間接空冷系統(tǒng)循環(huán)水泵選型及布置研究

孫玉慶，張新海，李日鑫

（山西省電力勘測設(shè)計(jì)院，山西 太原 030001）

間接空冷系統(tǒng)循環(huán)水泵選型及布置研究

孫玉慶，張新海，李日鑫

（山西省電力勘測設(shè)計(jì)院，山西 太原 030001）

闡述了間接空冷系統(tǒng)中不同循環(huán)水泵的選型比較、運(yùn)行方式及運(yùn)行工況的調(diào)節(jié)。通過列舉某工程300 MW機(jī)組不同型式循環(huán)水泵的布置，并對(duì)其進(jìn)行分析比較，得出合理的循環(huán)水泵布置及其輔助設(shè)備的選用。

間接空冷系統(tǒng)；循環(huán)水泵；選型；布置

0 引言

間接空冷系統(tǒng)中循環(huán)水泵的主要功能是將從凝汽器出來的熱水輸送到空冷散熱器中進(jìn)行散熱，冷卻后的循環(huán)水再返回凝汽器中去冷卻汽輪機(jī)排汽[1]。循環(huán)水泵房是安裝泵組、輔助設(shè)備及電氣設(shè)備的建筑物，它為機(jī)組運(yùn)行和工作人員提供良好的工作環(huán)境。泵房的結(jié)構(gòu)型式主要由泵組類型及布置方式、泵房地基、檢修場地、配電間、電氣室等因素所確定，其中泵組包括循環(huán)水泵及其配套的電動(dòng)機(jī)，是間接空冷系統(tǒng)中重要組成部分，為保證系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行及節(jié)省工程投資，需對(duì)循環(huán)水泵選型、結(jié)構(gòu)、性能、運(yùn)行工況及合理布置予以充分論證[2]。

本文以表凝式間接空冷系統(tǒng)的循環(huán)水泵為例分析。

1 循環(huán)水泵選型

循環(huán)水泵選型應(yīng)滿足以下要求：能符合設(shè)計(jì)揚(yáng)程及設(shè)計(jì)流量的要求；循環(huán)水泵工作期間應(yīng)在高效率范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)；機(jī)組大小和臺(tái)數(shù)應(yīng)使泵站投資較省；便于維修及管理，運(yùn)行費(fèi)用較低。

1.1 循環(huán)水泵類型選擇

對(duì)于表凝式間接空冷系統(tǒng)低揚(yáng)程及閉式管路系統(tǒng)，多選用高效率的離心式泵。它結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)子短；泵與電動(dòng)機(jī)可直聯(lián)、總長度短；占地面積小；高效率運(yùn)行范圍廣，能適應(yīng)變工況的揚(yáng)程變化；檢修較易，使用壽命長。

離心式泵根據(jù)泵軸的位置不同分為立式和臥式兩種型式。

1.2 循環(huán)水泵結(jié)構(gòu)選擇

單級(jí)單吸立式蝸殼離心式泵占地面積小，泵房高度大；揚(yáng)程較低（最大能達(dá)60 m），流量范圍較大，一般國內(nèi)最大約為25 000 m3/h（在揚(yáng)程20 m時(shí)，最大流量約為22 000 m3/h）。

單級(jí)雙吸軸向中開蝸殼離心式泵，臥式安裝，電動(dòng)機(jī)可根據(jù)需要設(shè)置在泵的左側(cè)或右側(cè)；占地面積大，泵房高度小；揚(yáng)程較高（最大能達(dá)140 m），流量范圍較小，一般國內(nèi)最大約為23 000 m3/h（在揚(yáng)程20 m時(shí)，最大流量約為18 000 m3/h），易于檢修，軸向力很小，比較穩(wěn)定。

1.3 循環(huán)水泵運(yùn)行方式及臺(tái)數(shù)選擇

間接空冷系統(tǒng)需求的循環(huán)水量很大，由于循環(huán)水泵流量的限制及運(yùn)行安全性，需要把幾臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行，以滿足流量的需求。選用的水泵宜采用相同型號(hào)及轉(zhuǎn)數(shù)，并聯(lián)后總揚(yáng)程不變[3]。

在選擇循環(huán)水泵的型式及臺(tái)數(shù)時(shí)要綜合考慮水泵的布置方式及泵組的價(jià)格，目前工程中多采用1臺(tái)機(jī)組配2臺(tái)或3臺(tái)水泵，若選用2臺(tái)水泵，每臺(tái)水泵的容量按50%循環(huán)冷卻水量考慮，若選用3臺(tái)，每臺(tái)水泵的容量按35%循環(huán)冷卻水量考慮。下面以2臺(tái)水泵為例，說明水泵并聯(lián)后的運(yùn)行特性，如圖1所示。

