采用综合方法提高反渗透多级泵的能源效率并减轻气蚀：比能和二氧化碳影响

《Energy》：Employing a combined approach to improve energy efficiency and mitigating cavitation in multistage pumps for reverse osmosis: specific energy and CO 2 implications

　　

**研究要点**

- 专门设计的试验台架可同时进行泵的汽蚀与性能测试。
- 通过ZGB汽蚀模型和SST k-ω湍流模型，将CFD框架与实验结果进行了验证。
- 通过Pareto/TOPSIS方法从32个CFD候选方案中筛选出最优叶轮。
- 基于优化后的叶轮，在苦咸水反渗透（BWRO）应用中，比能耗（SEC）降低了2.47%。
- 优化后每年可节电36 MWh，在五国电力网格中可减少CO?排放13–44吨/年。

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## 引言

全球碳中和目标的推进，加速了传统能源与工业系统向更加可持续、节能方向转型的步伐，同时推动了可再生能源及储能技术的快速部署[1]。在此转型过程中，水与能源部门日益被视为高度相互关联的系统，其可持续性取决于在维持运行可靠性的同时降低高耗能工艺的电耗需求[2]。在这些工艺中，泵系统在海水淡化、发电、输配水及废水处理设施中占用电力的比例相当可观[3]。因此，提升泵的性能已成为减少能耗、助力现代水-能基础设施脱碳目标的有效途径[4]。然而，在接近液体饱和蒸汽压条件下运行时，可能诱发汽蚀，导致水力性能下降、能耗增加、振动与噪声加剧以及材料渐进性侵蚀[5]。因此，提升多级离心泵的水力效率与汽蚀特性[6]，对于增强当代水-能系统的能效、可靠性与可持续性仍然至关重要。

已有大量研究通过几何设计优化和先进建模技术探讨了改善离心泵水力性能与能效的方法[7]。数据驱动方法以及人工智能（如进化人工神经网络）已被应用于提升能源系统的性能预测[8]，甚至缺陷识别[9]。类似地，集成敏感性分析、代理建模与进化算法的多参数优化策略已被用于提升泵在广泛工况范围内的水力特性[10]。其他研究则集中于改善泵关键部件的水力设计，如叶轮[11]和蜗壳[12]。此外，系统级研究探讨了提升工业泵系统效率、降低能耗的策略。Housh和Salomons[13]提出了一种基于模型的本地控制策略，用于无储能管网中变速泵站的运行。通过将泵扬程与效率曲线整合进本地优化回路，控制器动态选择泵组合与转速，以满足压力设定值的同时最小化功耗。在市政管网中的测试表明，该策略与标准比例控制相比，能耗降低约10%，同时保持了水力可靠性。Gülich[14]报告称，表面粗糙度改善、叶轮切削修整和扩散器匹配的综合作用可使离心泵效率提升2–6个百分点，具体提升幅度取决于比转速。Dyak等人[15]发现，叶片厚度与曲率修改造可使水力效率提升6.5%–26.5%，而叶片数量和排列方式的改变可使效率提升1.6%–13%，具体取决于所采用的方法。Yao等人[16]通过实验证明，在双吸离心泵中通过喷砂和涂层降低壁面粗糙度，可使扬程提高2.53%、效率提升6.60%。近期研究还利用CFD和熵产分析探讨了泵-水轮机系统中的非定常流动动力学与耗散特性，为不同工况下的水力效率提供了洞察[17]。尽管这些研究为改善水力性能提供了有价值的见解，但在优化过程中通常未明确考虑汽蚀效应。

虽然许多研究致力于提高泵的效率，但另一条重要的研究路线则聚焦于理解和检测离心泵中的汽蚀现象[18]。汽蚀通常起始于叶轮入口处，尤其是多级泵的第一级，并可能导致效率损失和泵性能恶化[19]。为检测和表征汽蚀，研究人员采用了多种实验技术，包括振动监测、声学与噪声分析[20]以及基于压力脉动测量的信号处理方法[21]。结合多种信号的混合诊断方法也被提出以提高汽蚀检测精度[22]。除这些诊断技术外，实验与数值研究还考察了不同工况条件[23]和几何构型[24]下的汽蚀行为。

