关键词：火力发电厂 电动给水泵 前置泵 变频改造 汽蚀余量

一、概述

随着国家对高耗能行业节能减排政策的持续推进，火力发电机组配套辅机的变频节能技术已应用成熟，从小功率段的凝结水泵到大功率段的引风机均已经拥有成熟的变频改造应用解决方案及成功实施案例。从2010年开始，全国各发电企业开始对发电机组配套功率最大的辅机（电动给水泵）进行变频改造试点。截止目前，国内几大发电集团已陆续完成了下属各厂总计200MW机组、300MW机组、600MW机组电动给水泵组变频改造项目近100个。由于其电动给水泵泵组系统构成及运行的特殊性，所以有别于其他类型负载，在进行变频改造的同时需要结合其现有系统对液力耦合器的处理及泵组的汽蚀等方面进行充分考虑，并提供与之相应的解决方案以保证给水泵组在实施变频改造后，安全、可靠及稳定运行。

水泵在运行时，叶轮的进口处叶片中的某一部分是液流压力最小处，当该处液力的局部压力下降到小于或等于当时液体温度对应的汽化压力时，液流流经此处就会发生汽化而产生大量气泡。故进入泵体内部便是混杂有气泡的液体，当进入到泵体内部压力较高处时，由于周围压力的作用，气泡会破裂产生巨大冲击力，当气泡破裂发生在流道的壁面处，将会产生一股细微射流，高速冲击壁面，使得壁面产生微观纹裂，使其壁面材料受到侵蚀。若上述气泡的破裂过程长时间大量的在泵体及流道壁面发生，在应力及腐蚀的作用下，最终会对泵体内壁面形成大量的小坑、小窝，对其壁面进行破坏，上述现象称为泵内汽蚀。当水泵发生汽蚀时，对泵的伤害巨大，不仅引起泵过流部件的损坏，大大地缩短泵的使用寿命，还会产生噪声和振动，严重影响泵的运行性能和机组运行安全。

燃煤机组电动给水泵入口水来自除氧器的近似饱和水，温度较高，为了避免给水泵发生汽蚀，一般给水泵均会配置前置泵以提升给水泵入口近似饱和水的压力，避免近似饱和水产生气泡发生汽蚀现象。国内绝大部分电动给水泵组的配置一般都是除氧器经过低压管道接入前置泵入口，前置泵出口经中压管道接入主给水泵的入口，如下图1.1所示。

图1.1 电动给水泵组构成示意图

为保证水泵不发生汽蚀，应该确保水泵的入口端有效汽蚀余量（NPSHa）＞必须汽蚀余量（NPSHr），同时应使得在不同负荷下，有效汽蚀余量对必须汽蚀余量保有一定的安全裕量。对于配置前置泵的给水泵组而言，要分别对前置泵及主给水泵在泵组在实施变频改造前对其变频改造后的各种运行工况进行汽蚀校核，以确保整个泵组变频运行时不会发生汽蚀。本文就结合国内某电厂300MW燃煤机组在不同运行工况下，如何对前置泵、给水泵进行汽蚀校核及分析进行了阐述，具体如下：

二、机组稳态运行时水泵汽蚀校核分析

以国内某330MW机组电动给水泵变频改造项目为例，对其实施变频改造后水泵汽蚀校核并展开分析，电动给水泵组参数如表1所示。

表2.1 前置泵及电动给水泵参数表

2.1 汽蚀校核原理

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          图2.1 除氧器及给水泵压力构成                                                                                                                               

2.2 前置泵校核分析

按照电厂所提供的热平衡图、除氧器安装位置图、厂房布置图等相关资料选定机组50%THA工况、75%THA工况及100%THA工况进行前置泵的汽蚀校核及分析，分别对应的计算结果如下表2.2所示。

