多級離心泵電機負荷降低方案研究

商永剛

（山西華陽集團新能股份有限公司 煤層氣發電分公司，山西 陽泉 045000）

1 概 況

煤炭資源是國民經濟發展的重要能源之一。山西是產煤大省，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，一旦發生瓦斯爆炸，后果極其嚴重。瓦斯在煤炭中以游離態或吸附態的方式存在，是近些年造成礦難的重大危險因素。產煤重點區域，政府規定煤礦必須實行“先抽后采”的模式，治理成本較高。但同時，瓦斯也是一種清潔能源，熱值與天然氣接近，1 000 m3的瓦斯相當于1.25 t 標準煤，因此利用瓦斯進行發電，是降低煤炭開采成本，提高煤炭生產企業經濟效益的有效途徑之一。瓦斯發電是華陽集團煤層氣開發的重點項目，用瓦斯代替煤炭發電可節約大量煤炭資源，同時減少大氣污染，間接降低煤炭開采成本。

離心泵是瓦斯發電中進行動力循環的重要輔機設備，然而在實際應用中，存在大馬拉小車（造成電能浪費）、小車拉大馬（電機負荷過大，容易引發電機燒壞故障）等問題，主要原因是離心泵選型時，流量和揚程不匹配或工藝條件改變所致。流量與揚程富余量偏小，會造成物料粘度高或流量增大的情況下不能滿足生產需要，需要重新更換設備；流量和揚程富余量過大，會造成離心泵節流損壞高、效率低、功耗高、電機負荷大，需要更換大容量電機，但這樣做不僅需要再次進行投資，也會造成電能的浪費，且在電機更換時還存在現場空間、安裝尺寸、聯軸器、線纜容量是否符合新電機等一系列問題。

以山西華陽集團新能股份有限公司煤層氣發電分公司集中供熱站3 號、4 號減溫泵為例，針對該集中供熱站多級離心泵存在小馬拉大車的問題，探討降低多級離心泵電機負荷的方案選擇，以及實施效果。

2 減溫泵設備情況與存在問題

2.1 設備情況

山西華陽集團新能股份有限公司煤層氣發電分公司集中供熱站3 號、4 號減溫泵（多級離心泵）負責換熱站供汽減溫工作，正常情況下為一用一備，設備具體參數如下：

2.2 存在問題

由于該泵設計原因，在運行過程中電流為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，存在小馬拉大車的現象，長時間運行會導致電機溫度升高，甚至燒毀電機的情況發生，影響換熱站的供熱安全，因此，必須盡快減少電機負荷，但又不影響系統運行。

3 方案探討與實施

3.1 方案探討

3.1.1 更換電機

更換電機就是根據現在的實際軸功率情況，在轉速不變的情況下更換一臺功率與目前實際水泵負荷相匹配的電機，根據三相電機功率計算公式：

式中：P 為電機功率；U 為電機額定電壓；I 為電機額定電流；cosφ電機功率因數。

通過式（1）可以計算出需要更換電機的最小功率，再通過電機功率等級表查出需要的標準電機。

3.1.2 加裝變頻器

加裝變頻器就是在電機供電系統上加裝一組變頻器，利用變頻器作為變頻電源，降低異步電動機定子的供電電源頻率f，使同步轉速n1降低，從而降低水泵轉速。根據相似原理：

式中：H 為變頻前水泵揚程；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。加裝變頻調速以后，水泵的揚程、流量和軸功率都降低。

3.1.3 切削葉輪

切削葉輪是指通過用切割葉輪外徑，達到降低水泵揚程和流量的目的。通過切割定律確定切割數值：

式中：H 為切割前水泵揚程；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，使用切割定律進行切割數值計算，所得計算值，不能作為葉輪一次切割量，而是需進行兩次或多次少許切割，切割后進行驗證，證明是否達到性能要求。葉輪切割后，葉輪和泵殼間間隙增大，除水泵除揚程和流量下降外，其效率也會有所下降。葉輪切割后，水泵轉子要重新做動靜平衡。

3.1.4 減少水泵級數

減少水泵級數就是減少多級離心泵的葉輪數量，多級離心泵實質為多臺單級離心泵的串聯，減少葉輪數量僅降低水泵揚程，不會影響水泵流量。根據水泵軸功率計算公式：

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 為揚程，m；Q 為流量，m3。

理論而言，多級泵在流量恒定的情況下，減少級數，揚程隨之降低。由式（8）可知，流量恒定的條件下，泵軸功率與揚程成正比例關系。此外，多級泵級數變少，流體阻力也會降低，在級數減少、阻力降低的雙重作用下，泵軸功率會顯著降低。

3.2 方案選擇

更換電機和加裝變頻器都需要額外投資，購置新的設備，從設備采購到安裝調試完畢時間跨度長，無法達到盡快解決問題的目的。而且此次要改造的多級離心泵參數帶入式（1）計算，得到所需電機最小輸出功率為電機輸出功率9.6 kW，參照電機功率等級表，需更換11 kW 的電機，但該電機與原7.5 kW 電機相比，在輸出軸徑和安裝尺寸上均有偏差，無法進行簡單安裝更換。因此更換電機和變頻改造這兩個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

減少水泵級數的方案在操作上方便，投資最少、風險最小，改造速度最快，因此減少水泵葉輪的方案在此次多級離心泵改造上最為可行。

3.3 方案實施與注意事項

3.3.1 減少葉輪數量確定

葉輪減少的數量可通過下式計算：

式中：n 為葉輪減少的數量；H 為水泵額定揚程，為200 m；H1為改造后水泵最大揚程，m；j 為水泵級數，為22；h 為每級揚程，計算得9.1 m。

改造后水泵最大揚程通過式（8）計算，即：

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

泵實際效率：

式中：Pf1為泵改造前有效功率，帶入水泵參數計算得2.722 kW；P1為改造前電機輸出功率，通過式（1）計算得9.6 kW。帶入數據計算泵實際效率為0.284。

將上述計算結果帶入式（10），得到改造后水泵最大揚程為156.4 m，再帶入式（9）計算，得到葉輪減少的數量為4.79，取整為5。需要注意的是，此次計算忽略電機效率和傳動效率。

3.3.2 改造過程

根據上述計算出的數據，結合山西華陽集團新能股份有限公司煤層氣發電分公司集中供熱站3號、4 號JGGC5-200 型減溫泵實際情況，以第9級為中心，每間隔一級取出一級葉輪，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

在取葉輪時要注意，取出葉輪后為保證葉輪每級間的間隙不改變，避免出現葉輪和泵殼動靜摩擦問題，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行。除取出的葉輪不用回裝外，其余步驟按照回裝順序進行回裝。

圖3 葉輪間軸套Fig.3 Impeller sleeve

3.4 改造后效果

改造后進行試運，正常運行電流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，說明此次改造達到了預期目的，保證了換熱站供汽系統安全穩定運行。

4 結 語

瓦斯發電能夠解決瓦斯排放問題，減少環境污染，降低煤炭企業生產成本，提高企業經濟效益。山西華陽集團新能股份有限公司煤層氣發電分公司的瓦斯發電項目中，集中供熱站3 號、4 號減溫泵（多級離心泵）在實際運行中存在小馬拉大車的問題，須在影響最小的情況下進行改造。通過對幾種改造方案的對比分析，最終確定采用減少水泵葉輪的方案進行改造，并計算了所需減少的水泵葉輪數量。通過改造，以最簡便的方法解決了現場的實際問題，為以后解決類似問題提供了經驗借鑒。