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循环水泵选型分析研究报告

  循环水泵选型分析研究报告_表格类模板_表格/模板_实用文档。. 文件 2 大型火电机组 循环水泵选型分析研究报告 ( 内部资料,仅供参考) 山东电力研究院 刘建华 2009-10 . . 目 录 1、概述 2 2、电站大型循环水泵的选型原则 3

  . 文件 2 大型火电机组 循环水泵选型分析研究报告 ( 内部资料,仅供参考) 山东电力研究院 刘建华 2009-10 . . 目 录 1、概述 2 2、电站大型循环水泵的选型原则 3 2.1 水泵选型的目的 2.2 泵的选型重要参数及其意义 2.2.1 泵的比转数及对效率的影响 2.2.2 泵的汽蚀比转数及其作用 4 2.3 电站大型循环水泵的特点及型式分析 2.3.1 从效率角度分析应有型式 6 2.3.2 从汽蚀和安装高程计算分析 7 2.3.3 电站大型循环水泵型式的选择方向 9 2.3.4 我国电站大型循环水泵发展的现状和趋势 3、附1-3,卧式、立式泵结构和特点,应用简述 12 . . 大型火电机组 循环水泵选型分析研究报告 1、 概述 本分析依据的是泵的汽蚀理论、汽蚀和效率影响关系、以及常规不同 泵结构的不同特点,大型立式泵的现场试验结果,我公司双吸卧式循 环水泵的设计、运行和试验结果等。 根据分析,对于大型电站用循环水泵应该选择卧式双吸结构以提高泵 的运行效率和抗汽蚀性能,并能减低设备造价、厂房投资和运行维护 成本。 2、电站大型循环水泵的选型原则 2.1 水泵选型的目的 水泵设计选型的目的是满足供水性能需要、运行安全可靠、安装维护 方便、制造和运行成本节省等。 大型水泵由于其重要性较大,在选型上更应经过慎重比较。 选型的基本参数包括: 流量 Q 、扬程 H 和安装使用条件; 设计的可选参数包括: 泵的结构、转速 n、汽蚀核算、材料等。 在满足流量、扬程性能的条件下,试图得到较好的效率以降低运行费 用、较稳定的结构以增加运行可靠性,较好的汽蚀性能以减低对安装 高度的限制从而降低安装成本,选用适当的材料延长使用寿命和减少 泵的造价。 2.2 泵的选型重要参数及其意义 泵设计选型所涉计的关键参数:泵的比转数 ns 和汽蚀比转数 C 2.2.1 泵的比转数及对效率的影响 根据水力机械的特点,泵的综合特征是由泵的比转数 ns 决定的: . . ns= 3.65n 3 Q H4 式中单位,流量 Q:m3/s,扬程 H:m,转速 n:rpm (双吸泵按照 Q/2 计算,下同) ns 大小决定泵的结构形式,一般情况下:离心泵、混流泵和轴流泵的 比转数范围分别为300、300-500 和500; 比转数大小决定泵的效率:对于离心泵、混流泵、轴流泵,最高效率 在 ns=150-200 之间,最优点为 175,离开此区间,泵的效率随偏离而 降低,偏离该数越大降低的越多。 从上述公式看,泵的转速越高,比转数值越大。对于小流量高扬程的 泵,直接计算的 ns 值一般小于最优效率时的 175,常常通过提高泵的 转速或者同时采用多级叶轮降低单级扬程来提高泵的比转数使其接近 最优比转数;而对于大流量泵,即使采用较低转速计算的比转数也往 往远大于最优比转数,使其结构变成混流泵和轴流泵的型式,效率有 所降低。降低转速也无法接近最优比转数时,采用双吸结构解决应是 较好的选择。 另外泵的转速和泵的尺寸有关,转速越高,相同性能的泵所要求的各 种尺寸越小,有利于降低泵的造价。 因此,转速 n 影响泵的尺寸、也通过比转数 ns 决定泵的结构,进而影 响泵的效率区间,所以合理选择泵的转速对设计选型具有重要的意 义。 2.2.2 汽蚀比转数及其对于泵吸入性能的影响 根据液体的流动特性――博努力原理,水流在经过叶轮进口时会因局 部流速过高可能发生汽化,破坏水流的正常流动,并产生汽蚀现象。 