圖1 2臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行特性示意圖

圖1 中曲線①為單臺(tái)水泵的性能曲線，曲線②為2臺(tái)水泵（2臺(tái)水泵型號(hào)相同） 并聯(lián)后的性能曲線，曲線③為管路阻力特性曲線，交點(diǎn)c為并聯(lián)后單臺(tái)水泵的實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)，流量為Qc，交點(diǎn)a為單臺(tái)水泵（單獨(dú)運(yùn)行時(shí)）的運(yùn)行工況點(diǎn)，點(diǎn)a處的流量Qa＞Qc，交點(diǎn)b為2臺(tái)水泵并聯(lián)后的運(yùn)行工況點(diǎn)，點(diǎn)b處的流量Qb=2Qc。

水泵運(yùn)行是否經(jīng)濟(jì)合理，要通過研究各水泵并聯(lián)后或單獨(dú)運(yùn)行時(shí)效率而定，以確保水泵的運(yùn)行點(diǎn)（點(diǎn)c—點(diǎn)a間）在高效區(qū)[4]。

1.4 循環(huán)水泵運(yùn)行工況的調(diào)節(jié)

可通過如下方式來調(diào)節(jié)循環(huán)水泵運(yùn)行工況。

a）在水泵轉(zhuǎn)數(shù)不變的情況下，通過調(diào)節(jié)管路閥門開度（節(jié)流）來改變管路性能曲線。

b）可通過采用可變磁極對(duì)的雙速電動(dòng)機(jī)及變頻調(diào)速來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)。其他變速調(diào)節(jié)方法有調(diào)換皮帶輪變速、齒輪箱變速等。

c）可通過切削水泵葉輪來調(diào)節(jié)水泵性能曲線。

d）改變并聯(lián)水泵運(yùn)行的臺(tái)數(shù)。

其中最簡單的方法為調(diào)節(jié)管路出口閥門，通過增大管路阻力損失來降低流量，此方法操作簡單，但能耗很大。目前比較節(jié)能的方法為采用變頻器來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到改變水泵轉(zhuǎn)數(shù)來調(diào)節(jié)流量，在直接空冷系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)是通過變頻器來實(shí)現(xiàn)的，但在間接空冷系統(tǒng)中循環(huán)水泵的調(diào)節(jié)一般通過改變并聯(lián)水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)來實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。

采用變頻器調(diào)節(jié)，可通過“一變多定”或“全部同步變速”的方法來實(shí)現(xiàn)，其中采用“一變多定”方法時(shí)，要注意當(dāng)其中1臺(tái)水泵在較低轉(zhuǎn)速工作時(shí)，與定速泵再并聯(lián)一起運(yùn)行，相當(dāng)于小泵與大泵的并聯(lián)，可能會(huì)使并聯(lián)后的水泵都在低效區(qū)運(yùn)行，不但沒有起到水泵的并聯(lián)效果，還會(huì)額外增加管路阻力。

在間接空冷系統(tǒng)中，循環(huán)水泵和電動(dòng)機(jī)的外形尺寸均較大，一般為3 m左右，加在一起為6 m左右。如果采用變頻器調(diào)速，在直接空冷系統(tǒng)中它的尺寸比較?。?臺(tái)變頻器尺寸約為456×326× 1 400 mm），價(jià)格也比較低（1臺(tái)低壓變頻器價(jià)格約為600元/kW），而在間接空冷系統(tǒng)中，它的尺寸一般比較大（1臺(tái)高壓變頻器尺寸約為4 900× 1 250×3 000 mm），價(jià)格也比較高（1臺(tái)高壓變頻器價(jià)格約為1 100元/kW），會(huì)增大泵房的長度及增加初投資。如表1所示，對(duì)變頻器在直接空冷及間接空冷系統(tǒng)中的運(yùn)用及收益做了簡單對(duì)比（非供熱機(jī)組），其中假設(shè)增加變頻器后的節(jié)電率為20%（根據(jù)廠家一般估算和一些文章中有關(guān)水泵的節(jié)電率數(shù)值），當(dāng)節(jié)電率為10%時(shí)，間接空冷系統(tǒng)增加變頻器投入的回收年限約為8年，如果循環(huán)水泵的運(yùn)行小時(shí)數(shù)或節(jié)能小時(shí)數(shù)降低時(shí)，回收年限會(huì)更長。在直接空冷系統(tǒng)中增加變頻器后，汽輪機(jī)的背壓調(diào)節(jié)效果比較明顯，因?yàn)樵谥苯涌绽湎到y(tǒng)中，散熱器既是凝汽器又是散熱器，受外界環(huán)境空氣的影響比較明顯，而在間接空冷系統(tǒng)中，凝汽器通過中間介質(zhì)水來換熱，水又具有熱惰性，通過冷卻塔中散熱器散熱后再流回凝汽器，有個(gè)時(shí)間反應(yīng)的階段，不像直接空冷那樣反應(yīng)快，所以變頻器在間接空冷系統(tǒng)中的運(yùn)用不如在直接空冷系統(tǒng)中運(yùn)用的明顯，即節(jié)電效果不如直接空冷系統(tǒng)（在一定程度上直接系統(tǒng)的節(jié)電效果＞20%）。

