三元流技术及其在发电厂循环水泵节能改造中的应用

2009年8月吉林电力Aug.2009第37卷第4期(总第203期)Jilin Electric PowerVol.37 No. 4 (Ser. No. 203)三元流技术及其在发电厂循环水泵节能改造中的应用3-D Flow Technology and its Application on Circulating water Pumpin Thermal Power Plant刘殿魁' ,孙玉民”,梁卫星2(1.北京国能伟德节能技术有限公司,北京100052;2.万海能源开发(海域)有限公司,辽宁海城114200)摘要;介绍了 射流尾迹三元流动理论的原理与应用技术特点，运用该技术对海城首站1号循环水泵进行节能技术改造,使泵流量增高22. 7%,电机驱动功率反而减少了25. 86%。该项节能技术改造效果显著,完全达到技术改造目的。关键词;射流尾迹三元流动;循环水泵;水泵叶轮;节能改造中图分类号:TM621文献标志码:B文章编号:1009-5306(2009)04-0024-03目前,我国电厂循环水泵大多为采用传统的- -进行测试,同时提出常年运行的工艺参数要求,共同元流理论设计的泵型。受设计水平和制造工艺等条作为泵的设计参数;使用泵设计软件设计出新叶轮，件的局限,其效率比国际先进水平低5%~10%.由并保证可与原型互换,在不改变管路、电路、泵体等于受设计制造水平和用户现场运行工况变化的影前提下实现节能和提高效率的目的。响,很多水泵实际运行工况点经常严重偏离其高效1.1 一元、三元流动基本慨念.区,造成水泵效率更低,单耗非常高。在实际生产运图1左边是叶轮的局部视图,右边是把叶轮内行中,水泵憋压运行问题特别突出,进一步造成不必两个相邻叶片和前、后盖板形成的流道abcdefgh作要的能源浪费,该情况通常采用车削叶轮.更换新泵为一个计算分析研究的单元。Aehd,bfgc 是两个相或者安装变频器等办法予以解决。然而,这些办法都邻的叶片,denghid是叶轮前盖板,bkfeja是叶轮后有较大的局限性,不能从根本上解决循环水泵效率盖板。传统的“一元流理论”，就是把叶轮内的曲形流低、能耗高的问题。道abcdefgh视为一个截面变化的弯曲流管,认为沿国产水泵如果运用先进设计理论,针对实际工流线的流速大小仅随截面大小而变化,但假定在每作参数,重新优化设计高效叶轮,在不需改变泵体、个横断面上如abcd,ijkn,efgh等等,流速是相同的。电机及管路的情况下,可以更简便、更彻底地解决向这样在流体力学计算中,流动速度w就只是流线长题,这个方法简称三元流技术,现就其原理、项目实度坐标s的一.元函数。这种简化使泵内部流体力学施及结果阐述如下。的计算可以用手工算法得以实现。国内电厂广为采用的双吸水平中开泵,就是采用这种理论设计的。然而由于叶轮流道abcdefgh的三元曲线形状1三元流技术原理及计算方法又是高速旋转的,流速(或压力)不但沿流线变化,而'三元流技术,实质上就是通过使用先进的泵设且沿横截面abcd,ijkn,efgh等任一点都是不相同计软件“射流-尾迹三元流动理论计算方法”,结合生的，即流速是三元空间圆柱坐标(R、φ.Z)的函数。产现场的实际运行工况,重新进行泵内水力部件(主特别是叶片数也是有限的,流速和压力沿旋转周向要是叶轮)的优化设计。具体步骤是:根据用户的实(φ坐标)的变化,正是水泵向流体输人功的最终体际情况,对“在用”离心泵的流量、压力、电机功耗等现,忽略这一点就无法计算水泵内部的压力变化,这中国煤化工收稿8期:2009-03-20出CNMHG作者简介:刘殿魁(1938-),男,研究员,自1986年至今从事水泵的改进设计、切无中应用上作.●24●2009年8月吉林、电力Aug. 2009第37卷第4期(总第203期)Jilin Electric PowerVol. 37 No. 4 (Ser. No.203)R8AfYnXk围1叶轮圆柱坐标(R,O,Z)及流动速度w也就是为什么一元流动理论只能计算叶轮进口、出完全三元流动的计算方法,数学上是极端困难口参数,而不能准确分析叶轮内部流动参数的原因。的。