1、 I 摘 要 循环水泵是火力发电机组的主要耗能辅机之一，其能耗水平对全国火力机组的经济性具有重要的影响，电厂中循环水泵电耗比较大，一般占厂用电的 10左 右。对循环水泵节能改造势在必行。目前我国循环水泵运行的经济性、可靠性与世界先进水平尚有一定的差距。现在国家已经把电厂的节能技术改造提高到了一个新的高度，并列入电力行业重点科技计划，在能源资源日益紧张的今天，做好循环水泵的节能改造，降低能耗水平是提高全国火电机组经济性，从而节约能源，这对节能具有十分重要的经济价值和长远的社会可持续发展意义。 本文是在阅读国内 外大量文献资料的基础上，针对目前国内外普遍存在循环水泵运行性能和效率达不到设计值的现象
2、，吸取前人研究成果，对火电厂循环水泵的节能潜力问题进行了分析和研究。 全文共分五个部分。第一章为概述，阐述了本课题研究的必要性、研究意义、本课题研究的历史与现状，以及本文所做的工作等。第二章是针对火电厂的循环水泵，对其存在的问题作了系统分析。第三章归纳循环水泵的节能途径。第四章进行节能潜力的理论分析及计算。最后结论、致谢和参考文献等。 关键词： 循环水泵，节能潜力，节能改造，节能计算 II ABSTRACT Circulating Water Pump is the primary power consumption part in thermal power plant， it has ha
3、d civilizing influence upon the economy of the whole， power consumption of circulating pump is generally bigger,10 percent of plant electrical consumption.So the energy-saving renovation to circulating pump is necessary.It is obvious that we should think much of the economic and reliable between act
4、uality and advanced level .In sum， the alteration of circulating water pump is required to improve the economize energy. According to the phenomenon that running performance of the circulating water pump can not reach the design value at home and abroad， basing on reading a lot of literature both in
5、side and outside and learning the results of previous studies， the thesis does some systematic research and analyses on the energy saving of the circulating water pump in a power plant. The thesis consists of five parts. Chapter 1 introduces the essentials and meanings of the research， and the resea
6、rch history and Present situation， and the work of the thesis has done.，and the work of the thesis has done.Chapter 2 discusses deeply the problem of Circulating pumping system and chapter 3 induces circulating pump energy saving approach. Chapter 4 analyses and discusses Energy saving potential of
