[01370537]大型离心泵非线性动力学理论与系统节能研究及应用

本项目是国家自然基金委、科技部重点支持项目,属于制造业科学技术领域。 离心泵是重要的能量转换设备,是液体输送系统的“心脏”,广泛应用于工业生产的各个领域,是国民经济的关键装备和通用设备。其中大型离心泵主要应用在高温、高压、大流量及输送复杂工质等场合,对其水力性能和可靠性要求很高。受技术封锁等因素的限制,目前大型离心泵主要是严重依赖进口,因此,本项目成功实施必将打破我国高温、高压、大流量、多相介质等大型离心泵长期依赖进口的局面,具有深远的社会意义。 针对大型离心泵领域急需解决的重大技术难题,为打破西方对大型离心泵产品的技术封锁,实现大型离心泵产品替代进口,西北农林科技大学与江苏大学联合相关行业龙头企业,依托国家水泵及系统工程技术研究中心、在国家科技支撑计划和国家自然基金项目等5个国家和省部级课题的资助下,通过产学研合作方式对大型离心泵理论、关键技术和高端典型产品进行了全面、系统、深入的研究和推广应用。攻克了高温、高压、大流量和高可靠性大型离心泵设计的关键科学问题,创建了大型离心泵变工况水力设计技术、创建了大型离心泵变工况分数阶控制器设计理论、水力设计技术和随机稳定性分析方法,研发的5种大型离心泵产品的水力性能达到了国际领先水平。 研究成果已在上海凯泉泵业集团有限公司、利欧集团有限公司、沈鼓集团石化泵有限公司等6家大中型企业使用;开发的高扬程排水泵、高温高压汽液两相液力透平泵、多相混输泵、管线输油泵、LNG型液下泵等典型产品改变了我国高端大型离心泵产品主要依赖进口的现状,填补了国内空白。 主要科技创新点： （1） 基于大型离心泵优化平台的多相混输水力设计技术：基于大型离心泵优化平台,采用整体优化控制策略实现对水力模型进行差异化、系统化设计,提出相应的变工况水力设计方法,经过大量试验的探索确定多种结构形式的新型螺旋叶轮,有效解决了输油过程中涉及到的多相混输问题和高温高压汽液两相液力透平泵瞬变工况下高效、高可靠运行的技术难题;经第三方检测机构测试表明：水力性能均优于国外同类产品,达到国际领先水平。 （2） 大型离心泵混杂非线性系统建模动力稳定性评估：针对不同场合、不同工况等特殊差异化需求,创新性提出机组分段非线性动态传递系数,建立大型离心泵多工况混杂非线性系统分数阶动力模型;基于分数阶Lyapunov稳定性定理深入研究空泡参数不确定性及其对振动影响,同时量化评估相应工况下系统稳定性及失稳时的动力学机理,为大型多相混输大型离心泵的非线性控制研究提供了理论基础。 （3） 构建大型离心泵全特性数据表达的分数阶非线性控制方法：从负流量到正流量、正转到反转深入研究大型离心泵水动力特性关键因素,量化过渡过程机组内部瞬态流动变化规律,从而揭示不同工况大型离心泵全特性数据变化特征;基于离心泵全特性数据变化特征,抽象其为一类复杂非线性系统,基于分数阶非线性系统控制理论设计并实现大型离心泵的分数阶PIaDb控制,解决传统全特性表达方法只能描述有限流量区间及特定转速不足难题; （4） 构建集优化运行、稳定评估和全工况控制的互联网+服务管理平台：以数理统计与相似理论为基础,基于上述研究内容,构建了集节能控制、优化运行、数据分析及故障诊断的互联网+服务管理平台,攻克了国产大型离心泵效率低、可靠性差和寿命短等行业难题,突破了技术封锁并替代进口。 本项目已获发明授权专利49件;发表SCI/EI检索相关论文35篇。 项目组在高端大型离心泵的研究和开发过程中,坚持理论突破、关键技术研究,新产品开发和推广应用并举的方针,充分利用国家水泵及系统工程技术研究中心、石油和化工行业泵及系统节能技术重点实验室与全国泵行业建立的技术应用推广服务体系,举办中国（镇江）先进流体工程装备技术转移大会,不断加强成果的推广应用,满足社会对大型离心泵产品的节能和高端需求。项目组每年培养42名博士与硕士研究生从事相关的创新研究,其中大部分研究生已在大型离心泵相关企业工作,也间接推广了本技术成果,提高了大型离心泵相关行业的技术水平。同时,项目组在每年2期的全国现代水泵设计及试验培训班上,为数百人讲授现代离心泵水力设计方法及运行节能技术等内容,进一步促进了大型离心泵研究成果的推广应用,项目组每年培养3-5名外国留学生（含硕士生和博士生）,并与美国、新加坡、印度尼西亚、德国等相关企业开展合作,提高了我国大型离心泵在国际间的影响力。 据统计,项目研究成果已先后转让、应用和技术辐射了江苏、山东、浙江、湖南、湖北、辽宁和陕西等84余家企业,提高了我国大型离心泵研究领域的地位。项目产品通过参与市场竞争,在国防和工业等领域打破了国外垄断,产品的总体性能指标达到了国际先进水平,部分指标达到了国际领先水平,具有极大的推广应用价值。 据6家企业近三年统计,累计新增销售额18.16亿元,新增利润2.53亿元。研究成果已在神华集团、扬子石化、金陵石化、浙江LNG 接收站等全国石油化工领域广泛推广应用,促进了石油化工和经济建设;通过多工况优化设计方法对大型离心泵水力模型进行优化,提高了其水力性能、拓宽其高效区,预计每年可节省2亿千瓦时,节约7.3万吨标准煤,减少排放二氧化碳19.5万吨,推动了大型离心泵行业科技进步,取得了巨大的经济和社会效益。