火电厂锅炉给水泵机组节能改造中汽蚀问题的探讨.pdf

2 0 1 5年第 4 3卷第 6期 流体机械 4 7 文章编号 1 0 0 50 3 2 9 2 0 1 5 0 6 0 0 4 70 3 火电厂锅炉给水泵机组节能改造中汽蚀问题的探讨 郭凯， 袁秀敏 沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司， 辽宁沈阳1 1 0 8 6 9 摘要 对锅炉给水泵泵组进行变频调节能起到节能减排的效果。但随着电机变频 ， 与锅炉给水泵共用电机、 且同轴 驱动的前置泵也须在变频的情况下低速工作， 相应的泵出口压力降低。此时， 前置泵是否能满足锅炉给水泵不发生汽蚀 的要求 ， 本文从锅炉给水泵的3个负荷工况情形对此予以分析讨论。 关键 词 前置泵 ； 变频 ； 汽蚀 中图分 类号 T H 3 文献标志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 1 1 Di s c u s s i o n o n Ca v i t a t i on f or Po we r S av i n g o f Bo i l e r Fe e d W a t e r Pump Un i t for i n Fo s s i l Pl a n t GUO Ka i ， YUAN Xi u- mi n S h e n y a n g B l o w e r Wo r k s G r o u p N u c l e a r P u m p C o ． L t d ． ， S h e n y a n g 1 1 0 8 6 9 ， C h i n a Ab s t r a c t F r e q u e n c y c o n v e r s i o n f o r b o i l e r f e e d wa t e r p u mp u n i t c a n g a i n p o we r s a v i n g a n d e mi s s i o n r e d u c e ． Ho we v e r ，w i t h f r e q u e n c y c h a n g e o f mo t o r ，t h e b o o s t e r p u mp w h i c h s h a r e s mo t o r wi t h b o i l e r f e e d w a t e r p u mp a n d i s d ri v e n b y t h e s a me s h a f t ， s h a l l o p e r a t e i n f r e q u e n c y c h a n g e a n d l o w s p e e d ．D i s c h a r g e p r e s s u r e o f p u mp w i l l d e c r e a s e a c c o r d i n g l y ．At t h i s t i me ， wi t h o p e r a t i o n o f b o o s t e r p u mp，we w o n d e r i f n o c a v i t a t i o n wi l l h a p p e n t o t h e f e e d w a t e r p u mp ．B o i l e r f e e d wa t e r p u mp a t t h r e e l o a d s wi l l b e a n a l y z e d a n d d i s c u s s e d ． Ke y wo r d s b o o s t e r p u mp； f r e q u e n c y c o n v e r s i o n； c a v i t a i o n 1 前 言 火 电厂 自身 的用 电量 约 为发 电量 的 7 ％ ～ 1 0 ％ 用电机驱动给水泵 或 4 ％ 一 6 ％ 用汽轮机 驱动给水泵 。很 明显 ， 电机驱动 的锅炉给水泵 泵组 下文简称给水泵 是火电厂 内部用电大户 ， 影响到电站的供 电煤耗 、 发 电成本 以及排放指标 等 。对该泵组进行节能改造 ， 提高泵组能效很有 必要。目前 ， 我国对 电机驱动 的锅炉给水泵进行 节能改造 的工作 已经在 2 0 0和 3 0 0 MW 机组 的火 电站大范围开展 。 