對給水泵增效節能降壓改造的研究

孟劍 馬廷順

摘要：針對鍋爐給水泵運行工況不合理、效率偏低及運行不穩定等問題，通過更換水力模型和優化平衡機構，實現了鍋爐給水泵降揚程、提效率的節能改造目標，同時還提高了泵的運行穩定性及可靠性，而且改造項目的實施，每臺給水泵一年可為公司節省約315.6萬元的設備運行成本費用。該項改造具有良好的經濟、環境效益，還可為同類給水泵的技術升級提供參考。

關鍵詞：鍋爐給水泵;節能改造;水力部件;平衡機構

0? 引言

鍋爐給水泵是煉廠動力中心給水除氧系統的關鍵設備之一，采用兩用一備的并聯布置方式，其主要作用是輸送高溫鍋爐水，泵的運行功率較大，耗電量較高。為了響應國家節能減排的倡導以及節約公司的運行成本，對我廠大功率運轉設備進行了節能改造可行性分析，經評估我廠3臺3DG-10Q鍋爐給水泵節能改造價值較高，經濟效益可觀。

通過管路系統分析計算，發現我廠選用的鍋爐給水泵揚程相對偏高，效率偏低。由泵的軸功率計算公式（公式（1）可看出，泵的軸功率與揚程成正比關系，與效率成反比關系。因此可從降低泵揚程，提高泵效率的方面，進行鍋爐給水泵節能改造。同時，由于平衡機構平衡能力不足，該泵在運行期間多次出現平衡盤、推力軸承磨損故障，因此在節能改造的同時對泵的平衡機構進行優化改進，提高泵的運行可靠性。

1? 泵基本概況

1.1 結構介紹? 我廠運行的鍋爐給水泵為臥式、兩端支撐的節段式多級離心泵，吸入、吐出口均垂直向上，采用集裝式機械密封、滑動軸承、強制潤滑，平衡機構采用平衡盤加止推軸承，屬于API610中的BB4結構，其結構如圖1所示。

1.2 基本參數? 改造前鍋爐給水泵的基本參數：流量320m3/h;揚程1600m;效率77%;軸功率1650kW;NPSHr為8m。

2? 改造方案及可行性分析

由給水除氧系統可以看出，泵出口壓力只需13.247MPa（即泵揚程為1385m）即可滿足運行需求。因此，在確保外部接口尺寸不變的情況下，改造的主要目標是：降低泵揚程，提高泵效率，并保證汽蝕余量不變。

改造后鍋爐給水泵的基本參數：流量320m3/h;揚程1385m;效率79%;軸功率1387kW;NPSHr8m。

2.1 降低泵揚程? 降低泵揚程的方法相對較多，如進行葉輪切割、撤去中間一級葉輪、降低泵的運行轉速及更換水力部件等。對以上方案進行分析，葉輪切割將會導致泵效率降低，達不到節能的效果;撤去中間一級葉輪，因該泵的單級揚程為160m，而需要降低的揚程為215m，無法滿足降低揚程的需求;降低泵的運行轉速，因該泵最初設計時未考慮調速，如要降低泵的運行轉速，需增加耦合器或變頻電機，改造工程巨大，故不考慮。通過對比分析，在不更換水力部件的情況下，在實現泵揚程降低13.4%的同時，還要保證提高泵2%的效率，理論上是不可能實現的，因此最終確定采用更換水力部件的方案進行改造。

2.2 提高泵效率? 通過對國內及國外給水泵在國內煉油廠使用情況的調研，發現近似參數鍋爐給水泵效率一般可達到79%，而我廠鍋爐給水泵的效率只有77%，至少存在2%的提高空間。改造時，擬對泵的流場進行CFD計算分析，進而對泵的水力模型進行優化，確保得到高效水力模型。同時，制造時采用精密鑄造的方式，以保證水力部件鑄造型線的準確性。

