万吨级反渗透海水淡化高压泵的优化设计
基于反渗透技术的海水淡化设施设计与优化
基于反渗透技术的海水淡化设施设计与优化海水淡化是解决全球淡水短缺问题的重要途径之一。
而基于反渗透技术的海水淡化设施设计与优化，可以有效提高淡化效率，并降低能源消耗。
本文将介绍海水淡化设施设计与优化的基本原理、技术要点和实施方法。
海水淡化设施的设计与优化主要涉及以下几个方面：膜组件选择与布置、预处理系统、压力能源回收、操作与控制策略以及废水处理等。
下面将分别进行介绍。
首先，膜组件选择与布置是影响海水淡化设施效率的关键因素。
反渗透膜和超滤膜是常用的膜组件。
根据海水水质情况和需求水质要求，可以选择不同的膜组件。
同时，合理的膜组件布置能够提高膜组件的利用率，减少系统阻力，提高淡化效率。
其次，预处理系统是海水淡化设施中不可或缺的环节。
预处理系统的主要目的是去除海水中的悬浮颗粒物、有机物和生物污染物等，以保护膜组件不受污染并延长使用寿命。
预处理系统通常包括沉淀池、过滤器、活性炭吸附器等。
对于预处理系统的优化，可以采用多级过滤、反洗等方法提高去除率。
第三，压力能源回收是提高海水淡化设施能源效率的重要手段。
反渗透过程中产生的高压浓水通常会被排放掉，而回收这部分能量可以用于提供部分需要的压力能源，从而降低设施的能源消耗。
压力能源回收技术通常包括压力交换、气体扩散、液体活塞等。
通过合理的压力能源回收系统设计与优化，可以显著减少能源消耗，提高系统经济性。
操作与控制策略是保证海水淡化设施稳定运行的关键。
合理的操作与控制策略包括膜组件清洗、膜组件代换、浓水排放控制、产水流量控制等。
通过定期的膜组件清洗和代换，可以保持膜组件的工作性能，提高系统的稳定性。
同时，合理的产水流量控制和浓水排放控制可以保持设施的稳定性和经济性。
最后，废水处理是海水淡化设施中一个重要的环节。
海水淡化过程中产生的浓水通常含有高浓度的盐分和污染物，如果直接排放会对周围环境造成不可逆的影响。
因此，废水处理系统的设计与优化是海水淡化设施运行的关键环节。
常见的废水处理方法包括盐类沉淀、中和处理和再生利用等。
海水淡化高压泵技术
精品整理
海水淡化高压泵技术
一、技术概述
目前世界上最先进和应用最广泛的海水淡化技术是反渗透法（SWRO），反渗透系统包括三大关键部件：膜组件、高压泵和能量回收装置。
高压泵是反渗透系统的心脏，它的作用是提供膜系统所需的高压。
从国际上近年来大型反渗透海水淡化工程中的反渗透单机、高压泵、能量回收装置的配置情况来看：占53%的高压泵单机规模在1万～2万m3/d之间。
二、技术优势
（1）通常适用流量大于400m3/h的场合。
（2）泵的最高效率可达80%～85%，流量可达850m3/h。
（3）叶轮背靠背安装，水力自动平衡，没有轴向推力。
（4）采用双蜗壳结构，径向力自动平衡，使叶轮和轴不受径向力影响。
（5）维护保养非常方便，检修时不需要拆动进出管路。
三、适用范围
海水淡化
四、原理与结构
根据国家标准GB/T13007《离心泵效率》指标，综合水力效率、转子系统临界转速、制造成本、制造难度等几个方面，该设备按照兼顾效率与制造成本两个方面，确定泵的叶轮总级数为5级。
首级叶轮为双吸结构，其优点是可以提高泵的气蚀性能、水力平衡轴向力。
后面4级叶轮采用单吸式，并分成2组背靠背安装，使轴向力自身达到水力平衡。
由于万吨级高压泵的流量较大，流道比较宽，故具备把每级涡壳设计成圆周方向180度对称的双涡壳水力结构的条件，以消除叶轮所产生的绝大部分径向力，剩余径向力则由布置在两侧的滑动轴承来承受。
反渗透膜法海水淡化工艺的设计
反渗透膜法海水淡化工艺的设计一、引言二、反渗透膜法海水淡化的原理反渗透膜法海水淡化的基本原理是利用半透膜的选择性透过特性，只允许水分子通过，而阻止盐离子和其他杂质通过。
当海水在高压作用下通过反渗透膜时，水分子会透过膜进入淡水侧，而盐离子和其他杂质则被截留在海水侧，从而实现海水的淡化。
三、工艺流程设计（一）预处理系统海水在进入反渗透膜之前，需要进行预处理，以去除海水中的悬浮物、胶体、有机物、微生物等杂质，防止它们对反渗透膜造成污染和损坏。
