循環水泵節能改造方式探究

曾 凱

(湖南華菱漣源鋼鐵有限公司機動設備部，湖南 417009)

1 引言

當前，政府對于供給側改革提出了明確要求，首當其沖的便是高耗能行業，鋼鐵企業是節能減排的重中之重。在冶金行業競爭日趨激烈的背景下，各個企業都在采取科學的方法來提升自己的綜合競爭力，降低機組能耗。在自備電廠的各個機組中，包括循環水泵、循環水壓力管道、冷卻水塔等組成，能夠根據機組負荷變化來對循環水泵運行方式進行調節，以此來降低機組能耗。在機組負荷偏低的情況下，冷卻水輸送量會大于凝汽器需求，循環水泵則是與高壓電機連接，是大功率設備，在運行過程中，會消耗大量電能，增加發電能耗，因此，在鋼鐵企業自備電廠的節能減排工作，需要將循環水泵作為節能改造的重點。

2 循環水泵的作用與研究進展

在自備電廠中，循環水泵是一個重要大型設備，也是高耗能設備，通過電動機帶動葉輪的旋轉，將管道水輸送至凝汽器，將汽輪機中做完功的蒸汽冷卻，在季節、水溫、機組負荷變化下，循環水泵出力也會發生變化。

自備廠的循環水冷端系統包括取水泵、取水口、輔機冷卻設備、冷凝器、管道、排水口、管道附屬設備等。在自備電廠運行過程中，為了確保其工作的可靠性與安全性，需要及時將廢熱排除，隨著冷卻水溫度的降低，汽輪機工作效率得到了顯著提升，隨著背壓的降低，機組工作效率大受影響。針對不同循環水泵工作費用的對比，取最大值工作方式，就是最適合的工作方式。在機組負荷、冷卻水進口溫度固定的情況下，待冷卻水流量發生變化后，與之相關的凝汽器壓力也會出現變化，在循環水泵的優化上，需要針對各個子系統進行分析，把握好系統特點和構成，為后續節能技術的應用提供支持。

3 循環水泵節能技術措施與問題分析

3.1 技術措施

3.1.1 循環水泵自身節能

循環水泵設計者在設計環節，就已經考慮到節能要求，從設計理論、設計模型上進行改造，開展多種節能試驗，對選材進行優化，提高水泵的加工、裝配精度，延長設備使用壽命，達到節能效果。

3.1.2 循環水泵檢修與維護節能

在檢修時，需要采用專用清洗機來清洗循環水泵，延長部件壽命，讓殼體、葉輪可以恢復初始效果，根據運行環境的濕度和溫度來涂刷涂層。

3.1.3 循環水泵運行節能

在循環水泵的運行過程中，由于操作不正確、使用不當等，會導致循環水泵的耗能較高，對此，需要科學調整水泵型號，選擇節流閥門。

3.1.4 循環水泵系統節能

循環水泵的使用需要與閥門部件、管道相互配合，在關注循環水泵節能本身的同時，也要關注系統節能空間與節能方法，對電機連接、管道布置、閥門等進行科學選擇與規劃，以充分提升節能效果。

3.2 問題分析

(1)循環水泵技術水平有限。當前我國循環水泵設計主要采用模型換算法與速度設計法，設計理念相對滯后，加之循環水泵是一項基礎設備，在電廠建廠初期就會設置，部分單位沒有及時進行改造與更新，在循環水泵節能上的精力和資金投入較少，影響了循環水泵的節能效果。

(2)使用因素的影響。部分單位在采購循環水泵時，關注的多是流量、揚程、價格，為了滿足生產需求，一般會選擇區間、參數偏高的設備，在這種情況下，水泵無法長時間在高效區中運行。同時，如果維護工作沒有落實到位或者檢修不夠嚴格，也會導致循環水泵的能耗偏高。