汽蚀会影响泵的性能、引起部件损坏和设备振动。 反映泵的汽蚀特征的参数为泵的汽蚀比转数 C: C= 5.62n Q 3 . Δ hr4 . 其中必须汽蚀余量Δhr(也常写成 NPSHr),反映的是泵安装时水流必 须提供的不发生汽化、用水柱高度表示的压力余量值,可通过合理选 择泵的汽蚀比转数 C 获得。 泵的入口相对流速是决定泵的汽蚀比转数 C 值大小的关键因素,泵的 入口直径越大,相对流速越低,C 值就越大,则泵的抗汽蚀性能越好。 但泵的设计要求水流通过叶轮的流速相对变化较小,也就是相对较高 一些的入口流速可以获得更好的流动条件有利于提高泵的效率。 因而汽蚀比转数 C 值和泵的效率是一对矛盾,要根据泵的具体使用条 件来选取。 汽蚀比转数 C 值的大致范围如下: 主要考虑提高效率对 兼顾效率和汽蚀的泵 汽蚀不做要求的泵 C=600-800 C=800-1100 主要考虑提高汽蚀特 性的泵 C=1100-1600 变换汽蚀比转数公式可以得到必须汽蚀余量的表达式: ( )4 Δ hr= 5.62n Q C 3 由该关系可知,转速高、流量大、汽蚀比转数选的小,都会增大Δ hr。 泵安装高度 Hs 和必须汽蚀与量的关系为: Hs= Pa γ -Δ hr- Pv γ -Δ h-h ζ 其中 Pa 为大气压力 Pv 水的汽化压力 Δh: 为最小安全余量(一般取 0.3m) hζ: 吸入段损失 γ: 水的重度 因此,Δhr 值增大会使得泵吸入高度减小或者淹没深度增加,影响泵 的安装和运行条件。 . . 2.3 电站大型循环水泵的特点及型式分析 2.3.1 从效率角度分析应有型式 ――单吸泵和双吸泵的分界流量 用于火电站冷却的循环水泵,其扬程通常在 18-25m 之间,而流量范 围却在在 4000-40000t/h(相当 1.1-11m3/s)之间分布。也就是,泵 的扬程变化范围很小,而流量变化范围却相差近 10 倍。 为了使泵具有较高的效率,应使得泵的比转数接近最高效率比转数的 150-200 的范围。按照多数泵的平均扬程 H=20m、最高效率比转数 ns=175 计算,在比转数 ns 公式中只有一项变量――转速 n, 和流量的 平方根√Q 成反比关系。 3 n= nsH4 = a 1 3.65 Q Q 也就是随着流量增大泵的转速必须降低。 以流量 9000m3/h(2.5 m3/s)为例,将上述 H=20m、ns=175 数值带入上述 关系可得 n=286rpm,同步转速为 300rpm。考虑偏离最佳比转数较少时 效率变化较小,和提高转速对于大型泵具有显著降低泵尺寸的作用, 泵的比转数按 250 计算,则 n=409,取同步转速 n=425rpm。 也就是说,在流量 9000m3/h 时选择 n=425rpm 可以获得好的效率,而 流量增大必须降低泵的转速。 500rpm 转速是从电气和机械制造成本和流动分析较好的成本参数,以 此推算的单吸泵的最佳比转数的流量为 6000 m3/h,双吸泵的最佳的比 转数的流量为 12000 m3/h。因此,对于电站用循环水泵,从提高效率 和制造成本考虑,采用单吸泵和双吸泵的分界流量为 9000 m3/h(即 2.5 m3/s)。 大型电站的循环水泵容量在 15000m3/h 以上,甚至超过 40000m3/h, 理论上应选择双吸式水泵。 . . 对 300MW 机组(单泵水量 15000-25000m3/h)、600MW 及以上机组(单泵 水量 25000-40000m3/h)用大型循环水泵,采用单吸和双吸式效率比较 如下表: (为了满足效率和制造成本要求,我国大型循环水泵的转速一般选择 370rpm 转速。