作为一大突破,我国科学家吴仲华于1951年在水泵的效率显然与其内部流动状况的好坏是密不可世界上首次把三元降为二元,提出了Sssz两类流面分的,元流理论固然简单,但不能完全反映泵内的的概念,成为叶轮机械三元流动理论的基础。其运动真实流动,这就在设计上阻碍了泵效率的提高。方程为:1.2“射流- 尾迹”三元流动最早在航空用离心压气机中,用激光测速技术ds=cnw+cn2gw +cs(1)观察到“射流-尾迹"现象，如图2所示，弧状弯曲线.u=cenw+cr2u +en|ds2dh和cg分别代表两个相邻的叶片,dc为叶片进口式中:w为液体在叶轮中的相对流速,系数11~C23边,hg为叶片出口边,wI为叶片进口流速,Wz为叶等均为流线几何形状的函数;L为流线(s1、52两类流片出口流速,都是不均匀的。t是流动分离点,htv即面的交线,定名为流面坐标)。.是尾迹区,是一些低能量流体组成,类似一个旋涡。连续方程可写为:cdtug则是射流区可视为无粘性的位流区,可按通常的三元流计算。f"vco(a- a,)cos β|写x兩1=Q/zoh(2)式中:|sx菇|为图1中通流截面上一个微元流管的面积,β为流线与轴面的夹角,a为流线与Z轴的8\夹角,a,为通流截面与R轴的夹角,Q为流量,1。为wsi流面的个数,.Jo为sz流面的个数,z如为叶片数量。在电子计算机上实现了两类流面交叉迭代求出三元流动的方法,并用于离心泵叶轮的流动计算,与通常围2射流尾迹模型三元解不同的是还需对旋涡分离区-尾迹的形状关于尾迹区的计算,目前还没有准确的方法,只作修正。经计算可以得出叶轮内的完全三元分离流能依靠半经验的方法加以计算,详见参考文献[1]。场 中空间各点的流速及压力分布,为设计高效率叶研究表明,由于粘性和压力梯度的存在,泵轮出轮提供理论依据。口沿叶片吸力面及前盖板表面都会有流体的脱流，形成的“尾迹”区不但消耗了有用功，降低泵效率,而.2项目实施及结果且由于流道的堵塞,使流量减少。这些都是一元流动理论无法预测和分析的，只有通过“射流-尾迹三元2.1叶轮水力 设计流动”计算才能得出定量分析,通过改善叶轮内流动以国产RW14-6 A水平双吸泵为例,铭牌参数状态.减少进口冲击和出口尾迹脱流等损失,使泵效如下中国煤化工H为125 m;配套率真正得以提高。电CNMHG压6kV,额定电流1.3基本方程及解法.83 A.●25●2009年8月吉林电力Aug. 2009第37卷第4期(总第203期)jilin Electric PowerVol. 37 No. 4 (Ser. No.203)2007年对泵的运行调查结果,实际运行参数a.子午流道三元流叶片加宽了许多,特别是轮为:出口压力1. 53 MPa,进口压力0. 18 MPa,汇管毂减小,以增大流通能力;压力0. 57~0.60 MPa,水泵为憋压运行。现场流量b.子午流道三元流叶轮直径减小，而出口宽度计流量读数1 100~1 180 m*/h。电机平均工作电流增大;I=58~59 A,平均工作电压6 kV,电机实际功率c. 三元流叶片扭曲度较-元流大很多;512~521 kW。d.三元流叶片进口边向来流进口伸展,减少进为了减轻电机负荷,叶轮曾切割过,但效果甚.口损失。微。据此重新选定改型泵的设计参数,流量为应当指出,叶轮的这种变化,实际上是将原泵改1400m*/h,扬程为75m.可以计算出泵的比转数变成一种全新的泵。其泵效率最高点对应目前的流Ns=92.2,由此算出叶轮外径、叶轮出口宽度、叶片量和扬程使用工况,这是靠选取现有的新产品无法出口角,最终得出叶片型式的设计参数。做到的。a.叶轮外径D2。2.2 测试对比结果改造前后水平双吸泵的测量数据对比见表1。60 Kw V2g= 530 mm表1改造前后水平双吸泵的测量t数据对比b.叶轮出口宽度br.状态流量汇管压力电流电机功率Q/(m'●h~")/MPa/kWπDφ:Km2 V2gH=62mm式中:Kw和Km2为叶轮的速度系数。分别取1. 05和改造前11000. 5758512. 330.11;n为转速,取1450 r/min;g为重力加速度,取.改造后1 3500. 804379. 839.81 m/s*;H取75 m;pz为叶片堵塞系数,取0.9.c.