垃圾焚烧发电厂循环水泵出口压力不足的原因分析与对策

泸州市兴泸环保发展有限公司 黄忠富

生态环保问题是当今社会面临的最严峻的挑战之一，严重制约着国民经济的可持续发展，处理好环保问题关系着广大人民群众的根本利益。随着国民经济的发展和人民生活水平日益提高，生活垃圾围城现象等环保问题越发突出，垃圾焚烧发电是处理生活垃圾的主要方式之一，是无害的、资源回收利用的，垃圾焚烧发电这种方式无疑是处置生活垃圾的最佳方式，引起了国家高度重视和社会广泛关注。垃圾焚烧发电厂不仅可以焚烧处理生活垃圾，还可以利用焚烧生活垃圾产生的热量来加热锅炉，从而产生大量可供汽轮机冲转的合格品质蒸汽，再利用汽轮机转动的机械能带动发电机转化为电能，实现资源回收利用，因此垃圾焚烧发电得以迅猛发展。

在垃圾焚烧发电厂运行中，汽轮机作为三大主机之一，其重要性不言而喻，而循环水泵的运行工况决定着整个汽轮机的运行效率，因此循环水泵在垃圾焚烧发电厂中至关重要。本文主要针对循环水泵出口压力不足这一问题进行理论和案例分析，找出问题原因所在并结合现场情况提出相应解决对策。

1 引起循环水泵出口压力不足原因的类型介绍

循环水泵是发电厂最主要的三种水泵之一，循环水泵的主要作用是向凝汽器不间断地提供大量的循环冷却水，用以冷却汽轮机的排汽，使之凝结成凝结水，汽轮机的真空主要是由于排汽凝结所形成的，循环冷却水再进入冷却塔中进行冷却降温，循环水泵使循环冷却水实现一个循环使凝汽器降温。所以循环水泵的运行工况、出口压力大小、循环冷却水量充足与否，严重地影响着汽轮机组的安全经济运行。此外，循环水泵还向冷油器、发电机的空冷器等重要设备提供循环冷却水[1]。

出口压力不足是循环水泵运行参数中最为重要几个指标之一，一旦循环水泵出现出口压力不足将直接影响汽轮发电机组的运行，从而影响垃圾焚烧发电厂整套设备的运行，给企业的生产经营带来诸多方面的威胁，常见的造成循环水泵出口压力不足的原因有以下几种：

循环水泵内各部分动静环间隙增大，导致泵内效率降低；平衡盘或者轴承磨损，导致叶轮中心偏移使效率下降；耦合器故障或者联轴器脱开，使输入功率不足；输出流量增加，有循环水管道爆管的可能；进口堵塞，进口滤网堵塞严重或者进口阀门阀芯掉落；泵内工艺缺陷导致铸造工艺不合格，泵内气蚀均会造成水泵出力降低；水泵选型与管路特性曲线不匹配，水泵不在循环水管路系统中的稳定点工作会使水泵效率下降。

2 水泵选型与管路特性曲线不匹配引起的出口压力不足的案例分析

2.1 运行工况及问题描述

泸州市垃圾焚烧发电厂循环水系统采用闭式再循环供水方式，二台汽轮发电机组配四台循环水泵，四台循环水泵并联运行，三台3300立方冷却塔，循环水泵进水水源由三台冷却塔下的连通水池导入循环水泵。循环水母管为单母管制系统，一路在进入汽轮发电机组凝汽器之前各分两路进入凝汽器，另一路由自动过滤器进入工业冷却水管网，冷却汽轮机排汽后亦以各两路回水至冷却塔。

泸州市垃圾焚烧发电厂一期工程#1、#2、#3循环水泵于2015年12月正式投产正常运行，其单台循环水泵出口压力达到0.18MPa、电流440A，流量3300立方；二期工程新增一台#4循环水泵于2019年7月试运行发现其出口压力低，#4循环水泵单台出口压力只有0.11MPa，电流500A、流量3800立方，不能满足生产需求。由于循环水泵安装位置较低，位于水平地面5米之下，而汽轮机凝汽器、冷油器、发电机空冷器的安装位置较高，最高的安装在水平地面上6米之上，因此循环水泵出水口与最高位置循环水用户相差有11米。而循环水泵出口水压需要克服11米的重力差和循环水管道的阻力才能到达用户，所以二期工程#4循环水泵0.11MPa 的出口压力不能满足生产需要，循环水泵性能参数如表1所示。

表1 循环水泵性能参数

#1、#2、#3、#4循环水泵电源线均接在380V电压等级的循环水母线上，#1、#3、#4循环水泵电源线接在#1循环水母线上，#2循环水泵电源线接在#2循环水母线上，#1循环水母线与#2循环水母线之间设有联络开关，循环水变配电室接线图如图1所示。且#1、#2、#3、#4循环水泵管道均接在循环冷却水母管道上，#1、#2、#3循环水泵出口压力能满足生产需要，而#4循环水泵出口压力低不能满足生产需要。

图1 循环水变配电室接线图

经排查，#4循环水泵安装未出现问题，其出口压力低有以下几个特点：#4循环水泵功率较#1、#2、#3循环水泵单台大30kW；#4循环水泵电流较#1、#2、#3循环水泵单台大60A 左右；#4循环水泵流量较#1、#2、#3循环水泵单台大500立方左右；#4循环水泵单台出口压力较#1、#2、#3循环水泵单台小0.07MPa。

2.2 原因分析

在工程流体力学计算中，根据流体流速与流体流量的关系，圆形管道内流体流速表示为v=Q/A=Q/(πR2/4)=4Q/(πR2)，A 表示为过流断面面积，Q 表示流体流量，R 表示管道半径。根据公式可得出，在管道半径R 固定不变的情况下，流体流速v 与流体流量Q 成正比例的关系。

