多級(jí)離心泵電機(jī)負(fù)荷降低方案研究

商永剛

（山西華陽(yáng)集團(tuán)新能股份有限公司 煤層氣發(fā)電分公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 概 況

煤炭資源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要能源之一。山西是產(chǎn)煤大省，煤炭多埋藏于地表以下，需掘井開采，但山西省高突、高瓦斯礦井占比較大，一旦發(fā)生瓦斯爆炸，后果極其嚴(yán)重。瓦斯在煤炭中以游離態(tài)或吸附態(tài)的方式存在，是近些年造成礦難的重大危險(xiǎn)因素。產(chǎn)煤重點(diǎn)區(qū)域，政府規(guī)定煤礦必須實(shí)行“先抽后采”的模式，治理成本較高。但同時(shí)，瓦斯也是一種清潔能源，熱值與天然氣接近，1 000 m3的瓦斯相當(dāng)于1.25 t 標(biāo)準(zhǔn)煤，因此利用瓦斯進(jìn)行發(fā)電，是降低煤炭開采成本，提高煤炭生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑之一。瓦斯發(fā)電是華陽(yáng)集團(tuán)煤層氣開發(fā)的重點(diǎn)項(xiàng)目，用瓦斯代替煤炭發(fā)電可節(jié)約大量煤炭資源，同時(shí)減少大氣污染，間接降低煤炭開采成本。

離心泵是瓦斯發(fā)電中進(jìn)行動(dòng)力循環(huán)的重要輔機(jī)設(shè)備，然而在實(shí)際應(yīng)用中，存在大馬拉小車（造成電能浪費(fèi)）、小車?yán)篑R（電機(jī)負(fù)荷過(guò)大，容易引發(fā)電機(jī)燒壞故障）等問(wèn)題，主要原因是離心泵選型時(shí)，流量和揚(yáng)程不匹配或工藝條件改變所致。流量與揚(yáng)程富余量偏小，會(huì)造成物料粘度高或流量增大的情況下不能滿足生產(chǎn)需要，需要重新更換設(shè)備；流量和揚(yáng)程富余量過(guò)大，會(huì)造成離心泵節(jié)流損壞高、效率低、功耗高、電機(jī)負(fù)荷大，需要更換大容量電機(jī)，但這樣做不僅需要再次進(jìn)行投資，也會(huì)造成電能的浪費(fèi)，且在電機(jī)更換時(shí)還存在現(xiàn)場(chǎng)空間、安裝尺寸、聯(lián)軸器、線纜容量是否符合新電機(jī)等一系列問(wèn)題。

以山西華陽(yáng)集團(tuán)新能股份有限公司煤層氣發(fā)電分公司集中供熱站3 號(hào)、4 號(hào)減溫泵為例，針對(duì)該集中供熱站多級(jí)離心泵存在小馬拉大車的問(wèn)題，探討降低多級(jí)離心泵電機(jī)負(fù)荷的方案選擇，以及實(shí)施效果。

2 減溫泵設(shè)備情況與存在問(wèn)題

2.1 設(shè)備情況

山西華陽(yáng)集團(tuán)新能股份有限公司煤層氣發(fā)電分公司集中供熱站3 號(hào)、4 號(hào)減溫泵（多級(jí)離心泵）負(fù)責(zé)換熱站供汽減溫工作，正常情況下為一用一備，設(shè)備具體參數(shù)如下：

2.2 存在問(wèn)題

由于該泵設(shè)計(jì)原因，在運(yùn)行過(guò)程中電流為16.5 A，大于額定電流，出口母管壓力2 MPa，偏離額定工況較遠(yuǎn)，存在小馬拉大車的現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致電機(jī)溫度升高，甚至燒毀電機(jī)的情況發(fā)生，影響換熱站的供熱安全，因此，必須盡快減少電機(jī)負(fù)荷，但又不影響系統(tǒng)運(yùn)行。

3 方案探討與實(shí)施

3.1 方案探討

3.1.1 更換電機(jī)

更換電機(jī)就是根據(jù)現(xiàn)在的實(shí)際軸功率情況，在轉(zhuǎn)速不變的情況下更換一臺(tái)功率與目前實(shí)際水泵負(fù)荷相匹配的電機(jī)，根據(jù)三相電機(jī)功率計(jì)算公式：

