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水泵系统节能改造技术分析及应用

发表时间：2020/11/23 来源：《基层建设》2020年第22期作者：马宏伟

[导读] 摘要：通过对内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司工艺净循环水系统、空分循环水系统、动力循环水系统和二级泵站水泵系统实际运行工况参数和相关设备参数的检测，分析系统产生高能耗的原因，准确计算出用水设备与流体输送相匹配的最佳工况点，通过更换高效节能水泵，达到最佳节能降耗的效果。

        内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司内蒙古赤峰市 025350
        摘要：通过对内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司工艺净循环水系统、空分循环水系统、动力循环水系统和二级泵站水泵系统实际运行工况参数和相关设备参数的检测，分析系统产生高能耗的原因，准确计算出用水设备与流体输送相匹配的最佳工况点，通过更换高效节能水泵，达到最佳节能降耗的效果。
        关键词：节能改造；循环水系统；分析；效益
        Analysis and application of energy saving reformation technology of water pump system
        Abstract：In Inner Mongolia datang international kersh g teng coal gas technology limited liability company net circulating water system，air separation circulating water system，power pump circulating water system and secondary pump system actual operating conditions and related equipment parameters detection，analysis system to produce the reasons of high energy consumption，accurate to calculate the water working condition of equipment and fluid conveying the best matching points，by changing the high efficiency and energy saving water pump，to achieve the best effect of energy saving and consumption reducing.
        1前言
        近年来，国内外能源形势依然严峻复杂，能源需求呈刚性增长，国家大力倡导节能减排，全面推进节能方面的技术改造工作。水泵系统节能属国家重点推进的十大节能领域之一的电机系统节能范畴。据不完全统计，全国水泵装机约3000万台，总容量约24000MW，耗能总量约占全国发电量的20%-25%，提高水泵系统运行效率的节能潜力可达250-350亿kW.h/年，相当于4～7个装机容量为1000MW级的大型火力发电厂的年发电总量[1]。大量成功案例表明：通过对水泵系统进行系统地分析和优化，采用匹配的节能水泵可以使系统节能率达到10%～40%以上，节能潜力非常可观。
        我国正在以科学发展观为指导，加快发展现代能源产业，坚持节约资源和保护环境的基本国策，把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置，努力增强可持续发展能力，建设创新型国家，继续为世界经济发展和繁荣作出更大贡献。
        2系统概况
        2.1工艺净循环水系统简介
        工艺净循环水系统生产能力为8000m3/h，分二间塔，单列排开，单塔处理能力为4000m3/h。分别为加压气化、煤锁气压缩、除氧站、甲烷化、低温甲醇洗、压缩制冷、丙烯库、硫回收、凝结水精处理对应的生产装置提供压力为0.4～0.52MPa、水温小于28℃以及各项水质指标合格的循环冷却水。工艺净循环水系统配置三台循环水泵，设计为两开一备，系统现设备基本参数如表1。
            表1 工艺净循环水系统现设备基本参数表

        2.2空分循环水系统
        空分循环水系统生产能力为9900m3/h，各分二间塔，单列排开，单塔处理能力为4950m3/h，分别为空分对应生产装置提供压力为0.4～0.5MPa、水温小于28℃以及各项水质指标合格的循环冷却水。空分循环水系统配置三台循环水泵，设计为两开一备，系统现设备基本参数如表2。
             表2 空分循环水系统现设备基本参数表

        2.3动力循环水系统
        动力循环水系统采用二次循环冷却，主要的冷却设备有冷油器、发电机空气冷却器、给水泵电机冷却器、给水泵润滑油冷却器及除灰系统设备等。动力循环水系统的总循环水量约为6452m3/h，该系统配置五台循环水泵，设计为两开三备，系统现设备基本参数如表3。
                 表3 动力循环水系统现设备基本参数表

        2.4二级泵站系统
        内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司用水源，取自内蒙古克什克腾旗大石门水库，原水由水库边一级取水泵提取，水泵出口并入两根DN900输水管线，送入二级泵站的有效容积各为15000m3的2个调节水池中。
        二级泵站配置四台单吸双级中开式卧式离心泵，设计为一开三备，二级泵出口并入两根DN1000输水管线，送入容积为2000m3的高位水池，高位水池采用自流方式用两根DN1000输水管线将水送入厂区综合水池，系统现设备基本参数如表4。
                                                                               表4 二级泵站现设备基本参数表

        3系统运行工况及能耗分析
        3.1系统运行工况
        通过对系统运行数据进行检测，各系统运行数据参数如表5。
                                                                                 表5改造前系统运行参数

