基于热力学方法的给水泵性能曲线计算.pdf

F L U I D MACHI NER Y Vo 1 ． 3 6， No ． 0 1 ， 2 0 0 8 文章编号 1 0 0 5 ．- - - -0 3 2 9 2 0 0 8 O l o o 3 O 0 4 基于热力学方法的给水泵性能曲线计算 张艾萍 ， 刘桂华 ， 王国栋 ， 王海亭 ， 姜连轶 1 ． 东北电力大学 ， 吉林吉林1 3 2 0 1 2 ； 2 ． 辽宁新华源电力工程技术有限公司， 辽宁沈阳1 1 0 o 0 6 摘要 根据现场采集的汽动给水泵运行数据 ， 利用 I S O 5 1 9 8中提出的热力学方法计算得出了给水泵的各项运行性能 参数， 又通过最小二乘法回归分析得到运行中锅炉给水泵的性能曲线。这些曲线不仅为给水泵运行性能考核提供依据， 也为整个机组经济性的分析提供了依据。并通过实例证明了该方法用于电厂运行条件下的试验 ， 可操作性强， 简单方 便， 同时经过误差分析， 试验结果以及计算结果满足要求， 证明了此计算方法是确实可行的。 关键词 热力学方法； 最小二乘法回归分析； 性能曲线 中图分类号 T K 2 1 2 文献标识码 A Ca l c u l a tio n o f Ch a r a c t e r i s t i c Cu r v e s of Fe e d W a t e r Pu mp Ba s e d u p o n T h e r mo d y n a mi c s M e t h o d Z HANG Ai p i n g ，L 1 U Gu i - h u a ，W ANG Gu o d o n g 。 ，WANG Ha i t i n g ，J 1 AN G L i a n y i 1 ． N o r t h e a s t D i a n l i U n i v e r s i t y ， J i l i n 1 3 2 0 1 2 ， C h i n a ； 2 ． L i a o n i n g X i n h u a y u a n E l e c t ri c P o w e r E n n e e ri n g C o ． ，L t d ． ， S h e n y a n g 1 1 0 0 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e g a t h e r e d o p e r a t i o n d a t a o f f e e d w a t e r p u mp d riv e n b y s t e a m t u r b i n e ，t h e c h a r a c t e ris t i c p ara me t e r s o f f e e d wa t e r p u mp w a s t h e s i s c a l c u l a t e d b y t h e t h e r mo d y n a mi c s me t h o d t h e o r e m i n f e r r e d b y I S O5 1 9 8，a n d t h e c h a r a c t e ris ti c c u r v e s wa s g o t b y t h e l e a s t s q u a r e d me t h o d r e g r e s s i o n a n a l y s i s ．Th e s e c h a r a c t e r i s t i c c u r v e s o f f e r t h e b a s e s o f t h e f e e d w a t e r p u mp p e rf o rm a n c e e s t i ma t i o n a n d t h e w h o l e u n i t e c o n o mi c a l an aly s i s ．