预处理系统通常包括以下几个步骤：1、混凝沉淀：向海水中投加混凝剂，使海水中的悬浮物和胶体形成絮体，然后通过沉淀去除。
2、过滤：经过混凝沉淀后的海水，再通过砂滤、活性炭过滤等方式，进一步去除细小的悬浮物和有机物。
3、杀菌消毒：为了防止微生物在反渗透膜表面滋生和繁殖，需要对海水进行杀菌消毒处理，常用的方法有紫外线消毒、加氯消毒等。
（二）高压泵系统经过预处理的海水，需要通过高压泵加压，使其达到反渗透膜所需的操作压力。
高压泵的选型和设计需要考虑海水的流量、压力、温度等因素，以确保其能够稳定运行，并提供足够的压力。
（三）反渗透膜组件反渗透膜组件是海水淡化的核心部件，其性能直接影响到海水淡化的效果和成本。
目前常用的反渗透膜有醋酸纤维素膜和聚酰胺膜等。
在设计反渗透膜组件时，需要考虑膜的类型、数量、排列方式等因素，以达到最佳的淡化效果和经济性。
（四）后处理系统经过反渗透膜处理后的淡水，还需要进行后处理，以满足不同的用水需求。
后处理系统通常包括pH 调节、矿化、消毒等步骤。
四、主要设备选型（一）反渗透膜选择合适的反渗透膜是海水淡化工艺设计的关键。
需要考虑膜的脱盐率、水通量、耐污染性、使用寿命等因素。
同时，还需要根据海水的水质特点和处理规模，选择合适的膜品牌和型号。
（二）高压泵高压泵是提供反渗透膜操作压力的关键设备，需要选择具有高扬程、高效率、可靠性好的泵型。
常见的高压泵有离心泵、柱塞泵等。
日产万吨淡水的反渗透海水淡化设计方案
日产万吨淡水的反渗透海水淡化设计方案反渗透是一种先进的膜分离技术。
这种技术使欲分离溶液的某些成分在压力的作用下，透过具有选择透过性的半透膜——反渗透膜，在膜的低压侧和在常温下收集透过物，在膜的高压侧为被阻留的其他成分的浓溶液[1]。
万吨级反渗透海水淡化工程的工艺流程分为海水取水，海水预处理，反渗透海水淡化，产品水后处理和系统控制五个部分。
一、海水取水取水口设在离岸边200m远的海中，用管道接至取水泵房。
通过真空泵抽出引水管中的空气，然后启动取水泵将海水通过地下管路送到厂区[2]。
二、海水预处理反渗透海水淡化过程中，由于海水中悬浮物和成垢组分对膜造成污染，导致膜性能下降或损坏[3]，必需预先除去这些有害组分。
预处理主要解决问题有[4]：沉淀结垢；有机物污染；胶体附着；生物污染。
具体可分为：1、海水杀菌：多投加液氯、次氯酸钠和硫酸铜等试剂。
2、混凝过滤：旨在去除海水中胶体、悬浮杂质，降低浊度。
混凝剂一般选用FeCl3 [5]。
3、防止结垢沉淀：在淡化过程中浓缩会产生难溶无机盐沉淀，影响反渗透膜使用效果和寿命，必须添加阻垢剂。
常用的有六偏磷酸钠或复合阻垢剂[6]。
4、过滤器过滤：为了提高进水水质，降低进水浊度，常在混凝过滤之后加砂滤过滤器，使水中的微小悬浮物和颗粒物进一步去除。
三、反渗透海水淡化反渗透海水淡化系统是工程的核心部位，主要由膜元件、压力膜壳、高压泵、能量回收装置等设备组成[7]。
反渗透海水淡化工艺主要包括海水预热系统和反渗透脱盐系统两部分。
海水预热系统在低温时使用，以满足系统的最低温度要求。
反渗透脱盐系统主要包括高压泵、增压泵、压力交换式能量回收装置、渗透膜组等。
原料海水40%通过高压泵加压，60%通过能量回收装置和增压泵加压，两股原料海水混合后进入反渗透膜组，透过反渗透膜的淡水引至室外产品水池，再送至终端用户[8]。
四、产品后处理反渗透产水经空塔滤器后，通过计量泵在产水管路中投加NaOH溶液，以提高产水pH值。
高效能海水淡化高压泵的水力特性分析与优化
高效能海水淡化高压泵的水力特性分析与优化高压海水淡化泵是海水淡化技术中不可或缺的关键设备之一。
其水力特性的分析与优化对于提高海水淡化系统的效能至关重要。
本文将对高效能海水淡化高压泵的水力特性进行详细分析，并探讨如何优化其性能。
高效能海水淡化高压泵的水力特性主要包括水力效率、动静态压力变化、流量特性以及能耗等方面。
首先，我们来分析水力效率。
水力效率是衡量高压泵性能的重要指标，它表示能量的转化效率。
高泵效率可以减少能量损失，提高能耗效率，降低运行成本。
在实际运行过程中，高压泵的水力效率受到多种因素的影响。