        3.2系统能耗原因分析
        通过现场调研和对检测数据的计算及分析，该系统存在水泵运行效率偏低，吨水耗电量高等问题，造成能耗高的主要原因有以下几个方面：
        1）水泵偏离最佳工况运行
        水泵设计参数与整个系统不匹配，存在偏小流量工况运行的情况。根据离心泵的运行规律，水泵在最佳工况点运行时，其运行特性（噪音、振动）和效率均处于最佳状态，而偏离最佳工况点运行，则水泵的运行效率下降明显。
        从数据来看，空分循环水系统供水总管压力0.454MPa，明显高于工艺要求的0.4Mpa。通过对换热装置进行勘测，目前系统满足2套空分装置运行，其用水装置为空压机、增压机、空冷塔和水冷塔，空压机和增压机供水阀门开度为25°～30°，水冷塔和空冷塔均设有增压泵，增压泵出口阀门开度为37%。通过对整个管道的能量损失进行计算，计算公式
          [2]

        hw —— 总能量损失
        hf —— 沿程能量损失
        hj —— 局部能量损失
        v²/2g——速度水头
        λ——沿程阻力损失系数
        ζ——局部阻力损失系数
        经初步计算，空分循环水系统总能量损失在26米左右，其中增压泵出口阀门压力损失10米左右，其余阀门损失15米左右，沿程能量损失1米左右。通过对系统进行优化，将增压泵出口阀门全开，供水总管压力由0.454Mpa降低到设计要求的0.4Mpa左右。此时，装置进口压力均高于0.3Mpa，系统各用水装置的流量不会降低，不仅能满足工艺要求，而且能实现较大的节能空间。
        2）水泵容积损失增加
        水泵经过长年运行，水泵主要零部件因磨损、汽蚀等原因，造成容积损失增大，水泵的输送能力下降，导致水泵效率降低。
        3）管道阻力损失大
        从工艺净循环水运行数据来看，26004#泵的出口压力明显高于26005#泵的出口压力。由此说明26004#泵的出口阀门阻力损失偏大，通过对该泵送水管道进行优化，减低系统能量损失，实现系统节能的目的。
        4节能改造方案
        4.1系统问题解决方案
        由于现系统均存在水泵设计扬程偏高、管道阻力损失大等系统设计缺陷，同时水泵本身效率低等问题。因此，可通过降低管道阻力损失及提高水泵效率两方面来减少能耗。具体方案如下：
        （1）通过对水泵水力设计和结构设计进行优化，以及提高设备制造精度来提高泵本身的效率；
        （2）通过对配套电机及传动装置进行设计优化，来提高电机及传动装置本身的效率；
        （3）通过对水泵、配套电机、传动装置、管网和用水装置的匹配进行优化，从而提高装置的整体效率。
        依据系统实际检测的运行参数，计算改造前水泵特性曲线及管路特性曲线和改造后水泵出口阀全开系统管路特性曲线，改造前后泵特性曲线及管路特性曲线见图1。
        如下图1所示，其中虚线为原泵的性能曲线，实线为节能泵性能曲线，如图所示装置特性曲线和H-Q曲线的交点A为水泵的运行工况点。从图上可知，原泵的最高效率点在工况点A左边，但实际运行工况点A的效率明显下降，按原泵同参数A点量身定做节能水泵，其最高效率低正好在A点运行，从效率曲线可知水泵运行效率提高较大，其中的ΔP即为在流量扬程不变的情况下节约的电耗。

        图1 改造前后泵特性曲线及管路特性曲线对比
        4.2 设备问题的解决方案
        叶轮是泵最重要的工作原件，是过流部件的心脏。传统叶轮在设计和制造方面存在的缺陷，新型高效三元流叶轮有了突破性的进展。
        传统叶轮水力设计方法是基于雷诺理论和一元理论或二元理论以及流动相似理论基础上的模型换算法和速度系数法。由于该方法假设较多，不能真实反映叶轮内部的流动状态，属于一种半理论半经验设计技术。
        高效节能叶轮是采用三元流动理论与计算流体力学和参数优化方法相结合的设计技术。吴仲华院士的“叶轮机械三元流动理论” [3]，是指把叶轮内部的三元立体空间无限地分割，通过对叶轮流道内各工作点进行变分有限元三元流动分析，建立起完整、真实的叶轮内流体流动的数学模型。在与叶轮同步旋转的空间坐标系（R、φ、Z）中，任何空间一点均可由此坐标系确定。任何一点的流速W可表示为该点坐标的函数W=f（R，φ，Z），这就是三元流的基本概念。计算图2流道中任何空间一点的流速W，这就是三元流动解法。通过三元流动计算，可以得到水泵、风机任意点的流速。由此理论设计出来的叶片形状为不规则曲面形状，叶轮叶片的结构可适应流体的真实流态，能够控制叶轮内部全部流体质点的速度分布，正确的设计子午流道配合三元流叶轮设计可以大大提高水泵的效率。