7、the circulating water pump. The last part is about conclusions ,thanks and references. KEY WORDS: circulating-water pump， energy saving potential， energy saving transformation，energy saving calculation 1 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 概述 . 1 1.1 问题的提出及本课题研究的意义 . 1 1.2 国内外发展状况及研究状况 . 1 1.3 本文研究的主要内容
8、 . 3 第 2 章 循环水泵存在的问题 . 4 2.1 循环水泵运行常见问题 . 4 2.1.1 汽蚀现象 . 4 2.1.2 常见的故障分析 . 4 2.2 循环水泵普遍存在耗能高的问题 . 5 第 3 章 火电厂循环水泵的节能方式分析 . 8 3.1 改变调节方法，实行优化运行和经济调度 . 8 3.1.1 调节方法的改进 . 8 3.1.2 循环水泵优化运行 . 10 3.1.3 循环泵系统的经济调度 . 11 3.2 合理地选型 . 11 3.3 改变循环水泵性能曲线 . 12 3.3.1 改变转速 . 13 3.3.2 切割叶轮 . 14 3.3.3 更换叶轮 . 14 3.4 改
9、进泵的管路系统，降低流体流动的阻力损失 . 14 3.5 优化密封装置，减少容积损失 . 15 3.6 优化叶轮水 力流道，减少流动损失 . 16 3.6.1 拟压缩性方法 (PCT) . 17 3.6.2 近似因子法 (AF) . 17 3.6.3 压力一速度校正法 (PVC) . 17 3.6.4 分块隐式有限差分法 (BIFDM) . 18 3.6.5 有限容积法 (Finite volume Method，简称 FVM) . 18 3.7 改进叶轮材质和制造水平，降低叶轮及本体表面粗糙度 . 18 3.8 加强管理和运行维护 . 21 第 4 章 循环水泵节能潜力的实例分析计算 . 2
10、2 4.1 某 300WM 电厂 XL1200-320 型泵 . 22 4.2 某电厂 600MW 机组 88LKXA-27.4 型立式可抽斜流泵 . 24 结 论 . 25 参 考 文 献 . 26 致 谢 . 27 华北电力大学本科毕业设计（论文） 1 第 1 章 概述 1.1 问题的提出及本课题研究的意义 电力工业中的节能是发展国民经济的一项重要的长期任务。从我国当前的电 厂现实情况来看，节能的潜力很大。常见的有效节能措施有：改进通流部分来提高汽轮机效率；提高主蒸汽压力、温度，降低背压等来提高机组循环效率；减少故障，提高机组运行可靠性等。随着优化理论、计算科学以及计算机技术的发展，又产生
11、了一种新的节能方法 优化运行 1。这种方法不需要对现有的设备进行改造就可确定系统当前工况下的最优运行状态点，在保证安全和运行的前提下，以最小的代价获得收益。与以往的节能措施不同，优化运行方法是一种比较新的节能理念，这种方法的优点是可为运行人员提供调度依据，不仅可以帮助运行人员摒弃经验性的习 惯调度方法，加强运行人员的节能意识，也有利于提高电厂的科学运行管理水平。 电厂中水泵的应用非常广泛，各种类型的水泵多达上千台，但循环水泵作为电厂的主要辅机倍受人们关注。火电厂中的循环水泵是火电厂厂用电的主要消耗源，它消耗的功率约占其所服务机组额定功率 1% 1.5%的份额。由于中国泵类产品的性能与世界发达国
12、家相比，水泵性能指标相差 5% 10%， 普遍出现实测性能低于设计制造性能 ， 造成泵出力不足、扬程偏低、泵效率低、电耗高等问题。另外水泵的型号规格不可能太多 ， 所以有时所选水泵与实际工况无法完全吻合。再者 ， 运行工况 点较远的偏离了设计工况点 ， 严重偏离了水泵的高效区 ， 致使泵的效率大大降低 ， 能耗增加。 火电厂循环水泵是为汽轮发电机组凝汽器等系统设备提供冷却水的重要辅机，它为电厂凝汽器、闭式冷却器等设备提供所需的冷却水，以满足汽轮机冷却循环倍率的要求维持凝汽器真空，提供最大限度的冷却效果；它一般为定速运行，电机消耗比较大，火电厂中循环水泵是厂用电的主要消耗源，约占厂用电 的 10
13、% 25%。 加上国产老机组所配的循环泵效率低，结构落后，因此，对它的节能分析与改造势在 必行 2。 现在国家已经把电厂的节能技术改造提高到了一个新的高度 ，并列入电力行业重点科技计划，因此，在能源资源日益紧张的今天，研究如何对循环水泵进行节能改造具有十分重要的经济价值和长远的社会可持续发展意义。 1.2 国内外发展状况及研究状况 目前国内外使用的大多数循环水泵为叶片式泵，其性能曲线斜度为 25% 30%，为突陡型性能曲线，其流量变化不大而能头变化较大，但是由于凝汽器内真空的要求，其流量变化不能太大。因而，要求循环水泵应具有当扬程变化较大时流量变化较小的特性 3。 就生产制造水平来说， 我国泵
