垃圾焚燒發(fā)電廠循環(huán)水泵出口壓力不足的原因分析與對(duì)策

瀘州市興瀘環(huán)保發(fā)展有限公司 黃忠富

生態(tài)環(huán)保問題是當(dāng)今社會(huì)面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一，嚴(yán)重制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，處理好環(huán)保問題關(guān)系著廣大人民群眾的根本利益。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平日益提高，生活垃圾圍城現(xiàn)象等環(huán)保問題越發(fā)突出，垃圾焚燒發(fā)電是處理生活垃圾的主要方式之一，是無害的、資源回收利用的，垃圾焚燒發(fā)電這種方式無疑是處置生活垃圾的最佳方式，引起了國(guó)家高度重視和社會(huì)廣泛關(guān)注。垃圾焚燒發(fā)電廠不僅可以焚燒處理生活垃圾，還可以利用焚燒生活垃圾產(chǎn)生的熱量來加熱鍋爐，從而產(chǎn)生大量可供汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)的合格品質(zhì)蒸汽，再利用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)資源回收利用，因此垃圾焚燒發(fā)電得以迅猛發(fā)展。

在垃圾焚燒發(fā)電廠運(yùn)行中，汽輪機(jī)作為三大主機(jī)之一，其重要性不言而喻，而循環(huán)水泵的運(yùn)行工況決定著整個(gè)汽輪機(jī)的運(yùn)行效率，因此循環(huán)水泵在垃圾焚燒發(fā)電廠中至關(guān)重要。本文主要針對(duì)循環(huán)水泵出口壓力不足這一問題進(jìn)行理論和案例分析，找出問題原因所在并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況提出相應(yīng)解決對(duì)策。

1 引起循環(huán)水泵出口壓力不足原因的類型介紹

循環(huán)水泵是發(fā)電廠最主要的三種水泵之一，循環(huán)水泵的主要作用是向凝汽器不間斷地提供大量的循環(huán)冷卻水，用以冷卻汽輪機(jī)的排汽，使之凝結(jié)成凝結(jié)水，汽輪機(jī)的真空主要是由于排汽凝結(jié)所形成的，循環(huán)冷卻水再進(jìn)入冷卻塔中進(jìn)行冷卻降溫，循環(huán)水泵使循環(huán)冷卻水實(shí)現(xiàn)一個(gè)循環(huán)使凝汽器降溫。所以循環(huán)水泵的運(yùn)行工況、出口壓力大小、循環(huán)冷卻水量充足與否，嚴(yán)重地影響著汽輪機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。此外，循環(huán)水泵還向冷油器、發(fā)電機(jī)的空冷器等重要設(shè)備提供循環(huán)冷卻水[1]。

出口壓力不足是循環(huán)水泵運(yùn)行參數(shù)中最為重要幾個(gè)指標(biāo)之一，一旦循環(huán)水泵出現(xiàn)出口壓力不足將直接影響汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行，從而影響垃圾焚燒發(fā)電廠整套設(shè)備的運(yùn)行，給企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)帶來諸多方面的威脅，常見的造成循環(huán)水泵出口壓力不足的原因有以下幾種：

循環(huán)水泵內(nèi)各部分動(dòng)靜環(huán)間隙增大，導(dǎo)致泵內(nèi)效率降低；平衡盤或者軸承磨損，導(dǎo)致葉輪中心偏移使效率下降；耦合器故障或者聯(lián)軸器脫開，使輸入功率不足；輸出流量增加，有循環(huán)水管道爆管的可能；進(jìn)口堵塞，進(jìn)口濾網(wǎng)堵塞嚴(yán)重或者進(jìn)口閥門閥芯掉落；泵內(nèi)工藝缺陷導(dǎo)致鑄造工藝不合格，泵內(nèi)氣蝕均會(huì)造成水泵出力降低；水泵選型與管路特性曲線不匹配，水泵不在循環(huán)水管路系統(tǒng)中的穩(wěn)定點(diǎn)工作會(huì)使水泵效率下降。