其中，泵的设计参数、泵的进口速度、泵的叶轮结构以及海水淡化系统的设计都会对水力效率产生影响。
为了提高水力效率，可以采取以下措施：合理选择泵的设计参数，使其与海水淡化系统的工作条件相匹配；优化叶片结构，减少流体动能损失；设计优化进口和出口截面，减小涡流损失。
其次，动静态压力变化对高压泵的性能也有显著影响。
动压和静压的变化规律可以反映出泵的工作状态，泵的动静态压力变化应保持在一定范围内，以确保泵的正常运行。
当泵的进口压力过高或出口压力过低时，可能会导致泵的流量增大或减小，进而影响海水淡化系统的正常工作。
因此，控制好动静态压力变化，优化泵的工作状态，是提高高压泵性能的重要手段。
流量特性是高压泵性能的重要指标之一，也是海水淡化系统设计中的重要考虑因素。
泵的流量特性主要取决于泵的叶轮结构和工作参数。
通过合理选择泵的叶轮结构和调整泵的工作参数，可以获得适合海水淡化系统需求的流量特性，以提高系统的水处理效能。
最后，能耗是影响高压泵性能的另一个关键因素。
高效能海水淡化高压泵的能耗应尽量低，以提高系统的能耗效率。
为降低能耗，我们可以采用以下优化措施：合理选择泵的工作参数，减少未能被利用的能量损失；提高泵的水力效率，减少能量转化损失；选用高效能电机和减速器，提高系统的能量利用率。
综上所述，高效能海水淡化高压泵的水力特性分析与优化是提高海水淡化系统效能的关键步骤。
反渗透海水淡化用提升泵的设计
ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ １ ００ ｈ ｔｅｓｔ ａｔ ｈｉｇｈｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｎｖｉｒｏｎ— ｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｌｉｆｔ ｐｕｍｐ ｉｔ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ Ｃａｌｌ ｍａｉｎｔａｉｎｓ ｇｏｏｄ ｓｅａｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｕｐｓｔｒｅａｍ ｐｕｍｐｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｅａｌ ａｎｄ ｈａｓ ｓｍａｌｌ ｗｅａｌ ｌｏｓｓ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｕｓ ｉｔ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｓｈａｆｔ ｉｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｉｆｔ ｐｕｍｐ；ＳＷＲＯ；ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｎｔｒｙ；ａｘｉａｌ ｔｈｒｕｓｔ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｅａｌ
第２７卷第３期
排灌机械
２００９年５月Ｄｒａｉｎａｇｅ ａｎｄ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ
Ｖ０１．２７ Ｎｏ．３ Ｍａｙ ２００９
反渗透海水淡化用提升泵的设计
胡敬宁，潘金秋，周广凤，周生贵，肖霞平
（江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江２１２０１３）
摘要：针对提升泵存在轴头力过大的问题，采用调整１２环直径、前盖板加装辅助叶片、降低转速 等方法进行轴向力平衡，对于２ ５００ ｔ／ｄ反渗透海水淡化的提升泵，通过降低转速增加叶轮尺寸的 方法来平衡轴向力使结构更趋合理．结合反渗透海水淡化的工艺流程，提出提升泵性能参数的确定 方法．鉴于提升泵入口高压的运行环境，选择单级悬臂、双蜗壳、三推力轴承组合结构形式，采用较 粗的轴径和较小的悬臂比，提高系统的稳定性．应用新型的上游泵送机械密封，通过１００ ｈ的运转 试验，在较高的压力环境下运行，仍能保持良好的密封性能，且断面无接触，磨损量小，解决了高压 环境下轴封反复失效的问题． 关键词：提升泵；反渗透海水淡化；高压入口；轴向力；机械密封 中图分类号：ＴＨ３１１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５—６２５４（２００９）０３—０１５０—０４
