对给水泵增效节能降压改造的研究

王楠

摘    要：针对给水泵运行工况不合理、效率偏低及运行不稳定等问题，通过更换水力模型和优化平衡机构，实现了锅炉给水泵降扬程、提效率的节能改造目标，同时还提高了泵的运行稳定性及可靠性，而且改造项目的实施，每台给水泵一年可为公司节省约315.6万元的设备运行成本费用。该项改造具有良好的经济、环境效益，还可为同类给水泵的技术升级提供参考。

关键词：锅炉给水泵;节能改造;水力部件;平衡机构

1  引言

给水泵是炼厂动力中心给水除氧系统的关键设备之一，采用两用一备的并联布置方式，其主要作用是输送高温锅炉水，泵的运行功率较大，耗电量较高。为了响应国家节能减排的倡导以及节约公司的运行成本，对我厂大功率运转设备进行了节能改造可行性分析，经评估我厂3台3DG-10Q锅炉给水泵节能改造价值较高，经济效益可观。通过管路系统分析计算，发现我厂选用的锅炉给水泵扬程相对偏高，效率偏低。泵的轴功率与扬程成正比关系，与效率成反比关系。因此可从降低泵扬程，提高泵效率的方面，进行锅炉给水泵节能改造。同时，由于平衡机构平衡能力不足，该泵在运行期间多次出现平衡盘、推力轴承磨损故障，因此在节能改造的同时对泵的平衡机构进行优化改进，提高泵的运行可靠性。

2  给水泵运行原理

给水泵是一种通过独立性小汽轮机独立驱动的给水泵。该汽轮机需要在抽气管道当中抽取蒸汽，之后利用小汽轮机的带动作用完成水泵的进水工作。其中给水泵当中的调节泵需要通过小汽轮机当中的调速器来控制整体的进气量。从小汽轮机的种类来看，可以使用凝气式和背压式，小汽轮机的正常运行需要配套的汽、水管道系统进行支撑，同时还要配备相应的调速系统和备用汽源等等，现阶段普遍使用的给水泵使用的是不同轴的串联方式，从而提升给水泵运行的稳定性。

3  泵基本概况

3.1  结构介绍

我厂运行的锅炉给水泵为卧式、两端支撑的节段式多级离心泵，吸入、吐出口均垂直向上，采用集装式机械密封、滑动轴承、强制润滑，平衡机构采用平衡盘加止推轴承，属于API610中的BB4结构。

3.2  基本参数

改造前锅炉给水泵的基本参数：流量320m3/h;扬程1600m;效率77%;轴功率1650kW;NPSHr为8m。

4  改造方案及可行性分析

由给水除氧系统可以看出，泵出口压力只需13.247MPa（即泵扬程为1385m）即可满足运行需求。因此，在确保外部接口尺寸不变的情况下，改造的主要目标是：降低泵扬程，提高泵效率，并保证汽蚀余量不变。

改造后锅炉给水泵的基本参数：流量320m3/h;扬程1385m;效率79%;轴功率1387kW;NPSHr8m。

4.1  降低泵扬程

降低泵扬程的方法相对较多，如进行叶轮切割、撤去中间一级叶轮、降低泵的运行转速及更换水力部件等。对以上方案进行分析，叶轮切割将会导致泵效率降低，达不到节能的效果;撤去中间一级叶轮，因该泵的单级扬程为160m，而需要降低的扬程为215m，无法满足降低扬程的需求;降低泵的运行转速，因该泵最初设计时未考虑调速，如要降低泵的运行转速，需增加耦合器或变频电机，改造工程巨大，故不考虑。通过对比分析，在不更换水力部件的情况下，在实现泵扬程降低13.4%的同时，还要保证提高泵2%的效率，理论上是不可能实现的，因此最终确定采用更换水力部件的方案进行改造。

4.2  提高泵效率

通過对国内及国外给水泵在国内炼油厂使用情况的调研，发现近似参数锅炉给水泵效率一般可达到79%，而我厂锅炉给水泵的效率只有77%，至少存在2%的提高空间。改造时，拟对泵的流场进行CFD计算分析，进而对泵的水力模型进行优化，确保得到高效水力模型。同时，制造时采用精密铸造的方式，以保证水力部件铸造型线的准确性。