发 电机组的负荷调整要求给水泵性能随之适 当调整⋯ 。而给水泵性 能调整 传统 的方法是通 过液力偶合器调速来完成 ， 这种调速方案存在较 大的能量损耗。随着 电机变频调速技术 的发展成 熟 ， 将电机变频降速技术和液力偶合器增速功能 组合， 实现给水泵机组的转速调节， 成为 目 前对电 收稿 日期 2 0 1 41 1 0 3 修稿 日期 2 0 1 50 5 0 8 机驱动锅炉给水泵实施节能降耗技术改造的最优 技术方案 。即改造液力偶合器仅保留其齿轮副的 增速功能， 而变频器调整电机可以实现转速降低 ， 两者组合可以随意调速驱动给水泵。这种改造可 以规避液力偶合器 固有 的 3 ％滑差损失 ， 同时避 免泵组在低负荷工况下 由于低效带来的很大的能 耗损失。经过多家 电厂测评 ， 此种节能改造可以 节约 2 0 ％的厂用 电。 2 节能改造带来的问题 在火电厂， 通常将锅炉给水泵、 液力耦合器 、 双 轴伸电机 、 前置泵等串成一个机组 ， 如图 1 所示。 图 1 给水泵泵组主要设备 4 8 F L UI D MAC HI NE RY V o 1 ． 4 3， N o ． 6， 2 01 5 电机的一端通过液力耦合器驱 动给水泵 ， 电 机另一端驱动前置泵。也有采用小型汽轮机驱动 给水泵的， 不在本文讨论之列 。 前置泵的设置是为了提高锅炉给水泵的装置 汽蚀余量 、 保障锅炉给水泵在各种工况下安全运 行。锅炉给水泵因其转数较高 ， 造成必需 汽蚀性 能 N P S H r 值较大 ， 而给水泵进 口前 的除氧器需 要低压脱 氧 除汽 ， 使 得给水 泵 的装 置 汽蚀余量 N P S H a较低 J 。两者 间不匹配 ， 不能满足给水泵 安全运行的要求 ， 因此 ， 需要在给水泵人 口前增加 前置泵作为增压泵 。前置泵出 口压力较大 ， 完全 可以保证给水泵在任何工况不会发生汽蚀 。但节 能改造 中原工频运行的电动机因增设变频器改为 变频运行 ， 造成原本工频运行 的前置泵也 随之变 频低速运行 、 扬程降低。这样一来， 降速后的前置 泵能否保证给水泵不发生汽蚀和是否有必要给前 置泵单设一台电机驱动 ， 这些 问题成 了节能改造 过程中争论的焦点。 3 给水泵泵组汽蚀余量匹配问题 的讨论 从离心泵的理论可以判定 ， 不论 N P S H a如何 变化 ， 只要 N P S H a比给水泵 固有 的 N P S H r高 即 可， 此时给水泵不会发生汽蚀。 选取 3 0 0 MW 机组 Z个典型的运行工况来进 行分析， 具体运行工况参数对比见表 1 。 表1 3 0 0 MW 机组给水泵泵组运行工况参数表 改造前前置泵 改造后前置泵 工频转速 变频低速 参数 1 0 0％ 5 0％ 4 0％ 1 0 0％ 5 0％ 4 0％ ECR E ECR ECR E ECR 机组负荷 MW 3 0 0 1 5 0 1 2 0 3 0 0 1 5 0 1 2 0 除氧器压力 M P a 0 ． 7 5 0 ． 3 5 0 ． 2 0 ． 7 5 0 ． 3 5 O ． 2 5 管 道静 压 MP a 0 ． 2 0 ． 2 0 ． 2 0 ． 2 0 ． 2 0 ． 2 前置泵扬程 M P a 0 ． 9 0 ． 9 0 ． 9 0 ． 9 0 ． 2 5 O ． 1 5 给水泵入口压力 M P a 1 ． 8 5 1 ． 4 5 1 ． Z 1 ． 8 5 0 ． 8 0 ． 6 饱和温度 o C 2 1 0 1 9 9 1 9 4 2 1 0 1 7 5 1 6 4 给水泵入口实际温度 ℃ 1 7 2 1 7 2 1 7 2 1 7 2 1 7 2 1 7 2 给水／ 饱和温差 3 8 2 7 2 2 3 8 3 8 饱 和压 力 绝压 ， MP a 0 ． 8 5 0 ． 8 5 0 ． 8 5 0 ． 8 5 0 ． 8 5 O ． 8 5 给水泵入口饱和压力差 1 0 ．6 0． 4 - 5 1 ． 0 5 _ o． 2 5 MP a 给水泵汽蚀情况 无 无 无 无 临界 严重 1 1 0 0 ％E C R 额定工况 负荷下工频转速／ 变频低速运行参数的比较 对比表 1的第 1列和第 4列 机组在 1 0 0 ％ E C R 额定工况 时， 由于节能改造后的变频前置 泵的转速接近最高转速 ， 相 当于改造前后 的运行 工况 中前置泵的工频和变频下的输出参数几乎没 有差别 ， 可以判断该工况给水泵不会发生汽蚀。 