反渗透海水淡化工程方案
反渗透海水淡化工程方案一、前言近年来，随着全球人口的不断增加和工业化进程的加快，淡水资源日益紧缺。
而海水淡化工程以其对淡水资源的开发和利用具有重要意义，成为解决当今世界淡水资源短缺问题的重要手段之一。
本文将针对反渗透海水淡化工程的技术原理、工程设计和运行管理等方面展开详细阐述，为相关领域的研究和实践提供借鉴。
二、反渗透海水淡化工程的技术原理1. 反渗透技术概述反渗透技术是一种利用半透膜分离产生纯水和浓缩溶液的技术。
在海水淡化工程中，通过反渗透技术可以将海水中的盐分和有机物质去除，从而得到高纯度的淡水。
2. 反渗透海水淡化工程系统组成反渗透海水淡化工程系统主要由预处理系统、反渗透膜组件、压力容器、泵站和控制系统等组成。
其中，预处理系统主要用于去除海水中的悬浮物、颗粒物和有机物质等杂质，以保护反渗透膜的运行和延长其寿命。
3. 反渗透海水淡化工程工艺流程(1) 海水取水：通常选择在海岸线附近设置取水点，将海水通过管道输送至反渗透膜组件。
(2) 预处理：利用颗粒滤料、活性炭滤料等对海水进行预处理，去除大部分悬浮物和颗粒物。
(3) 高压泵进料：将经过预处理的海水送入反渗透膜组件，产生高压使海水通过半透膜，使得纯水部分透过半透膜，成为产水，而盐分和其他杂质停留在膜表面，形成浓缩水。
(4) 浓缩水排放：将浓缩水排放到海洋中或者进行其他处理，以避免对环境造成污染。
(5) 产水收集：收集通过反渗透膜产生的高纯度淡水。
三、反渗透海水淡化工程的工程设计1. 反渗透膜组件的选择选择适合海水淡化工程的反渗透膜组件是工程设计的关键。
通常情况下，采用高效的反渗透膜组件可以提高淡化率和产水质量，降低成本和能耗。
2. 反渗透膜组件的布置在海水淡化工程中，为了提高反渗透系统的产水率和减少能耗，需要设计合理的反渗透膜组件布置。
通常情况下，可以采用多级反渗透系统，采用交错布置或平行布置的方式，以提高系统效率。
3. 泵站设计海水淡化工程需要经过高压泵的加压作用才能使海水通过反渗透膜，因此泵站的设计是工程设计的重要环节。
反渗透海水淡化工程中高压泵的选型方法
反渗透海水淡化工程中高压泵的选型方法全球现今有13869座海水淡化厂在工作，它们总共的产能是6360万立方米每日（16800MGD）可饮用水，其中已经运行的产能为5300万立方米每日——只相当于0.5%的全球用水量。
大约一半的海水淡化厂在中东，约20%在美国，13%在欧洲，12%在亚洲。
中国被联合国认定为世界上13个最贫水的国家之一。
我国淡水资源总量名列世界第六，但人均占有量仅为世界平均值的 l/4，位居世界第109位，而且水资源在时间和地区分布上很不均衡，有10个省、市、自治区的水资源已经低于起码的生存线，那里的人均水资源拥有量不足500立方米。
目前我国有300个城市缺水，其中110个城市严重缺水，他们主要分布在华北、东北、西北和沿海地区，水已经成为这些地区经济发展的瓶颈。
2010年后，我国将进入严重缺水期。
有专家估计，2030年前中国的缺水量将达到600亿立方米。
因此，为保证我国经济的可持续发展，淡水资源问题的解决已迫在眉睫。
有关专家分析提出，淡化海水是解决我国沿海地区淡水严重短缺的有效途径之一，海水淡化已经成为我国新兴的朝阳产业。
在海水淡化技术已成熟的今天，经济性是决定其广泛应用的重要因素。
目前，在已经开发的20几种淡化技术中，反渗透法(SWRO)、多级闪蒸（MSF）和低温多效（MED-TVC）达到了工业规模的生产应用。
其中反渗透技术是一项效率高、易于大规模使用的技术，其最大的优点就是节能，如表1所示，生产同等数量的淡水，反渗透的能源消耗是最低的。
反渗透法海水淡化技术应用中，高压泵是其中一个关键设备。