再根据工程流体力学三大基本方程之一能量方程(又称伯努利方程[2])——依据能量守恒定律推导得出P+1/2ρv2+ρgh=C，这个式子称为伯努利方程，P 表示为流体压强、ρ 表示为流体密度、v 表示为流体速度、g 表示为重力加速度、h 表示为流体所在高度、C 为伯努利常数。因为流体管道是固定的，推出流体所在高度h 是固定的，所以根据公式可以得出，如果流体速度越小压强就越大，如果流体速度越大压强就越小。换句话说，等高流动时流速越大压力就越小。

根据离心泵功率计算公式P=流量×扬程×9.81×介质比重÷3600÷泵效率，简化为P=2.73 HQ/η，P 表示为水泵轴功率、H 表示为扬程、Q 表示为流体流量、η 表示为水泵的效率。根据公式可以看出，当扬程一定时，水泵功率与水泵流量成正比例关系，因此可以看出#4循环水泵功率比#1、#2、#3循环水泵单台功率大30kM，相应的#4循环水泵流量比#1、#2、#3循环水泵单台流量也要大些。

根据以上三个方程式可以得出，当循环水泵功率大些，循环水流的流量就越大，循环水流的流速就越大，相应的循环水流的压力就越小。这与#4循环水泵功率比#1、#2、#3循环水泵单台功率大，而#4循环水泵单台出口压力较#1、#2、#3循环水泵单台出口压力小相印证。

水泵有其本身的性能曲线，循环水管路系统也有其自身的管路特性曲线，管路特性曲线表示了管路中通过的流量与其所需要的能量之间的关系曲线。水泵本身的性能曲线与循环水管路的管路特性曲线的交点M 即是水泵在管路中的工作点，如图2所示。

图2 泵的工作点

只有水泵在M 点工作，才能达到能量平衡、工作稳定。如果水泵不在M 点工作，则说明水泵产生的能量有富余或不足，能量有富余水流将加速，能量不足水流将减速。当水泵本身的性能曲线与管道的特性曲线无交点时，则说明这个水泵的性能过高或过低，不能适应与整个管道系统布置的要求，需要另外选择与管道特性曲线相适应的水泵。

根据以上原则，说明#1、#2、#3循环水泵本身的性能曲线与循环水管道系统的管路特性曲线相适应，能满足生产需要，而#4循环水泵本身的性能曲线与循环水管道系统的管路特性曲线不匹配，不能满足生产需要。

根据水泵并联运行时电动机容量的选择原则，水泵并联运行后，总输出流量比各台水泵单台工作时的输出流量之和会减少。水泵并联台数随着扩建递增，台数越多，并联后所能增加的流量越少，并联台数过多运行效率降低。当不同性能的水泵并联工作时，扬程低的水泵输出流量会减少的多些，所以不同性能的水泵并联效果并不好。

泸州市垃圾焚烧发电厂一期工程#1、#2、#3循环水泵是同型号同性能的水泵，功率均为250kW，而二期工程#4循环水泵与一期工程#1、#2、#3循环水泵不是相同型号相同性能的水泵，功率为280kW。所以#4循环水泵与#1、#2、#3循环水泵并联工作时应用效果不会很好。

对#4循环水泵出口压力不足现象的原因分析总结如下：对选取#4循环水泵功率较#1、#2、#3循环水泵单台功率大些，循环水流的流量就越大循环水流的流速就越大，循环水流的压力就越小相应的#4循环水泵单台出口压力较#1、#2、#3循环水泵单台出口压力就小些；#4循环水泵本身的性能曲线与循环水管道系统的管路特性曲线不匹配，水泵不在循环水管路系统中的稳定点工作会使水泵效率下降，就不能满足生产需要；二期工程#4循环水泵与一期工程#1、#2、#3循环水泵不是相同型号相同性能的水泵，所以#4循环水泵与#1、#2、#3循环水泵并联工作时应用效果不会很好。

3 解决#4循环水泵出口压力不足的对策

根据以上三个对#4循环水泵出口压力不足现象的原因分析总结，作出以下对策：

#4循环水泵型号选择时可以选与#1、#2、#3循环水泵型号性能相同的循环水泵，这样#4循环水泵本身的性能曲线就能与循环水管道系统的管路特性曲线相匹配，#4循环水泵与#1、#2、#3循环水泵并联工作时的应用效果就会很好，#4循环水泵出口压力就能满足生产需要。

在不改变现有#4循环水泵选型的基础上，可以在循环水用户后的循环水母管上对循环水总量进行截流，降低循环水总量，从而降低循环水流速，提高循环水压力来满足生产需要。此种方法需对循环水用户后的循环母管进行技术改造截流。

在不改变现有#4循环水泵选型的基础上，对#4循环水泵电机加装变频器。可以通过调节变频器频率来改变#4循环水泵电机功率，改变循环水流量、流速，从而改变#4循环水泵出口压力。此外，这种方法可以降低启动电流，通过变频器软启动和软关闭减少电机频繁启停带来的负荷，也能节约电耗，提高经济性。

4 结语

循环水泵出口压力不足是生产现场常见的现象之一，循环水泵出口压力不足受很多原因影响，其中我厂循环水泵出口压力不足是由于循环水泵选型与循环水管道系统的管路特性曲线不匹配导致的。在新安装试运行阶段，当发现循环水泵与其他并联运行的循环水泵的功率、电流、循环水量和出口压力不相同时，往往就是由于循环水泵选型与循环水管道系统的管路特性曲线不匹配导致的。