2 水泵選型與管路特性曲線不匹配引起的出口壓力不足的案例分析

2.1 運(yùn)行工況及問題描述

瀘州市垃圾焚燒發(fā)電廠循環(huán)水系統(tǒng)采用閉式再循環(huán)供水方式，二臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組配四臺(tái)循環(huán)水泵，四臺(tái)循環(huán)水泵并聯(lián)運(yùn)行，三臺(tái)3300立方冷卻塔，循環(huán)水泵進(jìn)水水源由三臺(tái)冷卻塔下的連通水池導(dǎo)入循環(huán)水泵。循環(huán)水母管為單母管制系統(tǒng)，一路在進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)組凝汽器之前各分兩路進(jìn)入凝汽器，另一路由自動(dòng)過濾器進(jìn)入工業(yè)冷卻水管網(wǎng)，冷卻汽輪機(jī)排汽后亦以各兩路回水至冷卻塔。

瀘州市垃圾焚燒發(fā)電廠一期工程#1、#2、#3循環(huán)水泵于2015年12月正式投產(chǎn)正常運(yùn)行，其單臺(tái)循環(huán)水泵出口壓力達(dá)到0.18MPa、電流440A，流量3300立方；二期工程新增一臺(tái)#4循環(huán)水泵于2019年7月試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)其出口壓力低，#4循環(huán)水泵單臺(tái)出口壓力只有0.11MPa，電流500A、流量3800立方，不能滿足生產(chǎn)需求。由于循環(huán)水泵安裝位置較低，位于水平地面5米之下，而汽輪機(jī)凝汽器、冷油器、發(fā)電機(jī)空冷器的安裝位置較高，最高的安裝在水平地面上6米之上，因此循環(huán)水泵出水口與最高位置循環(huán)水用戶相差有11米。而循環(huán)水泵出口水壓需要克服11米的重力差和循環(huán)水管道的阻力才能到達(dá)用戶，所以二期工程#4循環(huán)水泵0.11MPa 的出口壓力不能滿足生產(chǎn)需要，循環(huán)水泵性能參數(shù)如表1所示。

表1 循環(huán)水泵性能參數(shù)

#1、#2、#3、#4循環(huán)水泵電源線均接在380V電壓等級(jí)的循環(huán)水母線上，#1、#3、#4循環(huán)水泵電源線接在#1循環(huán)水母線上，#2循環(huán)水泵電源線接在#2循環(huán)水母線上，#1循環(huán)水母線與#2循環(huán)水母線之間設(shè)有聯(lián)絡(luò)開關(guān)，循環(huán)水變配電室接線圖如圖1所示。且#1、#2、#3、#4循環(huán)水泵管道均接在循環(huán)冷卻水母管道上，#1、#2、#3循環(huán)水泵出口壓力能滿足生產(chǎn)需要，而#4循環(huán)水泵出口壓力低不能滿足生產(chǎn)需要。

圖1 循環(huán)水變配電室接線圖

經(jīng)排查，#4循環(huán)水泵安裝未出現(xiàn)問題，其出口壓力低有以下幾個(gè)特點(diǎn)：#4循環(huán)水泵功率較#1、#2、#3循環(huán)水泵單臺(tái)大30kW；#4循環(huán)水泵電流較#1、#2、#3循環(huán)水泵單臺(tái)大60A 左右；#4循環(huán)水泵流量較#1、#2、#3循環(huán)水泵單臺(tái)大500立方左右；#4循環(huán)水泵單臺(tái)出口壓力較#1、#2、#3循環(huán)水泵單臺(tái)小0.07MPa。

2.2 原因分析

在工程流體力學(xué)計(jì)算中，根據(jù)流體流速與流體流量的關(guān)系，圓形管道內(nèi)流體流速表示為v=Q/A=Q/(πR2/4)=4Q/(πR2)，A 表示為過流斷面面積，Q 表示流體流量，R 表示管道半徑。根據(jù)公式可得出，在管道半徑R 固定不變的情況下，流體流速v 與流體流量Q 成正比例的關(guān)系。