随着计算能力的提升，CFD已成为分析计算域内汽蚀行为与流场模式的重要工具[25]，并且常与实验验证相结合来研究离心泵中的汽蚀特性[26]。已有多种方法[27][28][29]被开发用于模拟汽蚀现象，改善对汽泡生成与演化的预测，以及针对旋转流应用引入的改进公式[30]。Song等人[31]将叶片吸力面轮廓从对数螺旋线改为切线-圆弧组合形式，使临界汽蚀系数降低了26.5%，同时水力效率提高了4.9%。Pei等人[32]采用正交实验设计优化了带导叶扩散器的离心泵的入流角（范围：0°–10°）和叶片包角（范围：80°–120°），使扬程降低了0.63 m。Shim和Kim[33]利用三维RANS模拟与Kriging代理模型耦合多目标遗传算法，对离心泵叶轮进行了三目标设计优化。通过优化部分负荷堵转、峰值效率和过载汽蚀起始，所获得的Pareto最优设计实现了最高25.32%的吸水堵转率降低和55.88%的临界汽蚀系数降低，同时提升了效率，证明水力性能与运行可靠性可以同步增强[33]。高速摄像可视化等实验方法进一步揭示了汽蚀模式[34]并验证了数值结果[35]，而湍流模型的对比研究则评估了其在预测离心泵带汽蚀流动方面的能力[36]。更近期的研究还探索了水力机械和能源系统中的汽蚀抑制[37]和涡流控制策略[38][39]。尽管取得了这些进展，但大多数研究仍然将汽蚀行为与水力性能分开处理，同时兼顾两个方面的综合优化框架仍然有限。

这一局限对于特定离心泵构型尤为重要。估计叶轮设计参数的指南通常以宽泛范围给出，且主要适用于轴向进流泵。对于径向进流的BB4型多级泵，流体在进入叶轮入口之前从径向转向轴向，产生周向非均匀性、非轴对称入流角和二次流。因此，从轴向进流泵得出的结论可能无法直接应用于径向进流多级泵。这一分歧在水轮机文献中已有充分论述。Tanaka等人[40]通过实验表明，多级离心泵的对称弯型吸水壳体在叶轮入口处产生扭曲的来流，且起始汽蚀由局部入流角而非平均值决定。Kim等人[41]进一步证实，多级筒泵中的径向吸水壳体在叶轮入口处产生前旋和后旋流模式，且肋片构型必须经过优化以减少周向速度分量并降低汽蚀起始系数。这些发现共同表明，径向进流泵叶轮入口处的速度分布与轴向进流泵有根本性差异，基于后者得出的设计准则必须谨慎应用。

因此，仍存在两个缺口。第一，对于径向进流多级泵，仍缺乏一个同时解决水力性能提升与汽蚀抑制的统一框架，其中吸水壳体几何与叶轮设计之间存在强耦合。第二，尽管提高泵效率是公认节能策略，但在海水淡化等应用中，泵的汽蚀约束优化很少与其在工厂层面的能耗和碳排放后果进行定量关联。这两个缺口本质上是相互关联的：在部件层面，最小化临界汽蚀系数可确保泵在可用吸入口压力下不受汽蚀引起的效率劣化影响运行，而最大化水力效率可直接降低给定流量和扬程下的轴功率需求；在系统层面，由此产生的电力需求降低将降低海水淡化厂的比能耗，进而降低其碳排放。阐明并利用这一因果链——从叶片级几何到级间水力性能再到工厂级能源与环境结果——为本研究提供了概念基础。

为弥补上述缺口，本研究 pursuing 三个相互关联的目标：（i）建立并验证一个能够预测BB4型径向进流多级泵中汽蚀起始和水力性能的CFD框架；（ii）通过系统性参数研究和可行性约束三目标Pareto/TOPSIS排序，确定在最小化临界汽蚀系数的同时最大化水力效率和扬程系数的叶轮与吸水壳体几何；（iii）将CFD优选设计转化为苦咸水反渗透（BWRO）应用的工厂级比能耗、所提出的水-能耦合指数（WENI）以及CO?排放结果。通过显式地将部件级设计优化与系统级能源和环境指标相联系，本研究弥合了泵水力设计与工厂可持续性评估之间的方法学鸿沟。主要贡献如下：