14、类产品性能与世界上先进国家相比还有相当大的差距，水泵的能量指标相差在 5% 10%左右。在实际使用中，由于具体选型和使用不当或制造加工不良，水泵运行效率往往远低于产品样本给定值。 国内从八十年代开始进行火电厂经济性诊断系华北电力大学本科毕业设计（论文） 2 统的研究取得了很大的进步，使人们认识到了系统对节能的重要性。循环水泵的优化调度首先引起研究人员的重视，继而开式供水系统的循环水优化调度为电站经济运行带来了可观的经济效益，从此科研人员才重视到调整循环水系统运行参数可提高电站的运行经济性。 中国水科院从 1990年起，开发研制了 LY系列立式单吸单级式水泵和 WYS系列卧式双吸单级式水泵。水泵
15、比转速范围为 80 300，适应扬程 范围 10 150 m，流量范围 1800 26000 m/h，水泵效率可达 90% 以上。用于老泵型改造时，只需更换泵轮及密封环等部件，即可达到节能抗蚀的目的，而泵壳、进出水管及电机等均不需改动。 其特点是投资少，见效快，效果好 4。 泵的用户中存在的比较普遍的问题是泵的性能富裕量比较大，即所谓“大马拉小车”，使节能泵在远离最佳工况点运行，装置的运行效率低，浪费了能源。造成这种情况有三种原因：一是习惯性的意识，认为泵的性能富裕些比性能不足强；二是有泵就用，不管运行工况点的位置和效率，只要出水就行；三是设计规范 中规定了各种各样的系数，使选用者选的泵必然在
16、低效率区运行。 我国 300MW机组的厂用电率为 (5.35 5.5)%，而循环水泵的耗电率高达 (1.5 1.7)%，约占整台机组厂用电量的 30%。 600MW机组的循环水泵电机容量约为 2 300MW，即相当于 600MW机组发电量的 1%，占全部厂用电的 15%，仅此一点就可以说明其重要性。目前国内外大型机组的循环水泵运行效率大多在 80% 86%之间，若效率相差 3%，则 600MW机组的水泵运行费用按运行时间为 6500h/a计就相差 23.5万元 /a，可见其对电厂运行安全性和经济 性的影响程度较大 5。 综述 造成循环水泵电耗过大的因素主要有制造厂的因素和非制造厂的因素。其中制
17、造厂的因素主要有三点： 1) 水泵系列型谱不全。由于水泵系列型谱不全，用户选用水泵时在产品目录和样本上找不到适宜的品种和机号，因而被迫选用代用型号的水泵，结果导致了多耗电能。 2) 国内水泵行业生产的各类循环水泵，大部分内效率 偏 低。 3) 水泵装置效率低。究其原因，一是水泵的变速机构比较落后 ； 二是调节方法比较落后。由于上述原因，尽管有的水泵内效率较高（ 达 86%） 但其装置效率并不高。 造成能耗过高的非制造厂因素较多也较复杂，在这里 只简单列举主要 五 个： 1） 管路系统设计不合理，管网阻力大， 增加 了水泵使用的 能耗 。 2） 循环水泵的选型与机组本身不匹配。 3） 水泵的配套
18、电动机容量选取偏大。 4） 使用中采用了不适宜的效率低的调节方法， 不科学的 降低了水泵的调节效率。 5） 管理不善。无严格、科学的开停机规定及措施，过早开机或过晚停机都将造成电能的浪费。 目前 ， 许多五六十年代的泵产品仍在生产制造 ， 水力模型的落后 ， 科研开发投入的不足 ， 加工制造工艺水平的低下 ， 影响了泵行业产品整体水平的提高，因而国内在水泵节能华北电力大学本科毕业设计（论文） 3 工作中采取的主要措施有如下三点： 1）更换使用中的旧水泵，对使用 效率低又没有改造的水泵，采取逐步淘汰的措施。 2）推广使用高效节能水泵，开发高效的系列化的节能水泵，并在国民经济各个领域推广使用。 3
19、） 采用优化调节运行，使循环水泵尽可能运行在高效区， 但此方法治标难治本。 4）采用科学的选型方法，使循环水泵以机组和机组的运行水平相匹配。 国际上水泵的设计方法更为先进 ， 加工工艺也远比国内先进。同时 ， 对大型水泵 ， 一般不直接选用定型产品 ， 根据具体的使用条件来专门设计制造 ， 从而可实现运行效益的优化。 1.3 本文研究的主要内容 本文主要分析了目前我国电厂中循环水泵效率低，循环本泵能 耗较大的原因，介绍了火电厂循环水泵常见的运行故障，并重点对对水泵危害最大的汽蚀现象带来的危害做了主要说明，在前人研究成果基础上总结了提高循环水泵效率，改善运行调节现状的措施，并分析了各自的原理，最