        图2 三元流叶轮内流体流动的数学模型                                 图3 高效三元流叶轮三维造型
        三元流叶轮与传统叶轮的区别：
        （1）三元流叶片加宽了许多，特别是轮毂减少，可使通流能力增大，提高了水力效率；
        （2）三元流叶轮直径减少，而出口宽度增大，提高了水力效率；
        （3）三元流叶片较一元和二元叶轮的扭曲度大很多；
        （4）三元流叶片边向来流进口伸展，减少了进口损失，提高了汽蚀性能。
        为进一步提高水泵效率，在叶轮及泵结构上进行了改进设计：
        （1）叶轮采用相邻叶片相互交错的结构，使水流脉冲下降到扬程的±4‰以内，水流更加平稳，效率更高，必须汽蚀余量更低。
        （2）叶轮密封环部位设计有特殊的迷宫结构，增加泄漏阻力，减少容积损失，提高水泵效率。
        （3）填料套设计成辅助水润滑导轴承，提高了水泵转子的刚性，进而减少密封环间隙，减少容积损失，提高水泵效率。
        （4）由于改造前后叶轮的比转数有差异，所以，根据面积比原理对泵体喉部面积进行了核算，结果为去掉泵体部分隔舌即可满足要求。
        设计的高效三元流叶轮如图3。
        传统叶轮地制造模具大多为木模，而且制作基本上是采用手工制作，其不足之处就是误差太大，不能准确地保证水力模型流动型线的形状，效率偏低，水力性能不易保证。高效三元流叶轮全部采用金属的模具，而且应用CAM技术，采用数控设备加工，高质量地保证了流动型线的准确性，提高了尺寸精度和表面粗糙度，水力性能得到保证，效率高如图4所示。

                      图4 吸入室流线图和叶轮压力分布图
        传统叶轮的毛坯一般采用普通的砂型铸造，毛坯的质量比较差，粗糙度大，叶片偏厚，成本高，而且尺寸误差大，很难保证水力尺寸和水力性能。高效三元流叶轮采用先进的精密铸造，能很好地保证叶片水力尺寸，而且粗糙度小，水力效率高。
        4.3新型高效节能水泵的优点
        综上所述，采用新型高效单级双吸中开式离心泵，具有如下优点：
        1）按照系统运行参数量身设计和制造的节能水泵，性能曲线平滑，不存在转折点，水泵的运行噪声、振动低。
        2）新型节能水泵高效区范围较宽，水泵在额定流量80～120%范围内运行均处于高效区运行，水泵效率最高可达88%-91%。
        3）通过对水泵进出口管道进行设计优化，有效提高水泵抗汽蚀能力。
        4）通过对泵体转动部分进行动、静平衡试验，提高设备稳定性。转动部分静平衡符合GB/T 9239《刚性转子平衡品质许用不平衡的确定》的G6.3的精度要求；动平衡符合GB/T 9239《刚性转子平衡品质许用不平衡的确定》的G2.5的精度要求；泵轴承座处的双振幅值符合GB/T 8097-99《泵的振动测量与评价方法》的第二类B级标准的要求。
        5）通过对新型高效节能水泵流道进行优化，水泵效率明显提高，设备故障率将低，使用寿命长。
        5改造效果分析
        现场施工采用对备用泵逐台更换的方式，更换一台，试运行一台，不影响系统的正常运行。系统调试时，通过对水泵总管阀门的开度进行调整，优化系统运行状况，使系统达到最佳运行工况点 [4]。改造完成后，实现7台改造泵并联运行，现场测试数据如表6，节能效果如表7。
                                                                                  表6 改造后系统运行参数

表7 改造后节能效果对比

        注；系统年运行时间按8000小时计算。
        6 结论
        通过对公司工艺净循环水系统、空分循环水系统、动力循环水系统和二级泵站水泵系统实际运行工况参数和相关设备参数的检测，并采用先进的数据检测技术、系统高耗能诊断分析技术、系统优化改造技术、高效三元流叶轮设计及制造技术等对循环水系统进行科学地分析，使泵与系统处于最佳匹配工况点运行。通过对系统进行改造，系统达到最佳运行工况且实现高效经济运行，节电效果显著，值得同行业水系统节能改造借鉴。
        参考文献：
        [1]路金喜杜贵荣.泵站节能措施研究[J].排灌机械，2002（4）
        [2]关醒凡.现代泵技术手册[M].北京：宇航出版社
        [3]吴仲华.A General Three-Dimensional Flow in Subsonic and Supersonics Turbo machines of Axial —，Radial— and Mixed — Flow Types.NASA TN2604.1952
        [4]李青高山薛彦廷.火力发电厂节能技术及其应用.北京：中国电力出版社，2007
        作者简介：
        马宏伟（1985-），男，河北承德，2010年毕业于河北工业大学过程装备与控制工程专业，现从事技术管理工作。