An d t h e t e s t i n g r e s u l t a n d t h e c alc u l a t i n g r e s u l t a l e a b l e t o s a t i s f y t h e r e q u i r e d a c c u r a c y b y e r r o r a n a l y s i s ，t h e c alc u l a t i o n i s p r o v e d t o b e a v a i l a b l e ． Ke y wo r d st h e rm o d y n a mi c s me t h o d；l e a s t s q u a r e d me t h o d r e gre s s i o n a n a l y s i s ；c h a r a c t e ri s t i c c u r v e s 1 前言 汽动给水泵 与电动调 速给水泵相 比较 ， 具有 明显的运行经济性 。因此 ， 我国3 0 0 M W 及以上机 组大多配套 1台 1 0 0 ％或 2台 5 0 ％容量的汽动给 水泵组以满足机组正 常运行 时锅炉上水的要求 ， 配套2 5 ％ ～ 5 0 ％容量的电动调速给水泵组作为 机组启动和备用泵 。为了提高除氧器在滑压运行 时的经济性， 同时又确保主给水泵的安全 ， 通常在 主给水泵前加装一 台低转速 的泵 ， 称为前置泵或 升压泵 ， 它与 主给水泵 串联运行。由于前置泵 的 转速低， 其必需汽蚀余量 N P S H r 较小 ， 可 以降低 除氧器的安装高度 ， 减少主厂房建设费用。同时 给水经前置泵升压后， 其出水压头高于主给水泵 的必需汽蚀余量和它在小流量工况下 的附加汽化 收稿 日期 2 o o 7 O 5 1 8 修稿 日期 2 o o 7 1 1 2 2 压头 ， 有效地防止了给水泵的汽蚀⋯ 。 汽动给水 泵的驱动方式有 2种 ， 一种是前置 泵由单独的电动机驱动 ， 小汽轮机 只驱动 主给水 泵 ， 如图 1 a 所示 ； 另一种是小汽轮机一端直联 主给水泵 ， 另一端通过减速齿轮驱动前置泵 ， 如 图 1 b 所示 。前置泵的总扬程一般不超过 1 0 0 m， 驱 动方式如图 1 b 所示 ， 可借助制造厂家的性能曲 线确定其效率。 2 基于热力学方法的给水泵性能参数计算 2 ． 1 原 理 热力学方法是把热力学第一定律应用到水和 其流过给水泵之间的能量转换而产生的。在现代 锅炉给水泵的运行条件下， 不能再把水当作是不 维普资讯 2 0 0 8年第 3 6卷第 O 1 期 流体机械 3 1 可压缩的 ， 也不能忽略水的比容以及 比热的变化。 当给水泵的叶轮高速旋转对流体做功后 ， 除 了使 流体获得有用功率之外 ， 还 由于各种损失转换为 热能 ， 使流体温度升高 ； 同时流体从泵进 口到出口 的等熵压缩过程 ， 也会使温度升高 ， 这两方面的因 素形成了泵进 、 出 口的温差。因此 ， 泵的热力学效 率 即泵 内流体在等熵压缩过程 中所吸收的能量与 外界供给的能量之比。 前置泵 ／ 1 主给水泵 前置 b 图 1 汽动给水泵 系统示 意 供给能量包括对通过泵 内流体的加热 ， 对流 过平衡装置 、 密封水 系统水和流过润滑油系统油 的加热， 以及泵体的散热损失等等 ] 。根据泵效 率的定义 ， 进一步推导出效率为 1 叼 h 2 一 h 1 c 2 ～ c 1 g z 2 厶 一 z 1 ／ [ h 2 一 h 1 c 2 一 c l 二 g 。 2 一 z J AE E ] 1 式中 h 一 h 。 等熵过程的焓升 ， k J ／ k g h 、 h 。 泵 出口、 人 口处的焓 ， k J ／ k g c 、 C I 水 在 泵 出 口、 人 口处 的 平 均 速 度 ， m ／ s z 2 、 z 。 泵出口、 人 口处的高度 ， Il l g 重力加速度 ， m ／ s △ E 考虑到平衡 盘泄漏 和轴封泄漏 等 损失而采取的修正项 ， k J ／ k g E 泵轴 已提供但没有被流体带走的外 部损失 ， 包括轴承 、 轴封磨擦 、 泵壳 散热等损失 ， k J ／ k g 在实际测量中常将测量位置取为 c c ， z z ， ， 将式 1 简化为 r ／ h 2 一h 。 ／ A h △ E， E 2 根据热力学关 系式 h ～h ， P 一 P c 一T ， 得到 r ／ u P 2 一 P 1 ／ [ P 2 一 P 1 ‘ c 一 1 △ E E ] 3 式 中u 水的平均比容 ， Il l ／ k g c 水的平均 比热 ， J ／ k g c I 二 水 的 压 缩 性 系 数，在 国 际 标 准 I S O 5 1 9 8中称之为等熵因子 △ E E 与泵 的 比转数有 关 ， 其 数值 范围为 0 ． O 1～ 0 ． 0 5 所 以， 可得泵的有效功率 为 P p g ， 泵 的 轴功率可由 P P ／ 叼确定 。 