以通常实际运行扬程 H=18-24m 计算的采用单吸和双吸结 构的大型循环水泵的理论效率值如下) 泵流量 Q ns 单吸η ns 双吸η 差值Δη 单位 m3/s 15000 4.17 291 89.85 206 90.65 0.8 20000 5.55 336 89.4 238 90.5 1.1 25000 6.94 376 88.9 266 90.3 1.4 30000 8.33 411 88.1 291 90 1.9 35000 9.72 445 87.6 315 89.7 2.1 40000 11.1 476 87.2 336 89.4 2.2 从上表可知,大流量循环水泵的单吸泵效率低于双吸泵效率,流量越 大,其差值也越大。因此特大型循环水泵应该选择双吸结构。 2.3.2 从汽蚀和安装高程计算分析 由汽蚀比转数推导的必须汽蚀余量关系如下: ( )4 Δ hr= 5.62n Q C 3 对于立式单吸入口的泵上述关系可以直接使用;而对于双吸泵,叶轮 入口的流量按泵流量 Q 的一半,即 Q/2 计算。代入上式可知,采用双 吸泵的Δhr 仅是单吸泵的 0.63 倍。 根据大型循环水泵的的运行条件,对于典型转速下的汽蚀性能和安装 高程 Hs 核算如下: Hs= Pa γ -Δ hr- Pv γ -Δ h-h ζ . . 按照水温 33℃、海平面 20m 时大气压力相当水柱 Pa/γ=10.23m,水的 汽化压力 Pv/γ=0.54m 、最小安全余量Δh= 0.3m、吸入段损失 hζ =0.5m,,按转速 370rpm、兼顾汽蚀性能的汽蚀比转数 C=900 计算设计 的泵的必须汽蚀余量和常规大气压下泵的安装高程如下表: (双吸泵底板为地脚高程,单吸泵为泵池底板高程或肘管吸水室底部 高程)叶轮口径按主要考虑效率、兼顾汽蚀性能计算(k0=4.1),双 吸泵中分面的高度按叶轮口径的 2.5 倍计算,单吸泵叶轮下底面距离 按叶轮口径的2倍计算,液流到叶轮入口的水力损失按 hζ=0.5m 计 算。 泵流量 Q 15000 20000 25000 30000 35000 40000 单吸泵Δhr Hs 叶轮口径 轮入口到底板高 底板高度 7.90 0.97 0.92 1.84 -0.87 9.57 -0.68 1.00 2.0 -2.68 11.11 -2.22 1.10 2.2 -4.42 12.54 -3.65 1.160 2.30 -5.95 13.90 -5.01 1.22 2.4 -7.41 15.18 -6.29 1.30 2.6 -8.89 双吸泵Δhr Hs 叶轮口径 泵高度 地脚高度 4.97 3.12 0.73 1.80 0.59 6.03 2.86 0.80 2.0 0.46 7.0 1.89 0.86 2.2 -0.74 7.90 0.99 0.92 2.3 -1.77 8.76 0.133 0.98 2.4 -2.76 9.57 -0.68 1.00 2.5 -3.68 上表表明双吸泵在 25000、30000、40000m3/h 的安装地脚为水面下0.74、-1.77、-3.68m,而单吸泵为-4.42、-5.95 和-8.89m。 由此可知,大流量泵采用单吸立式结构,要求淹没深度较大。尤其是 特大型泵,将使得泵土建等费用显著增加。如果安装深度不足,要么 通过提高汽蚀性能以降低泵效率来解决,要么要承担较大的汽蚀风 险。 对于电站用循环泵,一般要求泵入口深度在 Hs=-3 到-5m,超过此值最 好选用双吸结构来减低安装高程,以减少土建费用。 . . 因此,从汽蚀条件决定的安装高程计算分析,大型循环水泵更应该采 用双吸叶轮的水泵型式。 2.3.3 电站大型循环水泵型式的选择方向 不同转速选择决定比转数大小,比转数决定了叶轮的应有型式。对于 特大容量的泵,即使降低转速也无法使比转数限制在有效的范围时, 就要考虑采用双吸结构。 