現(xiàn)在北方300 MW容量大多為供熱機(jī)組（2臺(tái)機(jī)組需要配4臺(tái)循環(huán)水泵），即冬季需要抽汽用于供暖，如果采用2機(jī)1塔，把2臺(tái)機(jī)組循環(huán)水管道合成1根，這時(shí)冬季采用1臺(tái)循環(huán)水泵供水即可，夏季需要4臺(tái)供水，春秋季可采用4臺(tái)或3臺(tái)供水，因?yàn)樵诙酒麢C(jī)的排氣量小，而夏季溫度高，需要的循環(huán)水量大，春秋季汽機(jī)排氣量的波動(dòng)不是很大。如果采用1機(jī)1塔，夏季時(shí)水泵全開，冬季時(shí)需要2臺(tái)水泵，但此時(shí)循環(huán)水量約為每臺(tái)水泵的流量的一半，可通過采用雙速電動(dòng)機(jī)來調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，并要保證在其運(yùn)行的高效區(qū)（水泵的最小轉(zhuǎn)速最好在額定轉(zhuǎn)速的70%～100%的范圍內(nèi)），即每臺(tái)水泵均采用雙速電動(dòng)機(jī)（全部同步變速）。

表1 變頻器在直接空冷及間接空冷系統(tǒng)中運(yùn)用及收益的對(duì)比

1.5 泵組價(jià)格的比較

一般立式水泵與臥式水泵（同一級(jí)別） 的價(jià)格相差不是很大，但立式電動(dòng)機(jī)的價(jià)格要比臥式電動(dòng)機(jī)的價(jià)格高，約為 1.3～1.5倍（高壓電動(dòng)機(jī)）。

2 循環(huán)水泵布置

在混凝式間接空冷系統(tǒng)中，循環(huán)水泵吸水側(cè)為真空系統(tǒng)，輸送介質(zhì)的水溫在40℃左右，因此在選擇循環(huán)水泵布置及計(jì)算泵房深度時(shí)，需注意汽蝕問題。因凝汽器水位與循環(huán)水泵中心線之間有一定的水柱高度，會(huì)增大泵房的深度，而在表凝式間接空冷系統(tǒng)中，循環(huán)水泵吸水側(cè)為正壓，約為0.1～0.2 MPa,因此在選擇循環(huán)水泵布置時(shí)，不需注意汽蝕問題，即泵房的深度只與水泵的結(jié)構(gòu)及循環(huán)水管道的標(biāo)高有關(guān)，可降低泵房的深度。

某工程2臺(tái)300 MW間接空冷機(jī)組，循環(huán)水泵分別采用立式與臥式離心式泵來布置，兩者在水泵房內(nèi)的總體布置型式是一樣的，其中臥式水泵采用交錯(cuò)排列布置（可節(jié)省一定空間）。當(dāng)采用立式水泵布置時(shí)，水泵臺(tái)數(shù)取為4臺(tái)（1機(jī)配2臺(tái)），當(dāng)采用臥式水泵布置時(shí)，水泵臺(tái)數(shù)可分別取為4臺(tái)及6臺(tái)（1機(jī)配2臺(tái)或3臺(tái)），如圖2及圖3所示的循環(huán)水泵布置。

圖2 立式水泵布置圖

圖3 臥式水泵交錯(cuò)排列布置圖

2.1 選用立式與臥式循環(huán)水泵布置的比較

a）可根據(jù)進(jìn)冷卻塔（間接空冷系統(tǒng)）處循環(huán)水管的標(biāo)高來初步確定泵房中循環(huán)水泵的出口管的標(biāo)高（可以減少管路阻力），同時(shí)應(yīng)保證管子的頂部處在當(dāng)?shù)乇鶅鼍€以下。當(dāng)選用立式水泵布置時(shí)，泵房高度應(yīng)能滿足通過最大物件（水泵或電動(dòng)機(jī)）的高度與起重繩的垂直長度之和，經(jīng)過比較可得出立式水泵的電動(dòng)機(jī)為最大物件，其高度及寬度都要比臥式水泵（最大物件為水泵） 的水泵高度及寬度要大，所以兩者在泵房地上部分高度能相差2～3 m，地下部分高度能相差1～2 m。