叶片出口角β。为了增大泵的通流能力,使改造前阀门开度26% ,超过26%时电机会超.之在大流量区有较高的效率,出口角选取40°。d.叶片型式的设计。使用文献[1]中的方法对载。改造后阀门全开,汇管压力提高,流量相对改造叶型及子午通道作正问题计算,然后优选其中的1.前提高22. 7%,而电机功率则减少了132.5 kW,相种方案,这里不再赘述。根据上述方法重新设计出的对节电率25. 86%;三元流叶轮与普通叶轮的比较,安装尺寸(轴孔、键、供暖期按每年11月1日到次年3月31日(3密封环)相同,但叶片形状有很大的变化(见图3)。600 h)计算,可节约电量47.7X10'kW●h,完全达图3a为叶轮叶片的子午面视图,只画出了双吸到技术改造目的。叶轮的左半面。图3b为1个叶片的前视图。与普通叶轮相比主要区别在于:R↑R/R1φ、0(Z)三元流a双吸叶轮的左半区个叶片的前视图中国煤化工團3叶轮叶 片的子.nYHCNMHG(下转第30页)2009年8月吉林电力Aug. 2009第37卷第4期(总第203期)Jilin Electric PowerVol.37 No. 4 (Ser. No.203)3.6考 核及统计分析巡线路径监控回放功能:利用伪GIS技术，以进行巡检结果的统计分析,包括到位信息.缺陷连续定位点连线的方式将巡线历史轨迹显示在电子情况、缺陷处理情况、路线运行情况.趋势分析、设备地图上,实现了巡线工作的历史回放,增强了巡线工定级等。作考核的可控性。3.7 系统接口具备系统导航功能并可制定最佳路线:利用伪系统通过SOA架构的核心中枢系统,将系统GIS技术,在下达巡检任务时同时制定巡线最佳路本身以标准化的服务形式统一注 册在服务总线层。线,巡线人员在巡线工作中,在系统导航功能的帮助可实现与省公司GIS系统、生产管理系统PMS的下,按最佳路线进行高效率巡视工作。系统接口。越界报警功能:当巡线人员在巡检过程中偏离即定巡线路线即定范围时，监控端和巡检终端都会4系统的创新点以弹出窗口的方式进行报警提示，提醒巡线人员和监控人员巡线工作越界并进行必要的更改。规范了工作流程及记录格式,制定了PDCA的高效闭环管理流程。5结束语无须在杆塔或线路上安装任何信息识别载体，.直接利用GPS实现线路巡视自动定位、记时。数字化输电巡检监控管理把输电巡检工作的各数字栅格图和卫星影像图的叠加显示和优化的环节信息进行加工整理,构成巡检管理数字化模型，数据存储结构,使用户能更加直观了解电网走向和可以直观、快速、形象.完整地了解巡线工作情况,提线路周边地形地貌信息;倒置金字塔的数据切片存升了管理水平,减少了管理成本,规范了工作流程和储结构和无缝栟接技术，极大地提高了显示速度和.考核的依据。多种技术的结合,确保了输电线路的安显示效果。全运行,扩展了全方位.高速网络化的信息平台,使GPS实时监控人员位置和工作状态:通过.巡检监控管理进入一个全新的阶段,为数字化电网GPRS数据网,将巡检信息实时传输到监控端,经系管理打下了良好的基础。统解析后,在地图上进行目标实时跟踪定位,有利于管理人员及时掌握巡线工作进展情况和线路运行(编辑刘文千)情况。(上接第26页)个指标不代表机泵系统整体工程效率的提高。此外3结论变频器投资大,运行维护费用高,因此只有在类似城市供水这样的每天运行工况在非常大的一个范围内通过以上理论介绍与分析,以及改造实例,证明频繁变动的环境中适合采用。而在电力、石油.化工、射流-尾迹三元流动理论在水泵设计方面具有显著钢铁等运行工况相对稳定的环境中，更适合采用射优势。运用该技术直接对水泵叶轮进行改造,不但能流-尾迹三元流动理论对循环水泵叶轮进行改造。够提高水泵的运行效率,实现节能，而且可以实现“在保证电机不超载的情况下，改变扬程,大幅提高参考文献:流量”的技术目标,这是采用变频器节能改造所无法(1] 刘殿魁.离心泵内具有射流尾迹模型的三元流动计算做到的。因为变频器只能通过降低运行转速而节省2):8-13.功率,但流量随转速一次方降低,扬程却是随转速的中国煤化工二次方降低,并且伴随水泵水力效率的降低,节省功MYHC NMHG编辑李健平)率实际是以降低扬程和流量为代价的。节省功率一