采用双吸结构时和单吸结构相比比转数 ns 可以降低 30%,有利于提高 泵的效率;而在同样条件下,泵的汽蚀余量可以降低 37%,因而可以适 应更大流量要求。 叶轮采用双吸结构,消除了泵的水平衡问题,加上对转子采用两端支 撑,泵的进出口管和泵的安装地脚一并铸造在下泵体上,因此结构简 单坚固,打开泵盖就可吊出转子,维护检修非常方便。由于结构简 单、零部件少所以制造成本远远低于筒体立式泵。所配电机同样存在 结构优势。 工程实践证明,采用卧式双吸泵的机组循环水泵设备及其泵房的造价 约减低 1/4 到1/3。 2.3.4 我国电站大型循环水泵发展的现状和趋势 近年来,我国电力行业得到了迅猛发展。由于国内大型水泵的研发进 展缓慢,无法满足大型机组的配套要求,因此早期建设的大型机组的 循环水泵也以随主机直接进口为主。沿海安装的 300MW 机组的进口循 环水泵多以立式筒体式泵为主,由于该泵造价高、制造利润丰厚,使 得国内泵厂竞相模仿制造。有些泵厂本来早已经开发出 300MW 机组用 卧式双吸循环水泵,但也积极以推广造价倍增的筒体立式泵为主。因 此近年来立式泵几乎成了标准配置型式、形成了垄断局面。 仿造的 300MW 机组筒体式立式泵结构复杂,安装维护较为困难。由于 泵本身的结构问题,经常发生电机推力瓦磨损、叶轮导叶损坏,不同 程度地存在振动问题。而且,根据多次实际测量的水泵性能,其实际 运行效率值一般低于设计值 15%以上,因而运行经济性有待改进。 . . 国内生产的 600MW 机组的循环水泵还处于非成熟期。对于 600MW 机组 的循环水泵,制造单位仍然沿用单吸立式筒体式结构。但在设计时遇 到了效率、汽蚀、造价等因素协调的困难。比如河曲电厂选用的水 泵,和用于 300MW 机组的泵相比本来该降低转速、庄闲最稳公式打,增加泵的刚度等提 高效率和安全性,但却采取了提高转速的做法,自投运以来检修频 繁。 山东电力研究院技术人员对于大型循环水泵的应用状况一直进行着深 度探讨,依据卧式双吸泵应该具有的技术优势,先后扭转了 135、 200、300、600MW 机组立式筒体式泵的流行局面,短短几年取得了近 260 台次的良好业绩。相关工程均取得较好的安全和经济效果,得到用 户的一致好评。该系列泵在 1000MW 机组上的应用原理是相同的,也将 很快得以突破。 设计单位也会不断理解和认同这一技术趋势,促使大型泵的制造企业 改变型式来适应工程需要。这一点在 300MW 及其一下机组上已经得到 较好的体现。 通过对于比转数、汽蚀比转数和设计理论的分析,流量越大双吸泵的 优势越大,在 600MW 及以上机组上推广应用将更具有竞争性,再通过 灵活的优化配置会取得更好的实际效果。 因此,大型电站采用双吸式水泵是技术性需要,也是降低设备造价和 工程投资以及提高运行安全经济性的需要,是今后发展的必然趋势。 附1、大型卧式水泵的结构和特点 下图是大型卧式泵的外形和典型结构图 . . 泵的进出口和下壳体为一体式结构,水从左右进水室进入叶轮,在叶 轮内吸收能量而且汇合后流进压出室,压出室末端连接泵的出口管。 叶轮安装在轴的中部,转子由两端的(滑动或滚动)轴承支撑,只要 打开泵盖就可吊出转子检修。 泵组安装和轴系支撑简图 电动机 ddianji 水泵 泵组结构和可靠性 水泵的叶轮采用双侧进水,两侧吸水的水动力自动平衡;泵的出口和 下泵壳铸成一体,而且泵的地脚就设置在泵的进出口管上,因此可以 容易的承受泵进出口管的压力。 电机和泵分别安装在各自的基础上,由隔断振动的橡胶柱销连轴器相 连。电机和泵安装基础稳固,运转中心距设备底座较近,电机和泵的 刚性转子分别由承载力强的乌金滑动轴承在两端支撑。 因此卧式泵组具有整体结构稳固、抗振力强、运行稳定的特点。 工程实践也证明,较小的转子不同心和轴心线歪斜、以及一定程度的 汽蚀都不会使泵的振动超出安全要求,因而具有较高的可靠性。 