孟劍 馬廷順

摘要：針對鍋爐給水泵運(yùn)行工況不合理、效率偏低及運(yùn)行不穩(wěn)定等問題，通過更換水力模型和優(yōu)化平衡機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了鍋爐給水泵降揚(yáng)程、提效率的節(jié)能改造目標(biāo)，同時還提高了泵的運(yùn)行穩(wěn)定性及可靠性，而且改造項(xiàng)目的實(shí)施，每臺給水泵一年可為公司節(jié)省約315.6萬元的設(shè)備運(yùn)行成本費(fèi)用。該項(xiàng)改造具有良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益，還可為同類給水泵的技術(shù)升級提供參考。

關(guān)鍵詞：鍋爐給水泵;節(jié)能改造;水力部件;平衡機(jī)構(gòu)

0? 引言

鍋爐給水泵是煉廠動力中心給水除氧系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，采用兩用一備的并聯(lián)布置方式，其主要作用是輸送高溫鍋爐水，泵的運(yùn)行功率較大，耗電量較高。為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的倡導(dǎo)以及節(jié)約公司的運(yùn)行成本，對我廠大功率運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行了節(jié)能改造可行性分析，經(jīng)評估我廠3臺3DG-10Q鍋爐給水泵節(jié)能改造價(jià)值較高，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

通過管路系統(tǒng)分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)我廠選用的鍋爐給水泵揚(yáng)程相對偏高，效率偏低。由泵的軸功率計(jì)算公式（公式（1）可看出，泵的軸功率與揚(yáng)程成正比關(guān)系，與效率成反比關(guān)系。因此可從降低泵揚(yáng)程，提高泵效率的方面，進(jìn)行鍋爐給水泵節(jié)能改造。同時，由于平衡機(jī)構(gòu)平衡能力不足，該泵在運(yùn)行期間多次出現(xiàn)平衡盤、推力軸承磨損故障，因此在節(jié)能改造的同時對泵的平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高泵的運(yùn)行可靠性。

1? 泵基本概況

1.1 結(jié)構(gòu)介紹? 我廠運(yùn)行的鍋爐給水泵為臥式、兩端支撐的節(jié)段式多級離心泵，吸入、吐出口均垂直向上，采用集裝式機(jī)械密封、滑動軸承、強(qiáng)制潤滑，平衡機(jī)構(gòu)采用平衡盤加止推軸承，屬于API610中的BB4結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 基本參數(shù)? 改造前鍋爐給水泵的基本參數(shù)：流量320m3/h;揚(yáng)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(tǒng)可以看出，泵出口壓力只需13.247MPa（即泵揚(yáng)程為1385m）即可滿足運(yùn)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(biāo)是：降低泵揚(yáng)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(shù)：流量320m3/h;揚(yáng)程1385m;效率79%;軸功率1387kW;NPSHr8m。

2.1 降低泵揚(yáng)程? 降低泵揚(yáng)程的方法相對較多，如進(jìn)行葉輪切割、撤去中間一級葉輪、降低泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速及更換水力部件等。對以上方案進(jìn)行分析，葉輪切割將會導(dǎo)致泵效率降低，達(dá)不到節(jié)能的效果;撤去中間一級葉輪，因該泵的單級揚(yáng)程為160m，而需要降低的揚(yáng)程為215m，無法滿足降低揚(yáng)程的需求;降低泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，因該泵最初設(shè)計(jì)時未考慮調(diào)速，如要降低泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，需增加耦合器或變頻電機(jī)，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(shí)現(xiàn)泵揚(yáng)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(shí)現(xiàn)的，因此最終確定采用更換水力部件的方案進(jìn)行改造。

2.2 提高泵效率? 通過對國內(nèi)及國外給水泵在國內(nèi)煉油廠使用情況的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)近似參數(shù)鍋爐給水泵效率一般可達(dá)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(jìn)行CFD計(jì)算分析，進(jìn)而對泵的水力模型進(jìn)行優(yōu)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(zhǔn)確性。