2 ． 2 实例验 证 某电厂 2 机组 3 0 0 MW 的 Q G 5 2 52 4 0型 给水泵性能考核试验 ， 共进行了 5个工况， 试验系 统如 图 1 a 所 示 。主 给 水 泵 型 号 容 量 为 Q G 5 2 5 2 4 0 半容量 ， 驱 动方式 为汽轮机 给水 泵 ， 出 口流 量为 5 8 0 m ／ h ， 中间抽 头 流量 为 3 3 m ／ h ， 扬程为2 6 1 5 m， 轴功率为4 7 7 0 k W， 效率为 8 0 ％ ， 转 速 为 5 2 0 0 r ／ m i n ， 配 用 功 率 为 5 5 0 0 k W。 测量数据和计算数据如表 1 所示 。 利用热力学法测量泵 效率， 其 效率测定值 的 精度用相对极 限误差 来 表示 ， 按 I S 0 2 5 4 8 C级和 I S 0 3 5 5 5 B 2个档次来判别 ， 效率 的相对极 限误差 分别 ≤5 ％和≤3 ％ 。 △叼 ／ 叼 -2_{ [ u △ P 2 一 P 1 ／ p 2 - p 。 ] [ 口 a p 2 一 P 1 C 。 a t 2 一 t 1 ] ／ [ a p 2 一 P 1 C t 2 一 t 。 ] △ E ／ E 4 绝对误差 卸 、 却 。 取较大者 ， 用 卸 表示 ， 则 { [ 2 y a p p 2 一 P 。 ] [ 2 a A p C △ t 2 一 t 1 ] ／ [ a p 2 一 P 1 C t 2 一 t 1 ] △ ／ E 5 上述电厂给水泵的效率误差计算值 已列于表 1中。可以看出效率的相对极限误差小于 5 ％， 满 足试验要求 。 维普资讯 3 2 F L UI D MAC HI NE RY ， Vo 1 ． 3 6， N o ． 01 ， 2 0 0 8 表 1 给水泵性能实验数据及计算结果 给水泵出口流量 1 0 k g ／ h 参数名称 5 5 3 ． 6 5 2 4 ． 2 8 4 8 9 4 7 5 ． 3 4 4 5 4 ， 3 2 人 口压力 MP a 0 ． 7 0 ． 6 9 6 0 ． 7 1 2 0 ． 7 0 4 0 ， 7 3 2 出 口压力 MP a 2 1 ． 7 6 2 1 ． 7 6 2 1 ． 7 6 2 1 ． 6 5 2 1 ． 6 9 入口温度 ℃ 1 5 1 ． 2 2 1 5 0 ． 3 5 1 5 0 ． 8 1 4 9 ． 7 9 1 5 0 ． 0 8 9 出口温度 ℃ 1 5 4 ． 2 9 1 5 3 ． 5 2 1 5 4 ． 1 l 1 5 3 ． 0 9 1 5 3 ． 4 2 实际温升 ℃ 3 ． 0 7 3 ． 1 7 3 ． 3 1 3 ． 3 3 ， 3 4 平均密度 k r , ／ n l 9 2 0 ． 9 9 2 1 ． 7 1 9 2 1 ． 0 9 9 2 2 ． 1 9 2 1 ． 8 3 扬程 n 1 2 3 3 2 2 3 2 9 ． 6 2 3 3 0 ． 2 2 3 1 6 ． 3 2 3 1 8 ． 3 等温系数 1 0 n l ／ k g 0 ． 6 2 2 6 0 ． 6 2 5 2 0 ． 6 2 3 2 0 ． 6 2 6 6 0 ． 6 2 5 6 定压质量热容[ J ／ k g k ] 4 2 7 8 ． 6 4 2 7 6 ． 5 4 2 7 8 ． 1 4 2 7 5 ． 4 4 2 7 6 ． 1 效率 ％ 8 2 ． 5 8 1 ． 2 7 9 ． 5 7 8 ． 9 7 8 ． 4 转速 r ／ ra i n 4 5 5 7 4 5 0 0 4 4 4 6 4 4 2 0 4 3 8 5 效率的相对极 限误差 ％ 3 ． 2 2 9 2 ． 4 3 7 2 ． 4 5 6 2 ． 4 5 5 2 ． 4 6 效率的极限误差％ 2 ． 2 2 4 1 ． 9 7 9 1 ． 9 5 3 1 ． 9 3 7 1 ． 9 2 9 轴功率 k W 4 2 6 4 ． 1 9 6 4 o 9 8 ． 7 8 5 3 9 10 5 ． 7 2 3’ 3 8 0 2 ． 6 7 3 6 6 0 ． 8 5 3 给水泵性能曲线计算 根据试验数据 ， 可 以绘制出锅炉给水泵的实 际性能曲线 J 。利用最小二乘法回归分析原理 ， 使用软件 O r i g i n 7 ． 5， 根据表 1中某电厂给水泵性 能实验数据及计算结果中的数据进行分析， 得出 给水泵特性 曲线 1 流量与轴功率 流量与轴功率之间的特性曲线如图2所示。 