20、后通过对 某 300WM 电厂 XL1200-320 型泵、 88LKXA-27.4 型立式可抽斜流泵节电量计算，得出了改造前后的能耗效率差异和带来的经济效益，说明了目前我国国内的很多火电厂正在运行的循环水泵巨大的节 能潜力 ,节能改造势在必行。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 4 第 2 章 循环水泵存在的问题 2.1 循环水泵运行常见问题 循环 水泵作为火电厂的重要辅机，其运行状况对整个电厂的安全性和经济性有重要影响，值得重视。本章从其自身结构出发，分析了循环水泵运行中的重要现象 汽蚀现象、其常见故障，以及运行中的能耗问题。 2.1.1 汽蚀现象 汽蚀现象是水泵运转过程中的一个常见问题。
21、若其过流部分的局部区域因为某种原因，抽送液体的绝对压力下降到当时温度下的汽化压力时，液体便开始在该处开始汽化，产生蒸汽，形成气泡。这些气泡随液体向前流动，至某高压处时，气泡周围的高压液体，致使气泡急剧的缩小以至破裂。在气泡凝结的同时，液体的质点将以高速填充空穴，发 生互相撞击形成水击，将使过流部件受到腐蚀破坏。 当泵发生汽蚀时，主要有三点危害： 1） 缩短了泵的使用寿命。气泡在金属表面凝结时，金属表面受到利刃似的强烈冲击，导致金属表面出现麻点以致穿孔。严重时金属晶粒松动并剥落呈现出蜂巢状。汽蚀发生时，由于机械腐蚀和化学腐蚀的共同作用，不可避免的使泵的过流部件变得粗糙多空，产生裂纹，严重时出现蜂
22、窝状或海绵状的侵蚀，甚至呈空洞，因而缩短了泵的使用寿命。 2）产生噪声和振动。由于泵汽蚀时，气泡在高压区连续发生突然破裂，以及伴随的强烈水击，而产生噪声和振动。可以听到像爆豆似的劈劈啪 啪的响声。汽蚀过程本身是一种反复冲击、凝结的过程，伴随着很大的脉动力。如果这种脉动力的某一天然频率与机组的自然频率相等，就会引起机组振动，机组的振动又将促进更多的气泡发生和溃灭，互相激励，最终导致机组的强烈振动，导致机组停止工作。 3）导致泵的运转性能下降。当泵内液体含有少量气泡时，不会影响到外性能的变化。这种潜伏性汽蚀往往不被人们所注意，以致经过一段时间运转才发现部件的汽蚀破坏。当气泡大量发生时，叶轮流道被严
23、重堵塞，破坏泵内流道的连续性，使泵的扬程，功率、效率均会显著下降，出现断裂工况。对比转速低的泵来说 ，由于叶片数较多，叶片宽度较小，流道窄而长，再发生汽蚀后，大量气泡就布满流道，造成断流，使泵的扬程、功率、效率均迅速下降。对比转速大的泵，由于叶片宽度较大，流道宽而短，因此气泡发生后，并不立即布满流道，因而对性能曲线上断裂工况点的影响就比较缓和。在高比转速的轴流泵中，由于叶片数少，具有相当宽的流道，当气泡发生后，气泡不可能布满流道，不会造成断流，因此，在轴流泵的性能曲线上，不会出现断裂工况点，但仍有潜伏汽蚀的存在 6。 2.1.2 常见的故障分析 下表详细列举了运行中循环水泵常发生的故障及可能造
24、成此故障的 原因 7。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 5 表 2-1 循环水泵 常见故障 常见故障 产生原因 不启动 1、 异物进入到转动部位，滑动部位被咬住 2、 原动机的故障 3、 不满足启动条件 超负荷 1、 轴承烧焦 2、 泵内部咬住异物 3、 吸入侧出现与转动方向相同方向的旋涡 4、 旋转部分已坏 5、 转速过高 6、 填料函填料过紧 起动后水泵不出水 1、 泵内未灌满水，空气为排净 2、 吸水管路及表计不严或水封水管堵塞，有空气漏入 3、 吸水管路、底阀或叶轮有杂物堵塞 4、 泵安装高度超过允许值 5、 水泵转动反向 6、 泵出口阀体脱落 7、 转速降低 运行中流量 不足 1、
25、 叶轮、导叶等过水部件由于 腐蚀增大了各种间隙 2、 密封环磨损过多，有空气漏入 3、 叶轮或进口滤网堵塞 4、 泵的安装高度变化而发生汽蚀 运行中扬程降低 1、 叶轮损坏和密封磨损 2、 压水管损坏 3、 转速降低 振动 和噪声 1、 机械原因引起，如转子质量不平衡，转子中心不正，动静之间部件摩擦引起，平衡盘设计不良等。 2、 流体流动引起，如水利振动，旋转脱硫引起，喘振，原动机引起等。 3、 吸水池水位过低 液力耦合器腔内温度升高 1、 润滑油劣化或油内有杂物 2、 轴承检修安装质量不良，连接中心不良 3、 液力耦合器中产生大量泡沫，保护塞融化 填 料压盖处轴封漏水或发热 1、 密封盘根磨
26、损或安装不当 2、 密封水或冷却水不足 3、 填料压盖过紧或偏松 电动机过热 1、 水泵装配不良，转动部件与静止部件发生摩擦或卡住 2、 水泵流量远大于许可流量 3、 三相电动机电流不平衡或有一相保险丝烧断 4、 原动机冷却器肮污或堵塞，冷却水中断 2.2 循环水泵普遍存在耗能高的问题 华北电力大学本科毕业设计（论文） 6 大量电厂循环水泵实际运行效率测试数据表明，循环水泵运行效率均低于设计值，主要是设计院在选型时过于保守 ,扬程上留有很大的裕量 ,该用混流泵的场合而选用扬程较高的离心泵，运行工况不在高效区。总结导致循 环水泵耗能高的原因有以下几点： 1）高效区窄，循环水泵运行效率低，电耗高