式中：P 為電機(jī)功率；U 為電機(jī)額定電壓；I 為電機(jī)額定電流；cosφ電機(jī)功率因數(shù)。

通過(guò)式（1）可以計(jì)算出需要更換電機(jī)的最小功率，再通過(guò)電機(jī)功率等級(jí)表查出需要的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)。

3.1.2 加裝變頻器

加裝變頻器就是在電機(jī)供電系統(tǒng)上加裝一組變頻器，利用變頻器作為變頻電源，降低異步電動(dòng)機(jī)定子的供電電源頻率f，使同步轉(zhuǎn)速n1降低，從而降低水泵轉(zhuǎn)速。根據(jù)相似原理：

式中：H 為變頻前水泵揚(yáng)程；Q 為變頻前水泵流量；P 為變頻前水泵軸功率；n 為變頻前水泵葉輪外徑；H' 為變頻后水泵揚(yáng)程；Q' 為變頻后水泵流量；P'為變頻后水泵軸功率；n'為變頻后水泵葉輪外徑。加裝變頻調(diào)速以后，水泵的揚(yáng)程、流量和軸功率都降低。

3.1.3 切削葉輪

切削葉輪是指通過(guò)用切割葉輪外徑，達(dá)到降低水泵揚(yáng)程和流量的目的。通過(guò)切割定律確定切割數(shù)值：

式中：H 為切割前水泵揚(yáng)程；Q 為切割前水泵流量；P 為切割前水泵軸功率；D 為切割前水泵葉輪外徑；H' 為切割后水泵揚(yáng)程；Q' 為切割后水泵流量；P' 為切割后水泵軸功率；D' 為切割后水泵葉輪外徑。

需要注意的是，使用切割定律進(jìn)行切割數(shù)值計(jì)算，所得計(jì)算值，不能作為葉輪一次切割量，而是需進(jìn)行兩次或多次少許切割，切割后進(jìn)行驗(yàn)證，證明是否達(dá)到性能要求。葉輪切割后，葉輪和泵殼間間隙增大，除水泵除揚(yáng)程和流量下降外，其效率也會(huì)有所下降。葉輪切割后，水泵轉(zhuǎn)子要重新做動(dòng)靜平衡。

3.1.4 減少水泵級(jí)數(shù)

減少水泵級(jí)數(shù)就是減少多級(jí)離心泵的葉輪數(shù)量，多級(jí)離心泵實(shí)質(zhì)為多臺(tái)單級(jí)離心泵的串聯(lián)，減少葉輪數(shù)量?jī)H降低水泵揚(yáng)程，不會(huì)影響水泵流量。根據(jù)水泵軸功率計(jì)算公式：

式中：P 為軸功率，kW；Pf為有效功率，kW；η為泵的效率；γ 為液流重度，kgf/m3；H 為揚(yáng)程，m；Q 為流量，m3。

理論而言，多級(jí)泵在流量恒定的情況下，減少級(jí)數(shù)，揚(yáng)程隨之降低。由式（8）可知，流量恒定的條件下，泵軸功率與揚(yáng)程成正比例關(guān)系。此外，多級(jí)泵級(jí)數(shù)變少，流體阻力也會(huì)降低，在級(jí)數(shù)減少、阻力降低的雙重作用下，泵軸功率會(huì)顯著降低。

3.2 方案選擇

更換電機(jī)和加裝變頻器都需要額外投資，購(gòu)置新的設(shè)備，從設(shè)備采購(gòu)到安裝調(diào)試完畢時(shí)間跨度長(zhǎng)，無(wú)法達(dá)到盡快解決問(wèn)題的目的。而且此次要改造的多級(jí)離心泵參數(shù)帶入式（1）計(jì)算，得到所需電機(jī)最小輸出功率為電機(jī)輸出功率9.6 kW，參照電機(jī)功率等級(jí)表，需更換11 kW 的電機(jī)，但該電機(jī)與原7.5 kW 電機(jī)相比，在輸出軸徑和安裝尺寸上均有偏差，無(wú)法進(jìn)行簡(jiǎn)單安裝更換。因此更換電機(jī)和變頻改造這兩個(gè)方案都不是最佳方案。