(3)節能空間的影響。多數發電廠在采購、安裝了設備后，后續的改造空間有限，設備、技術水平偏低。且循環水泵處在水下位置，在改造上，難度較高。

針對湖南華菱漣源鋼鐵有限公司的情況，在改造前，傳統循環水泵能耗高、耗電量大，設計選型的水泵，揚程和流量偏離實際需要。在循環水泵使用時，管網壓力需求調整，泵偏離高效區，運行效率底下，盡管對水泵葉輪進行了處理，改造了原有的水泵電機，設置了高效節能泵，但是在實踐中，依然存在能耗偏高的問題，針對這一問題，需根據問題的成因進行優化。

4 循環水泵節能改造方式與實踐

4.1 設置調速型液力耦合器

液力耦合器即液力聯軸器，是將工作機、動力源相連接的機械裝置，能夠傳動液力，包括渦輪、泵輪工程，被置于密封殼體內，充入工作介質后，在液體的帶動下，可以對渦輪葉片產生推力，帶動機械的運動。液力耦合器在煤礦設備、園林機械、冶金設備、造船工程機械、電力設備中，都有廣泛應用。

調速型液力耦合器包括渦輪、泵輪、勺管室組成，動力的傳遞需要借助液體油進行，將其應用在大功率水泵、風機中，可以取得理想的節能效果。將調速型液力耦合器應用在循環水泵中，可以取得明顯的節能效果，其投入資金少，見效快，非常適合應用于陳舊設備的改造。在原動機保持恒定轉速的情況下，應用調速型液力耦合器，可以實現連續無級調節，也可以保護工作機械順利運行，有效提升系統運行的可靠性。同時，調速型液力耦合器是以液體作為工作介質，可以隔離振動，緩解沖擊，保護工作裝置，傳動效率高，也很容易實現遠程遙控作業。在高壓變頻技術日漸成熟之前，調速型液力耦合器應用很廣泛。

4.2 推行雙速電機改造技術

雙速電機改造即將循環水泵電動機從原有的一種速度改造為兩種速度的運行方式，如果系統對循環水量要求較高，循環水泵會以高速運行，反之，會進入低速運行狀態。在電廠中，雙速電機改造技術應用廣泛，也取得了顯著成果，相較于電機變頻改造技術，應用雙速電機改造技術，投入成本較低，不需要額外采購設備，后期便于維護，故障的發生率較高。

其節能原理為：按照循環水泵比例定律、自身特點，改變其旋轉速度后，工作效率幾乎維持不變，但其工作流量、工作揚程、功率、轉速會發生顯著變化，可以明顯改善軸承產熱現象。盡管該種方式會在一定程度上影響系統通風環境，但是隨著定子電流的下降，能耗以及產生的熱量也會減小。

4.3 應用變頻調速改造方式

變頻調速改造的原理為借助裝置作用來變換輸入交流電，變換后，交流電的幅值、頻率都會發生變化，在輸入交流電動機后，即可完成變速。利用變頻器，可以改變電機轉速、電源頻率。應用變頻調速改造法，可以完成平順無級調速，精度和分辨率都非常理想，同時，其調速效率較高，涉及范圍廣，能夠有效減小輸電線路、變壓器容量，將其應用在循環水泵中，可以減小線路能量損耗。在具體改造上，可以利用了智能控制設備，包括新增變頻調速設備、傳感器、PLC等，實現了監控、調節、輸出的智能化，實現按需高效供水，有效降低了系統能耗，但投資較大

4.4 設置磁力耦合器

磁力耦合器是利用高性能永磁材料來滿足轉矩無接觸傳遞的新型技術，包括永磁轉子、導體轉子構成，在導體轉子旋轉時，會與磁轉子之間產生相對運動，磁力會帶動磁轉子的轉動，從而傳遞轉矩。在耦合器之間，有空氣間隙，能夠實現精確調速，有效降低損耗，將其應用在循環水泵中，有以下幾個優勢。

(1)能夠調速。利用磁力耦合器，可以滿足調速要求，整個啟動過程沖擊小，能夠做到軟啟動、軟停機，有效減小啟動電流，讓電動機能夠在最大效率區工作，不會由于過載影響出現較大波動。