从图中可看出给水泵的轴功率与其流量呈一元线 性关系。在一定流量范围内， 当给水泵流量增 加 时 ， 所需要的轴功率随之增大。流量与轴功率的 关系式为 P6 0 1 8 ． 2 5 q 9 4 1 ． 4 8 6 4 8 6 式 中 轴功率 ， k W p 流量 ， k g ／ h 由于上述试验 中未达到极 限流量 ， 故方程适 用 范围为 4 4 0 X 1 0 ≤Q5 6 0 X 1 0 。 2 流量与效率 流量与效率之间的特性 曲线如图 3所示。从 图中， 可以看出流量与效率之间呈曲线上升关系。 在一定流量范围内， 当给水泵流量增加时 ， 给水泵 的效率随之增大。流量与效率的关系式为 叼 5 1 8 ． 6 1 6 7 3 2 6 5 5 ． 3 5 q 5 2 6 o q 一 3 4 0 8 ． 4 3 Q 7 由于上述试验中未达到极 限流量 ， 故方程适 用范围为 440 X 1 0 ≤Q≤5 6 O X 1 0 。 莹3 9 5 0 8 3 ． 0 4 4 O 5 0 0 Q I k g ／ h 蓬 8 0 ．5 图 2 Q p性能 曲线 5 0 0 Q l o l k g ， l 1 图3 Q 一 7 7 性能曲线 维普资讯 2 0 0 8年第 3 6卷第 0 l 期 流体机械 3 3 由于试验 中所取均为实用工况下 的数据 ， 没 有达到极限流量且试验次数较为有限 ， 经过计算 软件分析所得的性能曲线和方程均有一定误差存 在 ， 但在汽动给水泵 的实用工况范 围内使用还是 满足工程要求 的。经过方差 分析及显著性检验 ， 式 6 中回归方程 的相关 系数 R 0 ． 9 9 8 3 3 、 残余 标准差 S D1 5 ． 9 1 6 2 5， 式 7 中回归方程的相关 系数 R 0 ． 9 9 9 8 7、 残余标准差 S D 0 ． 0 3 8 8 1 。综 上所述， 式 6 、 7 中两变量之 间的相关程度 较 好。 4 结 论 1 基 于 I S O 5 1 9 8中热力学测 量 的原 理 ， 按 I S O 2 5 4 8 C级要求 ， 提出了适用于现场测试条件下 的简化计算式 。在电厂运行条件下 ， 通过对 给水 泵的性能试验验证 ， 效率 的相对极限误差达到工 业试验 C级精度 ， 因此可认为该方法是切实 可行 的 ； 2 通过对汽动给水泵的运行数据监测进 行 绘制的给水泵性 能曲线 ， 得到了给水泵效率 以及 轴功率与给水流量之间的一一对应关 系， 为给水 泵的性能考核以及作整机经济性分析提供 了方便 快捷的依据 ； 3 该方法用于 电厂运行条件下 的试 验 ， 可 操作性强 ， 简单方便 ， 满足给水泵性能考核试验 、 运行方式优化 以及进 行整机经 济性分 析时的要 求。 参 考文献 [ 1 ] 吴季兰． 3 0 0 M W 火力发电机组丛书汽轮机设备及 系统[ M] ． 北京 中国电力出版社，1 9 9 8 ． [ 2 ] I S O 5 1 9 8 1 9 8 7 ． 离心泵 、 混流泵和轴流泵液力性能试 验规程 精密级 [ S ] ． [ 3 ] 马庆玲 ， 胡洪华． 用热力学方法测量大型锅炉给水 泵效率[ J ] ． 中国电力， 2 0 0 0 ， 3 3 8 1 8 2 2 ． [ 4 ] 山西省电力工业局编． 汽轮机设备运行[ Z ] ． 中国电 力 出版社 ， 1 9 9 8 ． 作者简介 张艾 萍 1 9 6 8 一 ， 男 ， 教授 ， 主要从 事热 力设 备经 济性分析 、 故障诊断及状态维修 的研究 ， 通讯地址 1 3 2 0 1 2吉林吉 林市长春路 1 6 9号东北 电力大学成教学院。 上接第 6 1页 [ 2 ] S a r l A， K a y g u s u z K ．S o m e f a t t y a c i d s u s e d f o r l a t e n t h e a t s t o r a g et h er ma l s t a b i l i t y a n d c o r r o s i on o f me t a l s w i t h r e s p e c t t o t h e r m a l c y c l i n g [ J ] ．R e n e w a b l e E n e r g Y， 20 03，2 893 9- 9 48． [ 3 ] P a n u t M u l y o n o ．