2 1 0 0 ％E C R快速降至 5 0 ％E C R时前置泵 工频转速／ 变频低速运行参数的比较 机组运行 中需 要从满负荷 突然 快速下 降到 5 0 ％E C R， 此时机组负荷下 降一 汽轮机调 门关 小 一抽汽压力降低_ 除氧器工作压力下 降 ～ ， 给 水泵人 口前 的参数发生了较大变化。给水泵人 口 的压力等于除氧器压力 、 管道静压和前置泵扬程 之和。管道静压 0 ． 2 MP a基本不变 ， 除氧器的工 作压力下降到 0 ． 3 5 M P a 。对比表 1的第 2列 和第 5列 ， 变频前置泵转速随机组负荷下降而降 低， 其扬程下降到0 ． 2 5 M P a 泵的出口压力与转 速的变化成平方关系 ， 给水泵人 口压力接近 0 ． 8 MP a ， 此时给水温度仍在 1 7 2 93 压力变化快而给 水温度变化慢 ， 根据水和水蒸气 的物理参数表 可知 0 ． 8 MP a已经临近此温度饱和压力。但 当离 心泵的流量减小到额定流量 的 2 ／ 3以下时， 叶轮 的入 口处将产生二次 回流 ， 给水泵 N P S H r 实际并 不会像理论分析的那样下降、 反而还要上升 ， 导致 5 0 ％E C R时前置泵变频低速运行时 ， 给水泵入 口 形成临界汽蚀 的状态 ， 设备运行仍处于安全状态。 3 1 0 0 ％E C R快 速降至 4 0 ％E C R时工频转 速／ 变频低速运行参数的比较 如因某种突发原 因， 机组从 1 0 0 ％E C R快 速 降至 4 0 ％E C R， 对比表 1的第 Z列和第 6列可知 ， 2种工况下的除氧器压力 、 管道静压 ， 变频改造前 后是相同的， 直接影响给水泵人 口压力的还是前 置泵的扬程。改造前工频转速时前置泵的扬程基 本维持在 0 ． 9 MP a 。1 0 0 ％E C R快速降至 4 0 ％E C R 的短时间内， 锅炉给水泵人 口的给水温度仍然保 持在 1 7 2 9 3 接近 1 0 0 ％E C R负荷 下除氧器 的水 箱水温 ， 工频转速 时给水泵入 口的 1 ． 3 MP a远 高于水温 1 7 2 93的饱和压力 0 ． 8 MP a ， 不会发生 汽化 。而变频低速前置泵 的扬程只有 0 ． 1 5 MP a ， 此时给水泵人 口的压力下降到 0 ． 6 MP a ， 对应 的 饱和温度为 1 6 4 93 ， 1 7 2 93的除氧水进入给水泵显 然要大量汽化 ， 这时给水泵严重汽蚀已无可避免。 经过上述分析 ， 可以得出 工频转速与变频低 速时前置泵在额定工况 1 0 0 ％E C R时可 以确保 给 2 0 1 5年第 4 3卷第 6期 流体机械 4 9 水泵不会发生汽蚀， 但由于电站工况随时可能发 生变化 ， 变频低速的前置泵不能保证 5 0 ％E C R以 下的工况能够提供足够的入 口压力保证给水泵不 汽蚀。只要不能 回避 5 0 ％E C R 以下的运行工况 就必须给前置泵增设一 台电机独立驱动 ， 否则给 水泵入 口处汽蚀不可避免 ， 甚至可能出现断流。 4结语 国内电动锅炉给水泵机组几乎全部采用工频 定速前置泵 ， 几十年的运行证 明了此种组合 的泵 组是安全的。在实施锅炉给水泵泵组节能改造项 目时 ， 需要恪守给水泵原有 的运行环境才能保证 改造后机组没有运行隐患、 不会触碰雷区。尽管 有些机组采用了变频低速前置泵的方案至今还没 有暴露出安全问题， 但这并不代表机组在运行工 况变化 中一定不会 出现汽蚀 ， 况且长期 处于汽蚀 临界状态运行也存在累加风险。锅炉给水泵一旦 出现问题就可能造成给水泵芯包整体损坏 ， 损失 很大。因此将前置泵恢复成工频定速运行有利于 保证 电动给水泵在节能改造后全工况稳定运行。 参考文献 郭振宇． 3 0 0 MW 机组汽轮机热力系统及其设 备 [ M] ． 北京 中国电力出版社， 2 0 0 6 ． 关醒凡． 现代泵技术手册[ M] ． 北京 宇航出版社， 1 9 95． 赵钦新， 郭元亮， 史进渊， 等． 锅炉全生命周期安全 高效、 运行和节能减排[ J ] ． 压力容器 ， 2 0 1 3 ， 3 0 1 1 ． 1 4． 缪德良， 张如平． 有无冷却水冲洗对热水承 口环变 形的影响分析[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 3 ， 4 1 4 3 0 ． 