在反渗透膜选定的情况下，反渗透海水淡化系统的能耗指标主要取决于高压泵，增压泵和能量回收装置的能耗指标。
在反渗透海水淡化装置中，电费占造水成本的1/2～2/3，设备投资占造水成本的1/4 左右，高压泵是主要耗能设备，其电耗约占系统运行费用的35%，是影响产品水成本的主要因素之一。
结合反渗透海水淡化工程，针对工程中所用的高压泵的选型分析，选择合适的泵型，对于降低系统的运行费用有非常重要的意义。
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第27卷第1期2009年1月排 灌 机 械D rainage and Irrigati on MachineryVol .27No .1Jan .2009万吨级反渗透海水淡化高压泵的优化设计胡敬宁,肖霞平,周生贵,周广凤,潘金秋(江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江212013)摘 要:结合反渗透海水淡化高压泵的能耗状况,合理选择了万吨级反渗透海水淡化高压泵的泵型,提出了一种轴向吸入节段式高压多级泵的新型结构型式.在已有高效水力模型的基础上,对影响效率的几个关键水力尺寸进行不同的优化组合,设计了6种叶轮模型和2种导叶模型,组合成6组水力模型.应用CF D 方法对6组水力模型进行了性能预测,挑选出2组效率高(预测)的水力模型制作成2台单级模型泵进行试验研究.2组水力模型试验表明,泵的流量、扬程满足高压泵的要求,其中最优模型的效率达到了79.72%.关键词:反渗透海水淡化;高压多级泵;离心泵;轴向吸入;效率;模型 中图分类号:TH311 文献标志码:A 文章编号:1005-6254(2009)01-0025-05Optimal desi gn of hi gh pressure pu mp for 10000tonsreverse os mosis des ali n ati on syste mHu J ingning,X iao X iaping,Zhou Shenggui,Z hou Guangfeng,Pan J inqiu(Technical and Research Center of Fluid Machinery Engineering,J iangsu University,Zhenjiang,J iangsu 212013,China )Abstract:Considering the energy consump ti on of the HP 2pu mp f or S WRO ,a reas onable type of high p ressure pu mp was selected,and a ne w structure of the axial sucti on seg ment multistage pump was p r o 2posed .Based on the existing effective hydraulic models,thr ough op ti m izing several key hydraulic di m en 2si ons which affect the efficiency,six kinds of i m peller models and t w o kinds of guide vanes were de 2signed,and six gr oup s of hydraulic models were asse mbled.Perfor mance characteristics of these models were p redicted by using the CF D technol ogy .T wo gr oup s of high 2efficiency hydraulic models were selec 2ted t o p r oduce t w o single 2stage model pu mp s for test research .The tests show that the capacity and