- 设计并建造了一套专用的闭环试验台，可同时开展性能测试与汽蚀测试，并对CFD框架进行验证。
- 通过CFD预测与实测结果的对比，确定了合适的湍流与汽蚀模型。
- 系统研究了七个叶轮和吸水壳体参数，包括入口直径、出口宽度、叶片角度、叶片数量和内流道截面积（IFPA），其中轮毂和护板入流角独立处理以捕捉径向进流的流场畸变。
- 采用可行性约束的三目标Pareto/TOPSIS框架（最大化水力效率和扬程系数，最小化汽蚀起始），在多种权重方案下稳健地筛选出单一最优几何构型。
- 量化了最优设计在五个国家电网下的工厂级比能耗（SEC）、所提出的水-能耦合指数（WENI）以及相应的CO?减排量，建立了部件级水力改进与系统级可持续性结果之间的定量联系。

研究结果为高耗能行业中多级离心泵的优化设计提供了实用指导，将叶轮级水力与汽蚀行为与工厂级能效和碳影响联系起来。

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## 章节摘要

### 泵特性

本研究考察了两类离心泵：HSD型单级悬臂式离心泵（下文称HSD）和BB4型多级轴承间安装式离心泵（下文称HMBP）。HSD和HMBP泵的主要尺寸参数见表1。HSD泵通过柔性联轴器与一台30 kW三相鼠笼式感应电机耦合。计算中使用的电机效率和功率因数取自制造商性能曲线。

### 实验测试装置

图1展示了一套闭环实验系统，配备一个14,000升水箱（1），专门设计用于离心泵的性能与汽蚀测试。大容量水箱可在汽蚀测试过程中保持流体温度恒定，因为流体的饱和蒸汽压具有温度依赖性。一个闸阀（2）用于调节水箱后的水流量。两个压力变送器（3）安装在泵吸入口附近（在5D距离之前，见图1(c)），用于测量绝对压力（0–2.5……

### 流场域准备与网格划分

为模拟包含汽蚀和非汽蚀两种场景的流场模式，对HSD泵的流场域进行了调整。该域包含图2所示的多个组件。在实际中，根据API 610等相关标准，识别多级泵中汽蚀起始的程序仅针对第一级进行评估[14]。因此，本文针对第一级流场域进行了模拟。该域包括入口……

### 结果与讨论

建立了一套实验装置，旨在探究HMBP泵叶轮几何与吸水壳体对性能和汽蚀起始的影响。通过在该装置上对单级离心泵进行大量测试并辅以数值模拟，确定了合适的数值方法。基于经验和计算代码，对多级离心泵的第一级进行了多组叶轮和吸水壳……

### 能耗分析与CO?排放评估

本节将CFD预测的单级水力性能转化为苦咸水反渗透（BWRO）应用的工厂级能耗与排放后果。

经过可行性筛选的一组32个候选叶轮，通过Pareto/TOPSIS框架依据三个目标进行排序：(i)苦咸水反渗透（BWRO）工厂高压段的年电能消耗，(ii)工厂相对于热力学最小值的比能耗，以及(iii)相关的

**结论**

本研究通过实验与数值耦合的方案，调查了多级离心泵中的空化起始与水力性能，并将所得的叶轮几何选型与改进转化为BWRO海水淡化应用中的工厂级能源与排放影响。采用经验证的ZGB空化模型和CFD框架，对由七个设计变量顺序参数化研究生成的32个候选叶轮几何进行了评估：入口

**局限性与未来方向**

若干方法论上的范围界定选择限制了本研究的发现。CFD框架在单级OH2泵的多个运行点上进行了验证，并在BB4多级泵的最佳效率点（BEP）处进行了验证（表A1–A2）；全面的BB4多运行点映射仍是一个有价值的未来方向。积分性能指标（，，）得到了充分验证，但局部汽相体积分数（）未与定量空穴率测量数据进行验证，未来的非定常空腔研究

**CRediT作者贡献声明**

Maryam Roshanaei：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，调查研究，形式化分析，数据管理。

Amir Arsalan Dehghan：撰写——审阅与编辑，撰写——原稿撰写，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查研究，资金获取，形式化分析，数据管理，概念构思。

**利益冲突声明**

?作者声明他们不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文所报告的工作。

**致谢**

作者衷心感谢德州农工大学J. Mike Walker '66机械工程系提供的财政支持。如论文中所述，本研究中创建的部分计算网格是使用GridPro生成的，这是一款由Program Development Company LLC（美国佛罗里达州迈阿密）开发的CFD网格划分软件包。作者衷心感谢Program Development Company LLC提供GridPro许可证，使本研究得以顺利推进。

Amir Arsalan Dehghan | Maryam Roshanaei