475MW燃機循環水泵葉輪優化改造

華電江蘇能源有限公司 刁金強

引言

循環水泵作為火力發電機組的重要輔機之一，主要為凝汽器和閉冷水系統提供循環冷卻水。機組運行過程中，循環水泵存在實際流量偏離設計值、效率低等問題，間接影響凝汽器真空度和機組運行經濟性，因此對循環水泵進行提質增效改造十分必要。

循環水泵的改造方案通常有兩種：一是將循環水泵電機改為雙速電機，根據運行工況的不同，適時切換水泵的運行方式；二是對水泵葉輪進行改造，提高水泵運行效率和流量。文章以某電廠燃機循環水泵葉輪改造案例進行分析，此次改造以原泵殼為基準，采用葉輪水體三維建模的方式，重新設計葉輪及密封環尺寸。改造后，循環水泵運行電流較之前未發生較大改變，泵效率和出水流量得到了明顯提高，達到了預期改造效果。

1 機組概況及水泵出力情況分析

某電廠一期M701F4燃機共配備有四臺循環水泵、均為雙速泵，共同為兩臺機組提供循環冷卻水。循環水泵的運行方式共有三種，分別為：夏季一機兩泵，冬季一機一泵，春秋季兩機三泵。循環水泵型號及主要技術規范如下：G48Sha臥式單級雙吸蝸殼中開式離心泵，流量15552/13320m3/h，揚程20.4/15.3mH2O，高低速495/425r/min，設計效率89/88%。

兩臺燃機自2017年5月雙投以來，循環水泵先后出現振動大、汽蝕等隱患，影響機組安全穩定運行，生產廠家在對水泵進行檢查后，提出了切割葉輪的修理意見。葉輪切割后，汽蝕和振動大的問題得到明顯改善，但運行效率低和出力不足的問題未能解決，機組存在循環水量不足、凝汽器真空度偏低的缺陷。

改造前，公司技術人員與第三方機構共同對4臺循環水泵出力進行了檢測，測量位置為泵出口管路，管路尺寸為Φ1420×10，測量方案及測量結果如下。8月7日～8日測試情況：現場4臺循環水泵均高速運行，符合高速夏季一機兩泵運行工況，分別測試4臺水泵運行參數；8月10日，現場運行1臺高速泵，符合高速冬季一機一泵運行工況。而后切換工況為兩臺高速一臺低速運行，即低速春秋季二機三泵運行工況，測試了其中的循環水泵低速運行參數；測試設備：手持式超聲波流量計、高精度壓力表，流量計采用Z法測量；電機電壓6kV、功率因數0.8/0.79、電機效率按94%進行計算。

表1 夏季高速一機兩泵運行工況

高速冬季一機一泵運行工況（測試時間8月10號）：位號1B，進口壓力0.038MPa，出口壓力0.175MPa，測試流量10950m3/h，電流113A，計算揚程14m，泵計算效率47.3%；春秋季兩機三泵運行工況（測試時間8月10號，從管路特性分析來看該數據存有質疑，暫不分析，僅列流量如下）：位號1B，進口壓力0.04MPa，測試流量10459m3/h，電流76A。

根據實際測量結果，并與G48Sha臥式單級雙吸蝸殼中開式離心泵主要技術規范相比，4臺循環水泵的流量和揚程未能達到保證性能點，高低速運行時效率低。水泵葉輪通用切削定律公式如下：Q2/Q1=D2/D1，H2/H1=(D2/D1)2=P2/P1，式 中：Q1為 葉輪車削前的流量，m3/s；Q2為葉輪車削后的流量，m3/s；H1為葉輪車削前的揚程，m；H2為葉輪車削后的揚程，m；D1為葉輪車削前的外徑，mm；D2為葉輪車削后的外徑，mm；P1為葉輪車削前的軸功率，kW；H2為為葉輪車削后的軸功率，kW。

根據公式得知，在水泵外殼、流道、入口壓力等外界因素恒定情況下，葉輪外徑與流量、揚程、功率成正向比例，葉輪的切割量越大流量和揚程下降越多；切割的修理方案解決了水泵振動和氣蝕的隱患，但未均衡考慮出力和效率，循環水量的不足導致凝汽器真空度也受到了較大影響。

2 改造方案及改造效果

2.1 設計依據

在設計水泵時，采用相似原理導出比轉速為主要參數，比轉速是包含揚程、流量和轉速的綜合特征數，水泵的性能參數可以通過比轉速進行反映，主要公式如下：ns=3.65n√Q/H3/4，式中：ns為比轉速；Q為流量，m3/s；H為揚程，m；n為轉速，r/min。為兼顧三種運行工況，以春秋季工況作為設計基準點，比轉數定為312，并按照表2參數作為改造依據。

表2 循環水泵葉輪改造設計參數

2.2 設計論證及加工方案

通過對葉輪水體進行三維建模，并分別在三種運行工況下對葉輪的運行情況進行CFD計算分析，根據計算結果模擬出葉輪的性能參數、內部流態及壓力分布狀態。通過CFD分析計算得到的性能參數如表3所示。

表3 葉輪模擬CFD計算性能參數

根據現場測量的尺寸，泵殼與密封環配合位置直徑為φ870mm、內側寬600mm、外側寬850mm，葉輪蓋板外徑實測約為φ1010mm，葉片加工深度單邊約為40mm，葉片直徑約為φ930mm。

圖1 現場測量尺寸

2.3 改造效果

循環水泵實施葉輪改造后電機電流未發生明顯改變，高速電流為112A、低速電流為75A，水泵流量、效率提升明顯，改造前后性能對比結果如表4。

表4 改造前后性能對比

3 結語

本文分析了循環水泵效率偏低的原因，葉輪切割的修理方式有效消除了影響水泵安全運行的隱患，但因切割量存在偏差、未能兼顧水泵出力，影響機組運行經濟性；針對水泵出力不足現狀，通過重新設計水泵葉輪、口環和密封環，以春秋季運行工況為基準點，確定比轉速ns為311，在不增加電力能耗的基礎上，大幅度提高了循環水泵出口流量，凝汽器真空度得到提升。