head meet the require ments of the HP 2pu mp,and the efficiency of the best model pu mp reaches t o 79.72%.Key words:S WRO;high p ressure multi 2stage pu mp;centrifugal pump;axial sucti on;efficiency;model收稿日期:2008-05-15基金来源:国家科技支撑项目(2006BAB03A02);江苏省高新技术项目(BG2006024)作者简介:胡敬宁(1962—),男,安徽安庆人,研究员(hujingning@ ),主要从事流体机械及工程研究.肖霞平(1983—),女,湖南邵阳人,硕士研究生(xiaoxiap ing2003@ ),主要从事流体机械研究. 我国是一个淡水资源严重缺乏的国家.有关专家分析提出,淡化海水是解决我国沿海地区淡水严重短缺的有效途径之一[1],海水淡化也有望成为我国新兴的朝阳产业.反渗透技术是一项效率高、易于大规模使用的海水淡化技术,在水资源紧缺的今天,有着广阔的应用前景.高压泵是反渗透法海水淡化技术应用中的一个关键设备.在反渗透膜选定的情况下,反渗透海水淡化系统的能耗指标主要取决于高压泵、提升泵和能量回收装置的能耗指标[2,3].国内外用于反渗透海水淡化工程的高压泵主要是往复式柱塞泵和多级离心泵.国内的往复式柱塞泵、多级离心泵制造技术已经十分成熟,并被成功地用于油田注水、高压锅炉给水等行业,但这些产品不能直接应用于反渗透海水淡化工程,主要存在效率不高、机型不经济等问题[4].结合万吨级反渗透海水淡化工程,针对工程中所用高压泵等的技术参数,提出一种新型轴向吸入的多级离心泵,并对其结构进行优化、水力模型进行试验研究.这对加速海水淡化高压泵的国产化有着非常重要的意义.1 技术参数确定1.1 反渗透海水淡化流程图1是反渗透海水淡化工艺流程框图[5].在反渗透海水淡化工程中,待处理的海水经过高压泵进行加压后,进入反渗透膜堆;经过渗透后的为所需的淡水,剩余部分为浓度较高的海水,这部分具有高压力能的浓海水通过能量回收装置将待处理的海水升压,再经过提升泵进一步提升压力后进入高压管道,又与高压泵中的海水混合后,送往反渗透膜堆.图1 反渗透海水淡化工艺流程Fig .1 Pr ocess diagra m of the S WRO syste m1.2 主要技术指标从流程图中可以得出,海水淡化装置的产水量指标就是高压泵全天累积流量.国内万吨级海水淡化工程中一般采用两台泵并联运行.则高压泵流量为Q =(10000/24)/2≈208m 3/h高压泵所需的扬程与海水淡化生产装置操作压力有关.海水反渗透操作压力越高,产水率就越高.但随着压力的提高,设备投资也越来越高.我国海水淡化选择的是6.4MPa 压力等级,一般要求高压泵扬程为600～620m.考虑到产水量有一定的余量,万吨级反渗透海水淡化工程中的高压泵的技术指标为:流量Q =220m 3/h;扬程H =620m;效率指标不低于80%.2 泵结构的优化设计2.1 总体结构结合技术指标和各种高压泵的优缺点,采用一种新型结构,即轴向吸入节段式多级离心泵,泵的结构如图2所示.此种结构的具体优点如下.图2 轴向吸入节段式多级泵结构示意图Fig .2 Structural diagra m of the axial sucti onseg ment multistage pu mp2.1.1 轴向吸入结构轴向直管吸入结构取代了传统节段式多级泵径向入口的环形吸入室.直管吸入室流速分布均匀,水力损失小,有利于效率的提高.由于在叶轮的吸入口侧没有轴承,叶轮进口不穿过轴,轴向式吸入的叶轮由原来的穿轴结构变成悬臂结构,就可以对首级叶轮进行优化设计,无需考虑太多汽蚀性能,而与次级叶轮一样主要考虑提高效率的设计原则.轴向吸入的结构,减少了一套机械密封和机械密封辅助冲洗系统,不仅提高了运行的可靠性,也可以减少专门冲洗机械密封的容积损失.2.1.2 结构紧凑减少了一套机械密封腔与轴承座,轴向尺寸大大缩短,轴向尺寸、轴承跨距分别为两端支撑节段式多级泵的2/3和1/2.