由于該減溫泵的葉輪為1 mm 厚不銹鋼板沖壓后點(diǎn)焊而成（圖1），切割很容易把焊口損傷，造成葉輪損壞，因此切割葉輪的方案在該泵改造上也不能采用。

圖1 葉輪Fig.1 Impeller

減少水泵級(jí)數(shù)的方案在操作上方便，投資最少、風(fēng)險(xiǎn)最小，改造速度最快，因此減少水泵葉輪的方案在此次多級(jí)離心泵改造上最為可行。

3.3 方案實(shí)施與注意事項(xiàng)

3.3.1 減少葉輪數(shù)量確定

葉輪減少的數(shù)量可通過(guò)下式計(jì)算：

式中：n 為葉輪減少的數(shù)量；H 為水泵額定揚(yáng)程，為200 m；H1為改造后水泵最大揚(yáng)程，m；j 為水泵級(jí)數(shù)，為22；h 為每級(jí)揚(yáng)程，計(jì)算得9.1 m。

改造后水泵最大揚(yáng)程通過(guò)式（8）計(jì)算，即：

式中：P 為改造后泵最大軸功率，為7.5 kW；η 為泵實(shí)際效率；γ 為液流重度，為1 000 kgf/m3。

泵實(shí)際效率：

式中：Pf1為泵改造前有效功率，帶入水泵參數(shù)計(jì)算得2.722 kW；P1為改造前電機(jī)輸出功率，通過(guò)式（1）計(jì)算得9.6 kW。帶入數(shù)據(jù)計(jì)算泵實(shí)際效率為0.284。

將上述計(jì)算結(jié)果帶入式（10），得到改造后水泵最大揚(yáng)程為156.4 m，再帶入式（9）計(jì)算，得到葉輪減少的數(shù)量為4.79，取整為5。需要注意的是，此次計(jì)算忽略電機(jī)效率和傳動(dòng)效率。

3.3.2 改造過(guò)程

根據(jù)上述計(jì)算出的數(shù)據(jù)，結(jié)合山西華陽(yáng)集團(tuán)新能股份有限公司煤層氣發(fā)電分公司集中供熱站3號(hào)、4 號(hào)JGGC5-200 型減溫泵實(shí)際情況，以第9級(jí)為中心，每間隔一級(jí)取出一級(jí)葉輪，葉輪取出前后情況如圖2 所示。

圖2 葉輪取出前后Fig.2 Before and after the impeller is taken out

在取葉輪時(shí)要注意，取出葉輪后為保證葉輪每級(jí)間的間隙不改變，避免出現(xiàn)葉輪和泵殼動(dòng)靜摩擦問(wèn)題，需要在取出葉輪的軸套后加裝與葉輪同厚度的墊片或者重新加工該位置的軸套，如圖3 所示。此次改造是采用加裝墊片的方法進(jìn)行。除取出的葉輪不用回裝外，其余步驟按照回裝順序進(jìn)行回裝。

圖3 葉輪間軸套Fig.3 Impeller sleeve

3.4 改造后效果

改造后進(jìn)行試運(yùn)，正常運(yùn)行電流12.8 A，小于額定電流，壓力1.6 MPa，換熱站供汽減溫控制良好，說(shuō)明此次改造達(dá)到了預(yù)期目的，保證了換熱站供汽系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

瓦斯發(fā)電能夠解決瓦斯排放問(wèn)題，減少環(huán)境污染，降低煤炭企業(yè)生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。山西華陽(yáng)集團(tuán)新能股份有限公司煤層氣發(fā)電分公司的瓦斯發(fā)電項(xiàng)目中，集中供熱站3 號(hào)、4 號(hào)減溫泵（多級(jí)離心泵）在實(shí)際運(yùn)行中存在小馬拉大車的問(wèn)題，須在影響最小的情況下進(jìn)行改造。通過(guò)對(duì)幾種改造方案的對(duì)比分析，最終確定采用減少水泵葉輪的方案進(jìn)行改造，并計(jì)算了所需減少的水泵葉輪數(shù)量。通過(guò)改造，以最簡(jiǎn)便的方法解決了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際問(wèn)題，為以后解決類似問(wèn)題提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。