。

改造前、后的主要工艺参数如下：

改造前：

（单泵）出口压力：

0.53Mpa，流量：

600m3／h，电机实际功率：

152KW；汇管压力：

0.48Mpa，流量：

1800m3／h。

改造后：

（单泵）出口压力：

0.535Mpa，流量：

620m3／h，电机实际功率：

130KW；汇管压力：

0.485Mpa，流量：

1860m3／h。

水泵效率由改造前的55％，提高至75％；实际提高20％。

该系统年节约电量：

55.5万KWH

全三元新叶轮

3、山西省阳泉市、长治市自来水公司进水系统节能改造

10DK—9（A）型高压水泵2台，分别达到年节电182万KWH和528万KWH；并获得阳泉市和山西省建设系统科技一等奖。

4、内蒙古灵泉发电厂循环、冷却水系统节能改造

24SH—19（A）型泵，流量增大23％；以一台改造泵取代原来二台泵，年节电71万KWH。

5、山西天脊煤化集团公司循环、冷却水系统节能改造

P—1603型泵（苏尔寿公司产品），节电12%；解决了电机过载的难题。

6、上海石化事业部（南组）循环、冷却水系统节能改造

上海石化事业部（南组）水泵房

事业部循环、冷却水系统（南组）共有8套泵组，其中：

1#、5#、6#、7#水泵型号为：

20SH-9B型，铭牌标定（设计）参数为：

流量Q=1763m3/h，扬程H=42m，叶轮直径600mm，水泵转速n=970r/min。

2＃、8#、9#、10＃水泵型号为20SH-9A型，铭牌标定（设计）参数：

流量Q=1908m3/h，扬程H=50m，叶轮直径620mm（已车削R：

10mm），转速n=970r/min。

配套电机均为YKK450-6型，铭牌标定（设计）参数：

额定功率Ne=355kw，额定电压U=6000V，额定电流I=41.1A。

系统正常冬季开3套泵组，夏季开4套泵组，全天连续运行（全年平均为3.5套运行）。

双方以签署文件形式约定，改造技术指标、双方责任及权利等：

整个系统水泵原叶轮更换为置本公司设计制作的全三元叶轮后，在确保整个系统与改造前同样的压力和流量前提下，不动基础、管路和电机，达到提高机组效率，降低机组（电机）平均电耗目的。

公司承诺：

水泵改造后，机组与改造前比较，节电率≥10%；按平均开3.5台泵运行，全年总共可节电≥（110万KWH）。

节电量的确认以实际电度表记录数据计算的结果为准，并由双方认可签字为依据。

原水泵更换为全三元叶轮后，机组的振动频率有所降低，改造后的水泵电机温度比原来降低1℃～3℃，整机使用寿命维持不变。

整个系统水泵的全三元节能改造经双方多次检测后确认：

实际运行参数完全满足生产工艺需要，节能效果明显；电机运行安全、水泵（机组）系统工艺流程流畅。

全三元节能改造前后机组运行参数对比：

原机组

效率

原水泵

效率

全三元改造后机组效率

全三元改造后水泵效率

节电量

（万kwh/年/台）

20SH-9A

59%

66%

69%

77%

29.5

20SH-9B

61%

68%

74%

82%

34.7

南组循环水泵经全三元节能改造后的节电率，达到了双方签定技术协议中乙方承诺节电≥10%的节能效果。

节电率为12.95%。

经测算，南组循环水系统改造后，与改造前相比，一年的节电量将达到140万KWH，年节电经济效益达到85万元左右。

尽管原水泵设备的维修保养情况较好，为了降低电耗，也作过叶轮切削改造，达到一定的节电目的，但降低了水泵的实际效率。

本次进行全三元技术改造，由于是采用国际上最前沿的泵水力性能解决方案，它可以针对实际使用要求，在不改变电机、泵体、管线等条件下增大流量、提高压力，以满足生产需要；或者在保证流量、压力不变的情况下降低电机工作电流，达到节能降耗的目的。

通过本次节能技术改进，有效地提高了水泵的运行效率，节电效果明显。

本次全三元技术在南组循环水系统节能改造的成功，起到了较好的示范作用，事业部还打算在其他水泵、风机系统中进行推广，以取得更好的节能效果。

8、服务及说明

⑴本公司的全三元叶轮在正常情况下使用包用五年（不低于原叶轮的使用年限）。

⑵同型号泵的全三元叶轮的新制作及备用叶轮均具有通用性、互换性，以利设备管理及现场使用。

⑶改造后的水泵，本公司终身提供全三元叶轮（备件）；叶轮价格：

当年普通叶轮价格×110％。

⑷改造后的水泵本公司提供其他相关服务。

上海牛尔节能科技有限公司