维护的方便性 双吸卧式泵组结构简单、安装维护方便,和其他形式的水泵相比具有 无可比拟的优越性,其检修工作量仅相当于立式筒体泵的约 1/4。 . . 附2、筒体立式泵的结构和特点 泵的结构描述: 泵的整体为悬挂式结构,电机在基础台板以上,0m 以下为焊接式泵的 筒体,水流由来水流道进入泵的下部喇叭口,经过泵的叶轮、导叶、 进入泵下部筒体,在中间筒体处经过导流栅转向泵的出口。 泵的外壳为焊接结构,三节泵筒体靠螺栓连接,出口短管通过 T 型方 式焊接在中间筒体上。 轴系为叶轮轴、连接轴和电机轴组成,三轴用刚性连轴结和连轴器连 在一起。在径向有2副导叶橡胶导轴承、1副泵盖橡胶导轴承和电机 的2副乌金瓦轴承支撑。整个转子的重量和运行中对叶轮形成的水推 力由电机的推力轴承承受。 M . Fp a Fs b . 泵的优点和不足: 泵的优点是电机在0m 以上,占地面积小,可以紧凑布置。检修时抽出 泵转子,筒体不动,特别适合于河流、沿海等进水趋于较难隔离的场 合。 但由于效率和汽蚀因素的影响,叶轮必须尽量向下布置,致使泵的长 度增加,基础挖深增加,厂房高度结较大,特大型泵尤其明显。 泵的吊挂式结构容易在多种激振力的作用下产生振动。实际上,国产 立式筒体式泵振动超标是较为普遍的现象,造成频繁检修。 筒体立式泵结构复杂、零部件较多,再加上检修水泵必须先拆除电机 等,因此检修工作量十分巨大。具体体现在:泵体和转子分多段组 成、组装不方便;和电机的对中调整也要求严格;电机含有复杂的推 力轴承系统,调整维护需要较高的技能和较大的工作量。整个泵组含 有润滑油系统、润滑水系统、电机含有多点热工保护监测系统等,这 些都增加了维护和运行的直接成本。 对于多台筒体式泵的现场试验表明,泵的实际运行效率远低于设计 值,因此运行经济性也常常有待改进。 附3、高效卧式循环水泵的技术组合及其应用现状简述 依托山东电力研究院在水泵领域的技术优势,我方先后对多种型号的 电站大型水泵进行了研究、技术改造、和新建机组推广应用。先后开 发出 G32Sh、G40Sh、G48Sh、 G56Sh、G64Sh、G76Sh 型高效循环水 泵,能够适应从 50MW 到 1000MW 机组进行配套,所开发的卧式循环水 泵达到国内最大容量和最好性能。GXSh 系列除具有卧式泵通常具有的 安装维护方便、运行稳定可靠外还具有以下显著特点: 效率较高。达到了国际优质泵应有的效率,比国内其他大型泵厂同样 供水参数的泵效率高出 10-30%,同样供水条件下,所配驱动电机功率降 低 10-20%; . . 运行灵活。采用不同的配置和驱动方式增加运行灵活性,在临沂等电 厂的支持下提出采用“大小泵配合”、“双速驱动”、“瞬式双速切 换”、“变频准全程调节”等新模式,不断推出有利于工程实际的优 化方案。如通过用“高效双速双泵全容量不等容配置”模式使得配置 G48Sh 泵的近 60 台 135MW 相近机组循环水系统(如临沂等电厂)达到 了国内运行安全、灵活、经济的最好水平;G40、G48 用于曲阜 200MW 机组实现了“高效双速不同泵型 3 泵配置”模式以适应更多的调节要 求;运河、聊城等 300MW 机组上采用“瞬时切换双速高效双泵配置” 达到国内同类型机组的最好水平;G64“2+1 变频准全程调节”模式已 经被宁夏水洞沟 600MW 机组选用; G48、G76 将在国电宿迁等电厂形成 “高效双速瞬时切换 2+1”600MW 机组配置的最优化模式等。 大机组的循环水泵应为双吸卧式结构,希望技术研究、工程设计、制 造厂家、以及电力行业的专家和领导能够共同努力推进这一应有趋 势,为我国大机组的建设和经济运行做足出贡献。 (文中观点不足之处敬请指正, 我们不胜感激。) 作者:刘建华 山东电力研究院 山东鲁能节能设备开发有限公司 山东济南二环南路东首 电话 email: .