垃圾焚燒發電廠循環水泵出口壓力不足的原因分析與對策

瀘州市興瀘環保發展有限公司 黃忠富

生態環保問題是當今社會面臨的最嚴峻的挑戰之一，嚴重制約著國民經濟的可持續發展，處理好環保問題關系著廣大人民群眾的根本利益。隨著國民經濟的發展和人民生活水平日益提高，生活垃圾圍城現象等環保問題越發突出，垃圾焚燒發電是處理生活垃圾的主要方式之一，是無害的、資源回收利用的，垃圾焚燒發電這種方式無疑是處置生活垃圾的最佳方式，引起了國家高度重視和社會廣泛關注。垃圾焚燒發電廠不僅可以焚燒處理生活垃圾，還可以利用焚燒生活垃圾產生的熱量來加熱鍋爐，從而產生大量可供汽輪機沖轉的合格品質蒸汽，再利用汽輪機轉動的機械能帶動發電機轉化為電能，實現資源回收利用，因此垃圾焚燒發電得以迅猛發展。

在垃圾焚燒發電廠運行中，汽輪機作為三大主機之一，其重要性不言而喻，而循環水泵的運行工況決定著整個汽輪機的運行效率，因此循環水泵在垃圾焚燒發電廠中至關重要。本文主要針對循環水泵出口壓力不足這一問題進行理論和案例分析，找出問題原因所在并結合現場情況提出相應解決對策。

1 引起循環水泵出口壓力不足原因的類型介紹

循環水泵是發電廠最主要的三種水泵之一，循環水泵的主要作用是向凝汽器不間斷地提供大量的循環冷卻水，用以冷卻汽輪機的排汽，使之凝結成凝結水，汽輪機的真空主要是由于排汽凝結所形成的，循環冷卻水再進入冷卻塔中進行冷卻降溫，循環水泵使循環冷卻水實現一個循環使凝汽器降溫。所以循環水泵的運行工況、出口壓力大小、循環冷卻水量充足與否，嚴重地影響著汽輪機組的安全經濟運行。此外，循環水泵還向冷油器、發電機的空冷器等重要設備提供循環冷卻水[1]。

出口壓力不足是循環水泵運行參數中最為重要幾個指標之一，一旦循環水泵出現出口壓力不足將直接影響汽輪發電機組的運行，從而影響垃圾焚燒發電廠整套設備的運行，給企業的生產經營帶來諸多方面的威脅，常見的造成循環水泵出口壓力不足的原因有以下幾種：

循環水泵內各部分動靜環間隙增大，導致泵內效率降低；平衡盤或者軸承磨損，導致葉輪中心偏移使效率下降；耦合器故障或者聯軸器脫開，使輸入功率不足；輸出流量增加，有循環水管道爆管的可能；進口堵塞，進口濾網堵塞嚴重或者進口閥門閥芯掉落；泵內工藝缺陷導致鑄造工藝不合格，泵內氣蝕均會造成水泵出力降低；水泵選型與管路特性曲線不匹配，水泵不在循環水管路系統中的穩定點工作會使水泵效率下降。

2 水泵選型與管路特性曲線不匹配引起的出口壓力不足的案例分析

2.1 運行工況及問題描述

瀘州市垃圾焚燒發電廠循環水系統采用閉式再循環供水方式，二臺汽輪發電機組配四臺循環水泵，四臺循環水泵并聯運行，三臺3300立方冷卻塔，循環水泵進水水源由三臺冷卻塔下的連通水池導入循環水泵。循環水母管為單母管制系統，一路在進入汽輪發電機組凝汽器之前各分兩路進入凝汽器，另一路由自動過濾器進入工業冷卻水管網，冷卻汽輪機排汽后亦以各兩路回水至冷卻塔。