再根據(jù)工程流體力學(xué)三大基本方程之一能量方程(又稱伯努利方程[2])——依據(jù)能量守恒定律推導(dǎo)得出P+1/2ρv2+ρgh=C，這個(gè)式子稱為伯努利方程，P 表示為流體壓強(qiáng)、ρ 表示為流體密度、v 表示為流體速度、g 表示為重力加速度、h 表示為流體所在高度、C 為伯努利常數(shù)。因?yàn)榱黧w管道是固定的，推出流體所在高度h 是固定的，所以根據(jù)公式可以得出，如果流體速度越小壓強(qiáng)就越大，如果流體速度越大壓強(qiáng)就越小。換句話說，等高流動(dòng)時(shí)流速越大壓力就越小。

根據(jù)離心泵功率計(jì)算公式P=流量×揚(yáng)程×9.81×介質(zhì)比重÷3600÷泵效率，簡(jiǎn)化為P=2.73 HQ/η，P 表示為水泵軸功率、H 表示為揚(yáng)程、Q 表示為流體流量、η 表示為水泵的效率。根據(jù)公式可以看出，當(dāng)揚(yáng)程一定時(shí)，水泵功率與水泵流量成正比例關(guān)系，因此可以看出#4循環(huán)水泵功率比#1、#2、#3循環(huán)水泵單臺(tái)功率大30kM，相應(yīng)的#4循環(huán)水泵流量比#1、#2、#3循環(huán)水泵單臺(tái)流量也要大些。

根據(jù)以上三個(gè)方程式可以得出，當(dāng)循環(huán)水泵功率大些，循環(huán)水流的流量就越大，循環(huán)水流的流速就越大，相應(yīng)的循環(huán)水流的壓力就越小。這與#4循環(huán)水泵功率比#1、#2、#3循環(huán)水泵單臺(tái)功率大，而#4循環(huán)水泵單臺(tái)出口壓力較#1、#2、#3循環(huán)水泵單臺(tái)出口壓力小相印證。

水泵有其本身的性能曲線，循環(huán)水管路系統(tǒng)也有其自身的管路特性曲線，管路特性曲線表示了管路中通過的流量與其所需要的能量之間的關(guān)系曲線。水泵本身的性能曲線與循環(huán)水管路的管路特性曲線的交點(diǎn)M 即是水泵在管路中的工作點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 泵的工作點(diǎn)

只有水泵在M 點(diǎn)工作，才能達(dá)到能量平衡、工作穩(wěn)定。如果水泵不在M 點(diǎn)工作，則說明水泵產(chǎn)生的能量有富余或不足，能量有富余水流將加速，能量不足水流將減速。當(dāng)水泵本身的性能曲線與管道的特性曲線無交點(diǎn)時(shí)，則說明這個(gè)水泵的性能過高或過低，不能適應(yīng)與整個(gè)管道系統(tǒng)布置的要求，需要另外選擇與管道特性曲線相適應(yīng)的水泵。

根據(jù)以上原則，說明#1、#2、#3循環(huán)水泵本身的性能曲線與循環(huán)水管道系統(tǒng)的管路特性曲線相適應(yīng)，能滿足生產(chǎn)需要，而#4循環(huán)水泵本身的性能曲線與循環(huán)水管道系統(tǒng)的管路特性曲線不匹配，不能滿足生產(chǎn)需要。

根據(jù)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)容量的選擇原則，水泵并聯(lián)運(yùn)行后，總輸出流量比各臺(tái)水泵單臺(tái)工作時(shí)的輸出流量之和會(huì)減少。水泵并聯(lián)臺(tái)數(shù)隨著擴(kuò)建遞增，臺(tái)數(shù)越多，并聯(lián)后所能增加的流量越少，并聯(lián)臺(tái)數(shù)過多運(yùn)行效率降低。當(dāng)不同性能的水泵并聯(lián)工作時(shí)，揚(yáng)程低的水泵輸出流量會(huì)減少的多些，所以不同性能的水泵并聯(lián)效果并不好。