3 3 ． 张启华， 徐媛晖， 施卫东 ， 等． 密封间隙对汽车冷却 水泵性能影响的研究[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 4 ， 4 2 1 2 47_ 5 1． 姚水永， 张彦 ， 王潜博， 等． 压水堆核电站给水泵转 速控制系统仿真机的研发[ J ] ． 机电工程， 2 0 1 5 ， 3 2 2 2 5 1 - 2 5 5 ． 李建刚． 汽轮机设备及运行[ M] ． 北京 中国电力出 版社， 2 0 1 0 ． 作者简介 郭 凯 1 9 7 8一 ， 男 ， 工程师 ， 通讯地 址 1 1 0 8 6 9辽 宁沈阳经济技术开发区 1 6 号甲 沈阳鼓风机集团核电泵业有限 公 司设计部 。 上接第 3 8页 [ 1 1 ]Y a n g B H，Wa n g H， Z h u X， e t a1．H e a t t r a n s f e r e n h a nc e me n t o f s p r a y c o o l i ng wi t h a mmo ni a b y mi c r o e a v - i t y s u rf a c e s [ J ] ．A p p l i e d T h e r ma l E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 3 ， 5 0 2 4 5 - 2 5 0 ． [ 1 2 ]X i e J L ， T a n Y B， D u a n F， e t a 1 ．S t u d y o f h e a t t r a n s - for e n h a n c e me n t f o r s t r u c t u r e d s u rf a c e s i n s p r a y c o o l i n g[ J ] ．A p p l i e d The rma l E n g i n e e ri n g ，2 0 1 3 ， 5 9 4 6 4 - 4 7 2 ． [ 1 3 ]杨强， 王宏 ， 陈蓉， 等．烧结多孔表面的氨喷雾冷却 实验研究 [ J ] ．中国激光 ， 2 0 1 3 ， 4 0 3 0 3 3 0 2 0 0 6 1- 5． [ 1 4 ]刘炅辉， 孙皖， 刘秀芳， 等．喷雾腔压力及喷嘴孔径 对相变喷雾冷却性能 的影响[ J ] ．强激光与粒子 束， 2 0 1 3 ， 2 5 1 0 2 5 4 6 - 2 5 5 0 ． [ 1 5 ]S o d t k e C，S t e p h a n P ．S p r a y c o o l i n g o n m i c r o s t ruc t u r e d s u r f a c e s [ J ] ．I n t e r n a t i o n al J o u rna l of H e a t a n d Ma s s T r a ns f e r，2 0 07，5 0 408 9- 40 9 7． [ 1 6 ]Q i a o Y M，C h a n d r a S ．S p r a y c o o l i n g e n h a n c e me n t b y a d d i t i o n of a s u r f a c t a n t[ J ] ． T r a n s a c t i o n s of t h e A S ME， 1 9 9 8 ， 1 2 0 2 9 2 9 8 ． [ 1 7 ]E s t e s K A，M u d a w a r I ．C o r r e l a t i o n o f S a u t e r m e an d i a me t e r a nd c rit i c a l h e a t flu x for s p r a y c o o l i n g o f s ma l l s u rf a c e s [ J ] ．I n t e r n a t i o n al J o u rnal o f He a t a n d Ma s s T r a n s f e r ， 1 9 9 5 ， 3 8 1 6 2 9 8 5 - 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