瀘州市垃圾焚燒發電廠一期工程#1、#2、#3循環水泵于2015年12月正式投產正常運行，其單臺循環水泵出口壓力達到0.18MPa、電流440A，流量3300立方；二期工程新增一臺#4循環水泵于2019年7月試運行發現其出口壓力低，#4循環水泵單臺出口壓力只有0.11MPa，電流500A、流量3800立方，不能滿足生產需求。由于循環水泵安裝位置較低，位于水平地面5米之下，而汽輪機凝汽器、冷油器、發電機空冷器的安裝位置較高，最高的安裝在水平地面上6米之上，因此循環水泵出水口與最高位置循環水用戶相差有11米。而循環水泵出口水壓需要克服11米的重力差和循環水管道的阻力才能到達用戶，所以二期工程#4循環水泵0.11MPa 的出口壓力不能滿足生產需要，循環水泵性能參數如表1所示。

表1 循環水泵性能參數

#1、#2、#3、#4循環水泵電源線均接在380V電壓等級的循環水母線上，#1、#3、#4循環水泵電源線接在#1循環水母線上，#2循環水泵電源線接在#2循環水母線上，#1循環水母線與#2循環水母線之間設有聯絡開關，循環水變配電室接線圖如圖1所示。且#1、#2、#3、#4循環水泵管道均接在循環冷卻水母管道上，#1、#2、#3循環水泵出口壓力能滿足生產需要，而#4循環水泵出口壓力低不能滿足生產需要。

圖1 循環水變配電室接線圖

經排查，#4循環水泵安裝未出現問題，其出口壓力低有以下幾個特點：#4循環水泵功率較#1、#2、#3循環水泵單臺大30kW；#4循環水泵電流較#1、#2、#3循環水泵單臺大60A 左右；#4循環水泵流量較#1、#2、#3循環水泵單臺大500立方左右；#4循環水泵單臺出口壓力較#1、#2、#3循環水泵單臺小0.07MPa。

2.2 原因分析

在工程流體力學計算中，根據流體流速與流體流量的關系，圓形管道內流體流速表示為v=Q/A=Q/(πR2/4)=4Q/(πR2)，A 表示為過流斷面面積，Q 表示流體流量，R 表示管道半徑。根據公式可得出，在管道半徑R 固定不變的情況下，流體流速v 與流體流量Q 成正比例的關系。

再根據工程流體力學三大基本方程之一能量方程(又稱伯努利方程[2])——依據能量守恒定律推導得出P+1/2ρv2+ρgh=C，這個式子稱為伯努利方程，P 表示為流體壓強、ρ 表示為流體密度、v 表示為流體速度、g 表示為重力加速度、h 表示為流體所在高度、C 為伯努利常數。因為流體管道是固定的，推出流體所在高度h 是固定的，所以根據公式可以得出，如果流體速度越小壓強就越大，如果流體速度越大壓強就越小。換句話說，等高流動時流速越大壓力就越小。

根據離心泵功率計算公式P=流量×揚程×9.81×介質比重÷3600÷泵效率，簡化為P=2.73 HQ/η，P 表示為水泵軸功率、H 表示為揚程、Q 表示為流體流量、η 表示為水泵的效率。根據公式可以看出，當揚程一定時，水泵功率與水泵流量成正比例關系，因此可以看出#4循環水泵功率比#1、#2、#3循環水泵單臺功率大30kM，相應的#4循環水泵流量比#1、#2、#3循環水泵單臺流量也要大些。

根據以上三個方程式可以得出，當循環水泵功率大些，循環水流的流量就越大，循環水流的流速就越大，相應的循環水流的壓力就越小。這與#4循環水泵功率比#1、#2、#3循環水泵單臺功率大，而#4循環水泵單臺出口壓力較#1、#2、#3循環水泵單臺出口壓力小相印證。

水泵有其本身的性能曲線，循環水管路系統也有其自身的管路特性曲線，管路特性曲線表示了管路中通過的流量與其所需要的能量之間的關系曲線。水泵本身的性能曲線與循環水管路的管路特性曲線的交點M 即是水泵在管路中的工作點，如圖2所示。