瀘州市垃圾焚燒發(fā)電廠一期工程#1、#2、#3循環(huán)水泵是同型號(hào)同性能的水泵，功率均為250kW，而二期工程#4循環(huán)水泵與一期工程#1、#2、#3循環(huán)水泵不是相同型號(hào)相同性能的水泵，功率為280kW。所以#4循環(huán)水泵與#1、#2、#3循環(huán)水泵并聯(lián)工作時(shí)應(yīng)用效果不會(huì)很好。

對(duì)#4循環(huán)水泵出口壓力不足現(xiàn)象的原因分析總結(jié)如下：對(duì)選取#4循環(huán)水泵功率較#1、#2、#3循環(huán)水泵單臺(tái)功率大些，循環(huán)水流的流量就越大循環(huán)水流的流速就越大，循環(huán)水流的壓力就越小相應(yīng)的#4循環(huán)水泵單臺(tái)出口壓力較#1、#2、#3循環(huán)水泵單臺(tái)出口壓力就小些；#4循環(huán)水泵本身的性能曲線與循環(huán)水管道系統(tǒng)的管路特性曲線不匹配，水泵不在循環(huán)水管路系統(tǒng)中的穩(wěn)定點(diǎn)工作會(huì)使水泵效率下降，就不能滿足生產(chǎn)需要；二期工程#4循環(huán)水泵與一期工程#1、#2、#3循環(huán)水泵不是相同型號(hào)相同性能的水泵，所以#4循環(huán)水泵與#1、#2、#3循環(huán)水泵并聯(lián)工作時(shí)應(yīng)用效果不會(huì)很好。

3 解決#4循環(huán)水泵出口壓力不足的對(duì)策

根據(jù)以上三個(gè)對(duì)#4循環(huán)水泵出口壓力不足現(xiàn)象的原因分析總結(jié)，作出以下對(duì)策：

#4循環(huán)水泵型號(hào)選擇時(shí)可以選與#1、#2、#3循環(huán)水泵型號(hào)性能相同的循環(huán)水泵，這樣#4循環(huán)水泵本身的性能曲線就能與循環(huán)水管道系統(tǒng)的管路特性曲線相匹配，#4循環(huán)水泵與#1、#2、#3循環(huán)水泵并聯(lián)工作時(shí)的應(yīng)用效果就會(huì)很好，#4循環(huán)水泵出口壓力就能滿足生產(chǎn)需要。

在不改變現(xiàn)有#4循環(huán)水泵選型的基礎(chǔ)上，可以在循環(huán)水用戶后的循環(huán)水母管上對(duì)循環(huán)水總量進(jìn)行截流，降低循環(huán)水總量，從而降低循環(huán)水流速，提高循環(huán)水壓力來滿足生產(chǎn)需要。此種方法需對(duì)循環(huán)水用戶后的循環(huán)母管進(jìn)行技術(shù)改造截流。

在不改變現(xiàn)有#4循環(huán)水泵選型的基礎(chǔ)上，對(duì)#4循環(huán)水泵電機(jī)加裝變頻器。可以通過調(diào)節(jié)變頻器頻率來改變#4循環(huán)水泵電機(jī)功率，改變循環(huán)水流量、流速，從而改變#4循環(huán)水泵出口壓力。此外，這種方法可以降低啟動(dòng)電流，通過變頻器軟啟動(dòng)和軟關(guān)閉減少電機(jī)頻繁啟停帶來的負(fù)荷，也能節(jié)約電耗，提高經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)語(yǔ)

循環(huán)水泵出口壓力不足是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常見的現(xiàn)象之一，循環(huán)水泵出口壓力不足受很多原因影響，其中我廠循環(huán)水泵出口壓力不足是由于循環(huán)水泵選型與循環(huán)水管道系統(tǒng)的管路特性曲線不匹配導(dǎo)致的。在新安裝試運(yùn)行階段，當(dāng)發(fā)現(xiàn)循環(huán)水泵與其他并聯(lián)運(yùn)行的循環(huán)水泵的功率、電流、循環(huán)水量和出口壓力不相同時(shí)，往往就是由于循環(huán)水泵選型與循環(huán)水管道系統(tǒng)的管路特性曲線不匹配導(dǎo)致的。