4.3  优化改进泵平衡机构

锅炉给水泵在运行期间多次出现过平衡盘、止推轴承磨损的机械故障，经分析是由于其平衡机构平衡能力不足导致的。因此在节能改造的同时时，对平衡机构进行优化改进，采用双平衡机构（平衡盘与平衡鼓的结合）代替现有的平衡盘结构。同时，由于泵扬程降低215m，水力轴向力有所降低，运行的稳定性得到进一步提高。

5  改造方案及主要内容

5.1  水力模型开发及优化

泵的水力模型设计方法，目前常用的有传统的相似换算法和速度系数法以及近年来发展较为迅速的CFD分析迭代法。

改造前泵的比转速ns为72.2，改造后泵的比转速ns为80.5。

由于泵厂家有相似比转速的模型泵（ns=79），因此，本次改造泵的水力模型设计采用相似换算法与CFD分析迭代法相结合的方法。

模型建立过程简述如下：（1）水利设计、三维建模、网络划分;（2）流场分析计算、优化;（3）模型（1-n个）;（4）3D打印快速成型;（5）试验筛选（试验验证返回）;（6）计算参数修整迭代;（7）模型固化。通过CFD优化分析，改善了泵内介质流动状态，提高了泵的效率。

5.2  水力部件精密铸造

水力部件的成型精度直接决定了泵的水力性能及效率，该泵的比转速ns为80.5，级数为10级，属于中比转速泵，效率相对较低，因此为确保泵的效率，对叶轮、导叶采用精密铸造，以确保流道及叶片型线的精度。

5.3  平衡机构优化改进

对于多级泵，常用平衡轴向力的方法有如下3种，对比如下：（1）平衡鼓机构+推力轴承：平衡力范围98%，泄漏大、影响泵效较大，间隙增大情况下，平衡效果不降，不适合变工况;（2）平衡盘机构+推力轴承：平衡力范围100%，泄漏大、影响泵效较小，间隙增大情况下，自调间隙、自平衡，适合变工况;（3）双平衡机构+推力轴承：平衡力范围97.5%，泄漏中度、影响泵效小，自调间隙、调节范围广，适合变工况。通过平衡结构的对比分析，为了彻底解决平衡机构问题，改造方案采用适用范围广、调节范围广、可靠性高的双平衡机构。

6  改造结果

6.1  泵的性能

通过改造后的试验验证，锅炉给水泵的扬程为1387m，效率为79.2%，满足设计要求。

6.2  运行的平稳性

通过对平衡机构的优化改进，泵在现场运行至今未出现过轴承及平衡机构的磨损机械故障，泵组振动值、轴承温度值均在正常运行范围内。

6.3  改造后的经济性评价

在给水泵节能改造之后，取得了良好的经济效果。在锅炉负荷达到100%状态时，给水泵的整体节能量与先前相比下降了15%左右，基本达到了预期的目标。在给水泵运作方式全面优化之后，项目当中的节能量就与原电动机当中所消耗的电量保持一致，从根源上提升了节能的效率。

此外，汽动给水泵的节能优化改造全面实现了电厂的余热利用，热力系统设计合理完善，减少了热能损失，提高机组的整体热效率，大大降低发电厂的厂用电率，提高电厂的经济效益，符合国家的节能减排的要求。汽动给水泵的技术研制及其应用有广阔的发展空间，汽动给水泵的研制及其应用将推动企业的发展和效益的全面提高。

7  结语

通过此次锅炉给水泵项目的改造，提高了泵组的运行稳定性，解决了潜在的机械故障隐患。同时通过此项目的开展，认识到对于大功率的机械设备，合理参数的选择尤为重要;要想得到高效、可靠的水力模型，需要传统的设计方法与CFD分析计算相结合。

参考文献：

[1] 关醒凡.泵的理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1987.

[2] 杨军虎，侯华.火电厂锅炉给水泵优化运行的数学模型[J].甘肃工业大学学报，2004：52-55.