2.3 優(yōu)化改進(jìn)泵平衡機(jī)構(gòu)? 鍋爐給水泵在運(yùn)行期間多次出現(xiàn)過平衡盤、止推軸承磨損的機(jī)械故障，經(jīng)分析是由于其平衡機(jī)構(gòu)平衡能力不足導(dǎo)致的。因此在節(jié)能改造的同時時，對平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，采用雙平衡機(jī)構(gòu)（平衡盤與平衡鼓的結(jié)合）代替現(xiàn)有的平衡盤結(jié)構(gòu)。同時，由于泵揚(yáng)程降低215m，水力軸向力有所降低，運(yùn)行的穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高。

3? 改造方案及主要內(nèi)容

3.1 水力模型開發(fā)及優(yōu)化? 泵的水力模型設(shè)計(jì)方法，目前常用的有傳統(tǒng)的相似換算法和速度系數(shù)法以及近年來發(fā)展較為迅速的CFD分析迭代法。

改造前泵的比轉(zhuǎn)速ns為72.2，改造后泵的比轉(zhuǎn)速ns為80.5。

由于泵廠家有相似比轉(zhuǎn)速的模型泵（ns=79），因此，本次改造泵的水力模型設(shè)計(jì)采用相似換算法與CFD分析迭代法相結(jié)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(zhuǎn)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(jì)算比列系數(shù);

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(yōu)化水力模型? 模型建立過程簡述如下：①水利設(shè)計(jì)、三維建模、網(wǎng)絡(luò)劃分;②流場分析計(jì)算、優(yōu)化;③模型（1-n個）;④3D打印快速成型;⑤試驗(yàn)篩選（試驗(yàn)驗(yàn)證返回②）;⑥計(jì)算參數(shù)修整迭代;⑦模型固化。

通過CFD優(yōu)化分析，改善了泵內(nèi)介質(zhì)流動狀態(tài)，提高了泵的效率，分析結(jié)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(zhuǎn)速ns為80.5，級數(shù)為10級，屬于中比轉(zhuǎn)速泵，效率相對較低，因此為確保泵的效率，對葉輪、導(dǎo)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(jī)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)? 泵運(yùn)行時產(chǎn)生的不平衡軸向力是由于葉輪前后蓋板壓力的不對稱產(chǎn)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(jī)構(gòu)+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(jī)構(gòu)+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(diào)間隙、自平衡，適合變工況;③雙平衡機(jī)構(gòu)+推力軸承：平衡力范圍97.5%，泄漏中度、影響泵效小，自調(diào)間隙、調(diào)節(jié)范圍廣，適合變工況。通過平衡結(jié)構(gòu)的對比分析，為了徹底解決平衡機(jī)構(gòu)問題，改造方案采用適用范圍廣、調(diào)節(jié)范圍廣、可靠性高的雙平衡機(jī)構(gòu)。

4? 改造結(jié)果

4.1 泵的結(jié)構(gòu)? 改造后泵的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.2 泵的性能? 通過改造后的試驗(yàn)驗(yàn)證，鍋爐給水泵的揚(yáng)程為1387m，效率為79.2%，滿足設(shè)計(jì)要求，改造前后的性能對比如圖4所示。

4.3 運(yùn)行的平穩(wěn)性? 通過對平衡機(jī)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，泵在現(xiàn)場運(yùn)行至今未出現(xiàn)過軸承及平衡機(jī)構(gòu)的磨損機(jī)械故障，泵組振動值、軸承溫度值均在正常運(yùn)行范圍內(nèi)。

5? 總結(jié)

通過此次鍋爐給水泵項(xiàng)目的改造，提高了泵組的運(yùn)行穩(wěn)定性，解決了潛在的機(jī)械故障隱患。同時通過此項(xiàng)目的開展，認(rèn)識到對于大功率的機(jī)械設(shè)備，合理參數(shù)的選擇尤為重要;要想得到高效、可靠的水力模型，需要傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與CFD分析計(jì)算相結(jié)合。

此次節(jié)能改造最為關(guān)鍵的是降低了我廠設(shè)備運(yùn)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(yè)用電每度1.5元計(jì)算，每臺給水泵一年可為公司節(jié)省約315.6萬元，節(jié)約成本相當(dāng)可觀。

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