圖2 泵的工作點

只有水泵在M 點工作，才能達到能量平衡、工作穩定。如果水泵不在M 點工作，則說明水泵產生的能量有富余或不足，能量有富余水流將加速，能量不足水流將減速。當水泵本身的性能曲線與管道的特性曲線無交點時，則說明這個水泵的性能過高或過低，不能適應與整個管道系統布置的要求，需要另外選擇與管道特性曲線相適應的水泵。

根據以上原則，說明#1、#2、#3循環水泵本身的性能曲線與循環水管道系統的管路特性曲線相適應，能滿足生產需要，而#4循環水泵本身的性能曲線與循環水管道系統的管路特性曲線不匹配，不能滿足生產需要。

根據水泵并聯運行時電動機容量的選擇原則，水泵并聯運行后，總輸出流量比各臺水泵單臺工作時的輸出流量之和會減少。水泵并聯臺數隨著擴建遞增，臺數越多，并聯后所能增加的流量越少，并聯臺數過多運行效率降低。當不同性能的水泵并聯工作時，揚程低的水泵輸出流量會減少的多些，所以不同性能的水泵并聯效果并不好。

瀘州市垃圾焚燒發電廠一期工程#1、#2、#3循環水泵是同型號同性能的水泵，功率均為250kW，而二期工程#4循環水泵與一期工程#1、#2、#3循環水泵不是相同型號相同性能的水泵，功率為280kW。所以#4循環水泵與#1、#2、#3循環水泵并聯工作時應用效果不會很好。

對#4循環水泵出口壓力不足現象的原因分析總結如下：對選取#4循環水泵功率較#1、#2、#3循環水泵單臺功率大些，循環水流的流量就越大循環水流的流速就越大，循環水流的壓力就越小相應的#4循環水泵單臺出口壓力較#1、#2、#3循環水泵單臺出口壓力就小些；#4循環水泵本身的性能曲線與循環水管道系統的管路特性曲線不匹配，水泵不在循環水管路系統中的穩定點工作會使水泵效率下降，就不能滿足生產需要；二期工程#4循環水泵與一期工程#1、#2、#3循環水泵不是相同型號相同性能的水泵，所以#4循環水泵與#1、#2、#3循環水泵并聯工作時應用效果不會很好。

3 解決#4循環水泵出口壓力不足的對策

根據以上三個對#4循環水泵出口壓力不足現象的原因分析總結，作出以下對策：

#4循環水泵型號選擇時可以選與#1、#2、#3循環水泵型號性能相同的循環水泵，這樣#4循環水泵本身的性能曲線就能與循環水管道系統的管路特性曲線相匹配，#4循環水泵與#1、#2、#3循環水泵并聯工作時的應用效果就會很好，#4循環水泵出口壓力就能滿足生產需要。

在不改變現有#4循環水泵選型的基礎上，可以在循環水用戶后的循環水母管上對循環水總量進行截流，降低循環水總量，從而降低循環水流速，提高循環水壓力來滿足生產需要。此種方法需對循環水用戶后的循環母管進行技術改造截流。

在不改變現有#4循環水泵選型的基礎上，對#4循環水泵電機加裝變頻器。可以通過調節變頻器頻率來改變#4循環水泵電機功率，改變循環水流量、流速，從而改變#4循環水泵出口壓力。此外，這種方法可以降低啟動電流，通過變頻器軟啟動和軟關閉減少電機頻繁啟停帶來的負荷，也能節約電耗，提高經濟性。

4 結語

循環水泵出口壓力不足是生產現場常見的現象之一，循環水泵出口壓力不足受很多原因影響，其中我廠循環水泵出口壓力不足是由于循環水泵選型與循環水管道系統的管路特性曲線不匹配導致的。在新安裝試運行階段，當發現循環水泵與其他并聯運行的循環水泵的功率、電流、循環水量和出口壓力不相同時，往往就是由于循環水泵選型與循環水管道系統的管路特性曲線不匹配導致的。