2.3 優化改進泵平衡機構? 鍋爐給水泵在運行期間多次出現過平衡盤、止推軸承磨損的機械故障，經分析是由于其平衡機構平衡能力不足導致的。因此在節能改造的同時時，對平衡機構進行優化改進，采用雙平衡機構（平衡盤與平衡鼓的結合）代替現有的平衡盤結構。同時，由于泵揚程降低215m，水力軸向力有所降低，運行的穩定性得到進一步提高。

3? 改造方案及主要內容

3.1 水力模型開發及優化? 泵的水力模型設計方法，目前常用的有傳統的相似換算法和速度系數法以及近年來發展較為迅速的CFD分析迭代法。

改造前泵的比轉速ns為72.2，改造后泵的比轉速ns為80.5。

由于泵廠家有相似比轉速的模型泵（ns=79），因此，本次改造泵的水力模型設計采用相似換算法與CFD分析迭代法相結合的方法。

3.1.1 相似換算法初步確定新水力模型? 選取比轉速相等或相近的效率高、高效范圍廣、抗汽蝕性能良好的模型泵。

按照公式計算比列系數;

通過相似換算，得到新的水力模型，其效率為77.5%。

3.1.2 CFD分析迭代法優化水力模型? 模型建立過程簡述如下：①水利設計、三維建模、網絡劃分;②流場分析計算、優化;③模型（1-n個）;④3D打印快速成型;⑤試驗篩選（試驗驗證返回②）;⑥計算參數修整迭代;⑦模型固化。

通過CFD優化分析，改善了泵內介質流動狀態，提高了泵的效率，分析結果如圖2所示。

3.2 水力部件精密鑄造? 水力部件的成型精度直接決定了泵的水力性能及效率，該泵的比轉速ns為80.5，級數為10級，屬于中比轉速泵，效率相對較低，因此為確保泵的效率，對葉輪、導葉采用精密鑄造，以確保流道及葉片型線的精度。

3.3 平衡機構優化改進? 泵運行時產生的不平衡軸向力是由于葉輪前后蓋板壓力的不對稱產生的，軸向力指向泵的入口方向。

對于多級泵，常用平衡軸向力的方法有如下3種，對比如下：①平衡鼓機構+推力軸承：平衡力范圍98%，泄漏大、影響泵效較大，間隙增大情況下，平衡效果不降，不適合變工況;②平衡盤機構+推力軸承：平衡力范圍100%，泄漏大、影響泵效較小，間隙增大情況下，自調間隙、自平衡，適合變工況;③雙平衡機構+推力軸承：平衡力范圍97.5%，泄漏中度、影響泵效小，自調間隙、調節范圍廣，適合變工況。通過平衡結構的對比分析，為了徹底解決平衡機構問題，改造方案采用適用范圍廣、調節范圍廣、可靠性高的雙平衡機構。

4? 改造結果

4.1 泵的結構? 改造后泵的結構如圖3所示。

4.2 泵的性能? 通過改造后的試驗驗證，鍋爐給水泵的揚程為1387m，效率為79.2%，滿足設計要求，改造前后的性能對比如圖4所示。

4.3 運行的平穩性? 通過對平衡機構的優化改進，泵在現場運行至今未出現過軸承及平衡機構的磨損機械故障，泵組振動值、軸承溫度值均在正常運行范圍內。

5? 總結

通過此次鍋爐給水泵項目的改造，提高了泵組的運行穩定性，解決了潛在的機械故障隱患。同時通過此項目的開展，認識到對于大功率的機械設備，合理參數的選擇尤為重要;要想得到高效、可靠的水力模型，需要傳統的設計方法與CFD分析計算相結合。

此次節能改造最為關鍵的是降低了我廠設備運行成本，改造后鍋爐給水泵的功率為1387kW，相比原來的1650kW，軸功率降低了263kW，按照工業用電每度1.5元計算，每臺給水泵一年可為公司節省約315.6萬元，節約成本相當可觀。

參考文獻：

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