D i r e c t c o n t a c t t h e rma l e n e r g y s t o r a g e s y s t e m u s i n g N a 2 C O 3 ． 1 0 H 2 0 s o l u t i o n [ J ] ．E n e r g y ， 2 0 0 4，2 92 5 7 3 - 2 5 8 3 ． 4] A h m e t S a r l ，K a mi l K a y g u s u z ．T h e r m a l a n d h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e ris t i c s i n a l a t e n t h e a t s t o r a g e s y s t e m u s i n g l a u ri e a c i d [ J ]．E n e r gy C o n v e r s i o n a n d Ma n a g e me n t，2 002，432 4 93- 25 0 7． [ 5 ] E ma n B e l l a h，Me t t a w e e，G h a z y M． R，A s s a s s a b． E x p e ri me n t a l s t u d y o f a c o mp a c t P C M s o l a r c o l l e c t o r [ J ] ． E n e r gy， 2 0 0 6， 3 1 2 9 5 8 2 9 6 8 ． [ 6 ] Me h m e t E s e n ， T e o m a n A y h a n ．D e v e l o p m e n t o f a mo d e l c o mp a t i b l e w i t h s o l a r a s s i s t e d c y l i n d r i c a l e n e r gy s t o r a g e t a n k a n d v a ria t i o n o f s t o r e d e n e r gy wi t h t i me for d i f f e r e n t p h a s e c h a n g e m a t e ri a l s [ J ] ．S o l a r E n e r gy， 1 99 6，3 7 1 7 7 5 1 78 5． [ 7 ] Me h m e t E s e n ， A y d i n D u r mu s ， A y l a D u r mu s ．G e o m e t r i c d e s i g n o f s o l a r a i d e d l a t e n t h e a t s t o r e d e p e n d i n g o n v a ri o u s p a r a me t e r s a n d p h a s e c h a n g e ma t e ri a l s ．J ． S o l a r En e r gy ，1 99 8，62 1 9 28． [ 8 ] M e h m e t E s e n ．T h e rma l p e rf o r m a n c e o f a s o l a r a i d e d l a t e n t he a t s t o r e us e d f o r s pa c e h e a t i n g b y h e a t p ump [ J ] ．S o l a r E n e r gy， 2 0 0 0 ， 6 9 1 5 - 2 5 ． 【 9 ] 康艳兵， 张寅平， 朱颖秋 ， 等．相变蓄热同心套管传 热模型和性能分析[ J ] ． 太阳能学报， 1 9 9 9 ， 2 0 2 0 25． [ 1 0 ] 康艳兵 ， 张寅平， 江亿， 等．板式相变贮能换热器 传热模型和热性能分析 [ J ] ． 太阳能学报， 2 0 0 0 ， 211 21 1 2 7． [ 1 1 ] 张奕， 张小松．有机相变材料储能的研究和进展 [ J ] ． 太阳能学报 ， 2 0 0 6， 2 7 7 2 5 7 3 0 ． 作者简介 周素娟 1 9 8 3 一 ， 女， 硕士研究生 ， 主要从事太阳能 热 泵热水 器／ 相 变材 料 蓄能领域 的研究 ， 通讯地 址 2 1 0 0 9 6江苏 南京市 四牌楼 2号东南大学能源与环境学院。 维普资讯