在保持刚度不变的条件下,可以采用更细的轴径.有研究表明[6]:对泵效率影响最大的因素就是叶轮当量进口直径.轴径的减少,可以使轮毂减小,故能更好地控制叶轮当量进口直径、叶轮口环直径、级间口环直径,给提高效率设计提供了机会.海水淡化多级泵由前置泵供水,无需考虑汽蚀性能,可选择更小的叶轮当量进口直径.2.1.3 水润滑轴承的应用水润滑轴承的应用简化了轴承结构,缩小了泵的尺寸,减轻了机组重量.在多级泵中,比起采用滚动轴承的传统结构,转子不需要克服滚动轴承外圈和轴承体之间的比较大的摩擦力,转子轴向运动更加灵活.除了能减少机械损失外,也给轴向力平衡装置减少容积损失提供了条件.2.2 级数确定离心泵的效率与比转速有很大关系.在相同流量下,比转速高的泵,其效率相对高些;比转速低的泵,其效率要低些.根据G B /T 13007—1991《离心泵效率》中的规定,流量为220m 3/h,扬程620m ,转速62 排 灌 机 械 第27卷2980r/m in 的多级泵效率和级数的关系见图3.图3 级数与效率曲线Fig .3 Series 2efficiency curve仅仅从效率来说,级数越多效率越高,但从结构和可靠性来说,级数越少越可靠[7].新型多级泵采用的是液体滑动轴承,其液膜是不稳定的,并且转子不平衡,口环间隙处的缝隙流动对液膜刚度存在很大影响,在结构有着很大的限制.高压泵转子动力学特性分析计算表明:相同的泵型,随着级数的增加,轴承跨度增加,轴上惯性元件增加,从而导致工作转速下第一阶临界转速呈递减趋势.图4表示叶轮级数i 与转子系统临界转速n c 关系.从图4中可见,四级到六级下降最快;当十、十二级时,第一阶临界转速接近工作转速.图5表示工作转速下转子系统的对数衰减率(δm in )变化情况,δm in 越大表示转子系统越稳定.相同泵型条件下,随着级数增加,最小对数衰减率呈递减趋势,相比之下,四级泵稳定性最好,八级以后曲线趋于平稳.图4 叶轮级数与转子系统临界转速关系Fig .4 Relati onshi p bet w een i m peller series andcritical s peed of r ot or system图5 工作转速下转子系统的对数衰减率变化图Fig .5 Change chart of l ogarith m decay rate of r ot orsyste m under working s peed综合转子动力学特性和泵效率两方面的因素,海水淡化高压泵采用六级泵方案.2.3 轴向力平衡装置提高节段式多级泵的效率,不仅应设法降低泵叶轮和导叶内的损失,还应减少平衡装置的泄漏损失.因为平衡装置是靠压差而工作的,没有泄漏就不能产生平衡[8].据文献[9]统计:节段式多级泵一般泄漏量为额定流量的4%～10%,高扬程小流量多级泵高达20%.高压泵采用平衡鼓和平衡盘联合机构[10]来平衡轴向力,采用水润滑轴承兼作平衡鼓.此结构不仅减少了泄漏量,而且拥有水润滑轴承的所有优点,比滚动轴承的摩擦力小,平衡鼓的间隙选取要以水润滑轴承的设计为依据.平衡装置结构见图6.图6 平衡鼓和平衡盘联合结构Fig .6 United structure of balancing dru m and balancing disk高压泵轴向力及轴向力平衡计算表明,随着灵敏度提高(值变小),泄漏量也随之降低.灵敏度k =0.26,平衡装置泄漏量小于6m 3/h,平衡装置泄漏损失不到3%.图7为泄漏量q v 和灵敏度关系曲线.平衡间隙减小趋势时,平衡装置有很大的抵抗力,足以保证平衡盘和静止的耐磨环不发生研磨现象.图8为轴向不平衡力F 和转子位置关系曲线.图7 泄漏量和灵敏度关系曲线Fig .7 Relati onshi p bet w een leakage and sensitivity72第1期 胡敬宁等:万吨级反渗透海水淡化高压泵的优化设计图8 轴向不平衡力和转子位置关系曲线(k =0.26)Fig .8 Relati onshi p bet w een axial unbalancing forceand r ot or positi on3 水力部件的优化设计3.1 叶轮与导叶的匹配在水力设计中,叶轮、导叶各个参数的选择对泵的性能均有很大影响,将导叶与叶轮统一考虑,各个参数选择配合恰当,可提高水力效率.3.2 叶轮的主要参数考虑到多级泵轴向吸入的结构形式,应用损失极值法、相似换算法、优秀水力模型与水力设计软件相结合的方法,设计出6种首级叶轮,应用F LUE NT 软件对其进行内部流场模拟与性能预测,选出2种较好的模型,叶轮主要参数见表1.