表2.2 50%THA、75%THA、100%THA工况下前置泵汽蚀性能计算                                                                                                                                   

注：1：管损压头按照《火力发电厂汽水管道设计技术规定》相关进行计算。

2.3 主给水泵汽蚀校核分析

前置泵出口至主给水泵入口中压给水管道阻力损失如下表2.3计算所示：

表2.3中压给水管道阻力损失计算                                                                                                                                  

注：1：给水泵入口滤网进出口压差小于0.05MPa

2：管损压头按照《火力发电厂汽水管道设计技术规定》相关进行计算。

1）给水泵电动机变频调速改造后，由于前置泵仍采用与主电动机同轴，故也会变速运行，扬程的变化符合离心泵叶轮相似定律，

因此前置泵出口扬程：

在100%THA工况下（变频运行在50Hz）时，前置泵扬程为88.58m。

在75%THA工况下，前置泵扬程为46m。

在50%THA工况下，前置泵扬程为20.43m。

注：在机组负荷进行调节时，由于汽包压力的存在导致主给水泵的转速与流量并不完全符合正比关系，当机组负荷由100%THA下降至75%THA时流量的变化值要大于转速的变化值，例如流量由100%下降至50%时，给水泵的转速不会随之下降至额定转速的50%，有可能会在70%、80%、90%，具体数据要根据汽包压力占给水泵额定扬程的占比及实际运行数据来进行计算机测定。由于前置泵与主给水泵之间为直接管道连接，所以前置泵出口流量、压力与转速满足水泵叶轮相似定律。考虑到计算安全系数，在75%THA、50%THA工况下，前置泵的转速就按照75%、50%额定转速进行取值来计算前置泵的出口压力。

三、机组特殊工况时水泵汽蚀校核分析

给水泵处于变频运行（前置泵采用变速运行方式），当机组出现RB（机组快速甩负荷工况）工况时，比如从100%THA突然降低至50%THA这种极端工况时，给水泵泵组的汽蚀分析与之前稳态运行时分析类似，区别在于当机组负荷骤降的过程中，除氧器中的近似饱和水的压力会骤然降低，但是水温不能随之骤降，水温的变化需要一个过程，此时饱和水的压力如若不能保持大于水温对应压力，则饱和水就会立即出现大量气泡，进入泵入口的即是汽水混合物，泵组就会出现汽蚀现象。

过程分析：当机组负荷从100%满负荷突然跌至50%负荷时，给水泵入口的饱和水参数就会发生变化（给水泵入口压力等于给水泵入口水柱静压、除氧器压力及前置泵扬程之和减去中低压管道压力损失），由于除氧器距离前置泵入口高度及给水泵入口高度是固定的，所以入口水柱静压保持13.64m不变，除氧器的工作压力由于机组负荷的变化由0.83MPa降至0.4MPa，由于前置泵与主电动机同轴变速运行，主给水泵转速由于负荷下降也降低，由100%负荷时对应的5105rpm降至50%负荷时对应的4159rpm，前置泵的输出扬程降至51.93m，给水泵入口压力为102.5m。此时给水水温为172℃（压力可以骤变，温度不能骤变），根据饱和蒸汽/压力对照表可知此时饱和水温对应的压力为0.82MPa（82m），给水泵在此转速下对应的必须汽蚀余量通过计算为8.33米，那么此时给水泵对应的为12.18m＞0，所以给水泵组在此负荷工况下不会发生汽蚀。

另外，需要注意的是电动给水泵还必须考虑其自身的最小流量的问题，因为给水泵流量过小，小于其泵设计的最小流量值时，泵类液流将产生“脱流”和回流现象，流动损失增大，从给水泵的特性曲线上可以看出，此时泵的效率将会急剧下降至很低，泵的发热量会急剧增大，从而导致给水的水温急剧上升，对应汽化压力值也会增大，有效汽蚀余量对应减小，从而发生主给水泵汽蚀现象。在给水系统中往往都会设计有再循环水管路系统，其路径为给水泵的出口至除氧器，当给水实际流量接近于或低于给水泵的最小流量时，打开最小流量阀（再循环阀门）多余的水通过在循环管路回至除氧器，同时又提高了给水泵的总流量，使其避开给水泵的最小流量区域，避免主给水泵发生汽蚀。主给水泵的最小流量与泵的设计制造有关系，大致在主给水泵额定流量的25%～30%左右。所以，在给水泵进行变频改造后，特别在深度调峰（低负荷段）运行时，一定不要只考虑经济性，同时应顾及到主给水泵的最小流量的控制逻辑，避免主泵发生汽蚀导致泵体受损。

四、结论

电动给水泵组在实施变频改造时，必须要考虑给水泵组的汽蚀问题，其关系到给水泵组及机组运行的安全性。所以一定要采用科学严谨的汽蚀校核方法对给水泵组变频改造后进行汽蚀的校核及分析。若计算结果达不到机组不发生汽蚀的条件就要采取相应的措施对给水泵组进行改造确保给水泵组变频调速运行时不发生汽蚀现象。本文所阐述的燃煤机组电动给水泵组变频改造汽蚀校核分析及方法可以为后续200MW～600MW机组电动给水泵变频改造提供借鉴。