475MW燃机循环水泵叶轮优化改造

华电江苏能源有限公司 刁金强

引言

循环水泵作为火力发电机组的重要辅机之一，主要为凝汽器和闭冷水系统提供循环冷却水。机组运行过程中，循环水泵存在实际流量偏离设计值、效率低等问题，间接影响凝汽器真空度和机组运行经济性，因此对循环水泵进行提质增效改造十分必要。

循环水泵的改造方案通常有两种：一是将循环水泵电机改为双速电机，根据运行工况的不同，适时切换水泵的运行方式；二是对水泵叶轮进行改造，提高水泵运行效率和流量。文章以某电厂燃机循环水泵叶轮改造案例进行分析，此次改造以原泵壳为基准，采用叶轮水体三维建模的方式，重新设计叶轮及密封环尺寸。改造后，循环水泵运行电流较之前未发生较大改变，泵效率和出水流量得到了明显提高，达到了预期改造效果。

1 机组概况及水泵出力情况分析

某电厂一期M701F4燃机共配备有四台循环水泵、均为双速泵，共同为两台机组提供循环冷却水。循环水泵的运行方式共有三种，分别为：夏季一机两泵，冬季一机一泵，春秋季两机三泵。循环水泵型号及主要技术规范如下：G48Sha卧式单级双吸蜗壳中开式离心泵，流量15552/13320m3/h，扬程20.4/15.3mH2O，高低速495/425r/min，设计效率89/88%。

两台燃机自2017年5月双投以来，循环水泵先后出现振动大、汽蚀等隐患，影响机组安全稳定运行，生产厂家在对水泵进行检查后，提出了切割叶轮的修理意见。叶轮切割后，汽蚀和振动大的问题得到明显改善，但运行效率低和出力不足的问题未能解决，机组存在循环水量不足、凝汽器真空度偏低的缺陷。

改造前，公司技术人员与第三方机构共同对4台循环水泵出力进行了检测，测量位置为泵出口管路，管路尺寸为Φ1420×10，测量方案及测量结果如下。8月7日～8日测试情况：现场4台循环水泵均高速运行，符合高速夏季一机两泵运行工况，分别测试4台水泵运行参数；8月10日，现场运行1台高速泵，符合高速冬季一机一泵运行工况。而后切换工况为两台高速一台低速运行，即低速春秋季二机三泵运行工况，测试了其中的循环水泵低速运行参数；测试设备：手持式超声波流量计、高精度压力表，流量计采用Z法测量；电机电压6kV、功率因数0.8/0.79、电机效率按94%进行计算。

表1 夏季高速一机两泵运行工况

高速冬季一机一泵运行工况（测试时间8月10号）：位号1B，进口压力0.038MPa，出口压力0.175MPa，测试流量10950m3/h，电流113A，计算扬程14m，泵计算效率47.3%；春秋季两机三泵运行工况（测试时间8月10号，从管路特性分析来看该数据存有质疑，暂不分析，仅列流量如下）：位号1B，进口压力0.04MPa，测试流量10459m3/h，电流76A。

根据实际测量结果，并与G48Sha卧式单级双吸蜗壳中开式离心泵主要技术规范相比，4台循环水泵的流量和扬程未能达到保证性能点，高低速运行时效率低。水泵叶轮通用切削定律公式如下：Q2/Q1=D2/D1，H2/H1=(D2/D1)2=P2/P1，式 中：Q1为 叶轮车削前的流量，m3/s；Q2为叶轮车削后的流量，m3/s；H1为叶轮车削前的扬程，m；H2为叶轮车削后的扬程，m；D1为叶轮车削前的外径，mm；D2为叶轮车削后的外径，mm；P1为叶轮车削前的轴功率，kW；H2为为叶轮车削后的轴功率，kW。

根据公式得知，在水泵外壳、流道、入口压力等外界因素恒定情况下，叶轮外径与流量、扬程、功率成正向比例，叶轮的切割量越大流量和扬程下降越多；切割的修理方案解决了水泵振动和气蚀的隐患，但未均衡考虑出力和效率，循环水量的不足导致凝汽器真空度也受到了较大影响。

2 改造方案及改造效果

2.1 设计依据

在设计水泵时，采用相似原理导出比转速为主要参数，比转速是包含扬程、流量和转速的综合特征数，水泵的性能参数可以通过比转速进行反映，主要公式如下：ns=3.65n√Q/H3/4，式中：ns为比转速；Q为流量，m3/s；H为扬程，m；n为转速，r/min。为兼顾三种运行工况，以春秋季工况作为设计基准点，比转数定为312，并按照表2参数作为改造依据。

表2 循环水泵叶轮改造设计参数

2.2 设计论证及加工方案

通过对叶轮水体进行三维建模，并分别在三种运行工况下对叶轮的运行情况进行CFD计算分析，根据计算结果模拟出叶轮的性能参数、内部流态及压力分布状态。通过CFD分析计算得到的性能参数如表3所示。

表3 叶轮模拟CFD计算性能参数

根据现场测量的尺寸，泵壳与密封环配合位置直径为φ870mm、内侧宽600mm、外侧宽850mm，叶轮盖板外径实测约为φ1010mm，叶片加工深度单边约为40mm，叶片直径约为φ930mm。

图1 现场测量尺寸

2.3 改造效果

循环水泵实施叶轮改造后电机电流未发生明显改变，高速电流为112A、低速电流为75A，水泵流量、效率提升明显，改造前后性能对比结果如表4。

表4 改造前后性能对比

3 结语

本文分析了循环水泵效率偏低的原因，叶轮切割的修理方式有效消除了影响水泵安全运行的隐患，但因切割量存在偏差、未能兼顾水泵出力，影响机组运行经济性；针对水泵出力不足现状，通过重新设计水泵叶轮、口环和密封环，以春秋季运行工况为基准点，确定比转速ns为311，在不增加电力能耗的基础上，大幅度提高了循环水泵出口流量，凝汽器真空度得到提升。