表1 叶轮的主要参数Tab .1 M a jor param eters of i m pellers名称叶轮A叶轮B进口直径D j /mm 155158出口直径D 2/mm 280294出口宽度b 2/mm1821出口安放角β2/(°)3020叶片数Z75包角φ/(°)103149轮毂直径d h /mm1701733.3 导叶的主要参数分段式多级泵中,从叶轮出来的液体靠导叶收集并输送到下一级叶轮的进口.导叶的水力损失在多级泵中占的比例较大,合理设计导叶十分重要.因此对导叶总的要求是:在其收集和输送液体的过程中损失最小,并使液体均匀地进入下一级叶轮.优化设计后的导叶,其主要参数见表2,其中,导叶A 与B 分别与叶轮A 与B 相匹配.表2 导叶的主要参数Tab .2 M a jor param eters of gu i de vanes名称导叶A导叶B基圆直径D 3/mm 288300轴面宽度b 3/mm 2325喉部面积A 3/mm420350正导叶进口安放角α3/(°)1115正导叶叶片入口厚度δ3/mm 4 3.4正导叶叶片数Z 1912扩散段出口面积A 4/mm 2837648反导叶进口直径D 5/mm 320330反导叶出口直径D 6/mm135110反导叶进口安放角α5/(°)2818反导叶出口安放角α6/(°)6090正导叶叶片入口厚度δ5/mm 33反导叶叶片数Z 21094 模型试验为了保证泵的性能要求,进行了单级模型泵试验研究.两组单级水力模型泵的性能曲线图见图9,10.图9 A 组模型泵性能曲线Fig .9 Perf or mance curves of modle pu mp A图10 B 组模型泵性能曲线Fig .10 Perf or mance curves of modle pu mp B82 排 灌 机 械 第27卷由图9可见,在模型泵采用砂模铸造条件下,A 组模型的效率达到了79.72%.在实型泵中,通过采用精密铸造提高过流部件的水力尺寸精度和表面质量,效率指标有望突破80%,可达到万吨级海水淡化工程对高压泵的效率要求.5 结 论1)针对万吨级反渗透海水淡化装置用高压泵,采用过流部件内安装一组液体自润滑轴承的方法,在大型多级泵中实现了轴向吸入式结构.2)采用液体润滑轴承的多级泵,应充分考虑转子动力学特性,在大型多级泵中最好不采用超过6级的结构.3)平衡鼓和平衡盘联合平衡轴向力装置,可以通过优化设计,达到减少平衡装置泄漏损失的目的.4)对水力部件进行了优化设计,借助于CF D 技术的,通过性能预测筛选,进行了模型泵的试验研究.模型泵最优效率达到79.72%.通过进一步提高,实型泵的效率有望突破80%.参考文献(References)[1] 陈益棠,胡兆银.用海水淡化法解决海岛用水[J].水处理技术,2006,32(6):65-69.Chen Yitang,Hu Zhaoyin.A path t o s olve the shortageof fresh water res ource in sea islands2sea water desalina2ti on[J].Technology of W ater Treat m ent,2006,32(6):65-69.(in Chinese)[2] A I-Enezi G,Fa wzi N.Design considerati on of RO u2nits:case studies[J].D esalination,2003,153(1-3):281-286.[3] Grundisch 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