(2)延長水泵壽命。在安裝了磁力耦合器后，取代原有剛性聯軸器，避免振動放大傳遞，負載、電動機之間不會有機械連接，電動機側振動不會影響到水泵側，也解決了傳遞環節的放大效應，減小整個系統的振動，延長零部件壽命。

(3)滿足過載保護要求。應用磁力耦合器，提升了電動機驅動可靠性，在水泵堵轉或者過載的情況下，可以將電動機對水泵的力矩傳遞斷開，此時水泵就會停運，有效解決了由于過載引致的系統損害。

4.5 優化水泵葉輪

在水泵葉輪的改造上，可借鑒三維葉輪設計理論，應用三維葉輪，該種方式可以有效杜絕葉輪的脫流、回流問題。應用該種方式，能夠根據循環水泵的節能要求來量身定制葉輪，且不會改變原有的水泵基礎與電動機，只需要更換葉輪即可，改造周期短、施工便利、不需要停機，也不會影響正常生產。同時，水泵葉輪的改造方式成本低廉，改造完畢后，水泵運行效率得到了有效提升，降低了維護成本，進一步延長電動機壽命，能夠改善水泵汽蝕問題。在具體的改造上，通過對葉輪流道內各工作點進行分析優化，應用高效葉輪，并設置了預旋穩流裝置，以改善葉輪進口的流動狀況，擴展高效運行區，取得了明顯成果。

4.6 提升材料精度

在普通循環水泵的運行過程中，葉輪圓盤摩擦損耗較高，葉輪材料不同，其耗能各有差異。常用的葉輪材料有鑄鐵、鑄鋼兩類，其表面粗糙，在水流經過葉輪時，會對圓盤產生磨損，在離心泵運行過程中，葉片是扭葉片，如果鑄造葉輪與設計值存在偏差，就會產生動能損耗。為了解決上述問題，可將原有的鑄鐵、鑄鋼材料升級為不銹鋼材料，這類材料抗腐蝕性能好，表面光滑，可以有效降低電能消耗，提高葉輪運行效率，延長葉輪應用年限，但一次投入大。在具體改造措施上，可以對原有材料采用了納米噴涂的處理方式，以降低過流部件摩擦，提升效率。

4.7 提升管路阻力、水泵揚程的匹配性

各個電廠環境、地理位置不同，在循環水管路的安裝位置上，也各具差異，在循環水泵的選擇上，需要充分考慮到工廠發電容量。在實際施工中，經常存在水泵揚程、阻力特征不匹配的問題，這一問題的存在會影響循環水泵的運行效率。基于此，需要對循環水泵的揚程、流量進行測量，采用科學的改造方式，確保揚程、管路阻力之間能夠匹配，在確保水泵運行效率的同時，減小循環水泵的能耗。在具體的改造上，可以應用壓力平衡裝置，以緩解蝸殼內的回流情況，減少輸水效率損失，并對原有管網進行優化，針對計算管損進行詳細計算，根據結果來改善進出口管路，提高效率。同時根據舊水泵的長時間工況及測得出口壓力、出口流量、吸程來選擇高效循環水泵與之匹配。

5 結論

通過上述改造措施后，取得了明顯的經濟效益，發一燃氣發電6#機組2#、3#循環水泵經改造后節電率達到36.39%；發一燃氣發電7#機組5#、6#循環水泵經改造后節電率達到21.34%；發一余熱360發電1#、2#、3#循環水泵經改造節電率達到23.95%；發三5#機7#、8#、9#循環水泵經改造節電率達到19.57%；干熄焦余熱發電2#、3#、4#、5#循環水泵經改造節電率達到25.93%；煤氣凈化1#、2#、3#循環水泵經改造節電率達到22.21%，節能效果明顯，具體數據如表1所示。

表1 循環水泵節能數據

在鋼鐵行業節能減排降低成本的大環境下，怎樣提高自發電比例是業界關注的重要問題，水泵組、循環泵組能耗較高，如何提升其運行經濟性，是實現節能減排的重點。循環水泵屬于電廠的重要用能設備，在運行狀態會對機組的安全、經濟運行產生重要影響，在具體的改造上，需要結合電廠運行要求來做靈活處理，以提升機組運行的經濟性。