27、目前正在运行的部分循环水泵的设计性能、实际运行参数和和配置方式如 表 2-2 所示。表中可以看出，大部分闭式循环系统中循环泵的实际运行效率在 60% 72%的范围，比设计值偏低 20%左右，部分泵的运行效率只有 50% 60%。循环泵的实际扬程分布在 137.3205.9kPa 范围，相当一部分长期在 147.1 166.7kPa 扬程下运行，而选用的循环水泵的设计扬程分布在 205.9 313.8kPa 范围内，比实际运行高出 20% 55%不等。因此泵的 运行工况严重偏离设计工况，这是导致运行泵效率低的的首要原因。此现象是循环水泵的耗电上升 25%左右，约使得厂用电率增加 0.3% 0.4
28、%。 1987 年以后，我国电力工业每年新增发电设备总容量 10000MW 以上，其中以 600MW 等大型汽轮发电机组为主，其辅机都是选用国内最先进的产品，效率一般都在 80%以上，比老产品高出 10 多个百分点。这些设备如果能够在经济区运行，效率是很高的，但因水泵效率曲线的高效区较窄，加上富裕量大，使其不能在设计的额定工况下运行，如遇调峰、负荷变化，则更使其远离高效运行区，效率下降很多。 表 2-2 循环水泵的一些主要参数 2）工况变化频繁，节流损失大 对于目前采用定速泵的大中型火电机组，普遍采取单元制控制系统，当负荷变化较大时，通过改变泵的运行台数并配合阀门调节来满足；若负荷变化较小时，
29、则改变阀门的开度进行节流调节。当负荷较高一台泵不能满足要求时，开启两台水泵，但此时压力和 流量都大大超过要求，那么只能对调整门的开度进行调节，从而导致很大的节流损失。而在负荷较低时，节流损失也会很大。据有关部门测 试， 1 台 40kW 的离心式水泵，当运行在额定流量的 70%时，由于节流而造成的功率损失高达 15kW 左右，相当于损失电机输入功率泵型号 32SH-19 32SH-19 48SH-22 源江 48P35A 配用机型 N-50 及以下机型 N-50 及以下机型 N-100 N-125 N-200 N-300 配用台数 2 2 2 3 3 设计性能 流量 5500 5400 110
30、00 11000 15588 扬程 318.7 284.4 257.9 257.9 261.8 效率 84 90 86.6 86.8 85.5 实际运行 流量 6800-7200 6500-7000 14300-15000 25300-26000 31000-32800 扬程 142.2-152.0 132.4-142.2 142.2-152.0 196.1-210.8 166.7-181.4 效率 55-60 55-60 60-65 70-72.5 60-70 华北电力大学本科毕业设计（论文） 7 的 30% 40%。如果 200MW 的火电机组长年负荷为 180MW，则给水泵阀门上所产生的
31、节流损失达 8839MWh。 3）以投入循环水泵台数调节冷却水量，使泵偏离最佳工况更远 目前，大部分电厂采用改变循环水泵台数来调节凝汽器冷却水量的方法，而这种方法将使运行泵的工作点进一 步偏离高效率点，特别对于单元制机组，当采用单台泵（或减少运行泵的台数）运行时，其工作点将移向大流量侧，加上设计选型时考虑的富裕容量，使运行泵的工作点进一步移向大流量侧，由于离心式循环水泵是低扬程大流量高比转速泵，其特性曲线陡峭，高效区较窄，特别超过设计流量时泵的效率急剧变化，致使运行泵的效率大幅下降，这也是造成上述循环泵运行效率低，耗能大的一个重要原因。 4）额定转速运行，电能消耗大 目前在电力行 业，作为电厂
32、自用机械的高压大功率交流电动机的使用量越来越大，而占电动机用电量 80%以上的大型电动机一般都是高压电 动机。为了满足电力系统调峰的需要，发电厂的负荷一般处于变动状态，特别是某些承担调峰运行的发电机组，其负荷变化的幅度较大，有的可从 100%负荷降到 60%，这就造成了在运行中普遍存在着负荷不饱满，厂用电率相当高的问题。要与变动的负荷相适应，就必须调整与其配套的动力装置，满足主机需要。而目前电厂中的水泵等都是在额定转速下运行，其负荷不变调节，一般都通过对阀门的开度进行调节来达到控制流量和压力的目的，但这种调节方 式，如前所述又会造成较大的节流损失。所以如果不对其采取调速措施，势必造成电能的极大浪费。