b)當(dāng)采用6臺(tái)臥式水泵交錯(cuò)排列布置時(shí)，泵房長度要比采用4臺(tái)立式水泵布置的泵房長度多出1柱距。

c） 當(dāng)采用臥式水泵交錯(cuò)排列布置時(shí)，泵房的寬度要比采用立式水泵布置的泵房寬度多出1跨距。

2.2 循環(huán)水泵的輔助設(shè)備

a）當(dāng)采用臥式水泵布置時(shí)，為消除水泵出口及進(jìn)口處的管段因溫度變化而引起管道的熱膨脹，通常均在水泵的進(jìn)出口管處安裝伸縮節(jié)或傳力接頭，經(jīng)過比較，通用型補(bǔ)償器也可以起到相同的作用，價(jià)格也要比他們較便宜，有些廠家現(xiàn)已不再生產(chǎn)傳力接頭；當(dāng)采用立式水泵布置時(shí)，因水泵的進(jìn)口管與出口管不在同一個(gè)標(biāo)高處，并相差比較大，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的彎矩，所以在水泵的進(jìn)出口管處應(yīng)安裝直管壓力平衡補(bǔ)償器來消除進(jìn)出管因熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力。

b）水泵進(jìn)出口管處蝶閥宜選擇雙偏心密封蝶閥。

3 結(jié)論

a）循環(huán)水泵的型式宜選擇離心式水泵。

b）通過立式與臥式循環(huán)水泵布置的比較，單臺(tái)300 MW及以下機(jī)組既可以采用臥式水泵布置，也可以采用立式水泵布置，但因臥式電動(dòng)機(jī)要比立式電動(dòng)機(jī)便宜，所以選取2臺(tái)臥式水泵布置比較合理；單臺(tái)600 MW及以上機(jī)組因單臺(tái)水泵最大流量的限制，采用臥式水泵布置需要4臺(tái)，立式水泵布置需要3臺(tái)，采用立式水泵布置比較合理。

c）當(dāng)選擇臥式水泵布置時(shí)，進(jìn)出口管處選用通用型補(bǔ)償器比較合理；當(dāng)選用立式水泵布置時(shí)，進(jìn)出口管處選用直管壓力平衡補(bǔ)償器比較合理。

d）增設(shè)變頻器，會(huì)使工程的初投資增大，泵房的長度也要加長。如果不是供熱機(jī)組，通過簡單估算，最長約8年可以回收增加的投資部分。并聯(lián)的水泵宜采用“全部同步變速”的調(diào)節(jié)方式，即每臺(tái)水泵配1臺(tái)變頻器。如果上網(wǎng)電價(jià)能進(jìn)一步提高，對(duì)回收成本會(huì)更有利。

e）如果是供熱機(jī)組不宜采用變頻器，因?yàn)槎九牌可伲赏ㄟ^改變并聯(lián)水泵的臺(tái)數(shù)或每臺(tái)水泵采用雙速電動(dòng)機(jī)來調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，均可達(dá)到節(jié)能的目的。

[1] 丁爾謀.發(fā)電廠空冷技術(shù)[M].北京：水力水電出版社，1992.

[2] 田家山.水泵與水泵站 [M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1988.

[3] 蔡增基，龍?zhí)煊?流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī) [M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[4] 孫一堅(jiān)，潘尤貴.空調(diào)水系統(tǒng)變流量節(jié)能控制（續(xù)2）：變頻調(diào)速水泵的合理應(yīng)用 [J].暖通空調(diào)，2005（10）：90-92.

Type Selection and Layout Scheme of Circulating Water Pump in Indirect Air Cooling System

SUN Yuqing,ZHANG Xinhai,LI Rixin
（Shanxi Electric Power Exploration and Design Institute,Taiyuan,Shanxi030001,China）

This paper briefly introduced indirect air-cooling system in terms of type selection of circulating water pumps,operation mode and the adjustment of operation conditions.After comparing and analyzing the layout of different types of 300 MW circulating water pump,reasonable layout scheme ofcirculatingwater pumps and auxiliaryequipment selections are summed up.

indirect air coolingsystem；circulatingwater pump;selection;arrangement

TM621

A

1671-0320（2017）04-0063-04

2017-04-06，

2017-06-05

孫玉慶（1981），男，山西運(yùn)城人，2008年畢業(yè)于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)熱能專業(yè)，高級(jí)工程師，碩士，從事電站空冷工程設(shè)計(jì)及科研開發(fā)方面的工作;

張新海（1964），男，山西曲沃人，1984年畢業(yè)于太原工業(yè)學(xué)院給排水專業(yè)，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事電站空冷工程設(shè)計(jì)及科研開發(fā)方面的工作；

李日鑫（1978），男，山西朔州人，2002年畢業(yè)于太原理工大學(xué)熱能動(dòng)力專業(yè)，高級(jí)工程師，從事電站空冷工程設(shè)計(jì)及科研開發(fā)方面的工作。