凝结水泵汽蚀原因分析及解决措施(改03)(2)(3)

收稿日期：修回日期：
基金项目：国家863项目(No.2007AA05Z251)
作者简介：张凯(1964-)，男，河南洛阳人，洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司工程师。

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水泥厂余热电站凝结水泵设计中应注意的问题
张凯仝伟峰郭建伟
（洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司, 河南洛阳471039）
摘要：凝结水泵是水泥厂余热电站的重要辅机
设备。

在水泥生产线余热电厂运行中，由于受水泥生产线运行工况变动的影响，发电系统经常处于变工况运行状态，这就要求凝结水泵在各种变工况下均能稳定运行，从而满足余热发电系统安全稳定运行的需要。

本文结合我院设计的某5000t/d水泥生产线余热电站，分析了导致凝结水泵发生汽蚀的原因，提出了设计中应注意的问题。

关键词：余热电站凝结水泵气蚀
1 前言
近年来，随着水泥工业技术进步和节能技术水平的不断提高，水泥熟料热耗已由原来的4600~6700kJ/kg降低到3000~3300 kJ/kg，即使如此，由于受煅烧技术和工艺流程的限制，代表着水泥行业发展方向的新型干法水泥熟料生产线在生产过程中，仍然有大量的350℃以下（约占水泥熟料烧成系统总热耗量的35%以上）的中、低温热量不能被充分利用，造成了巨大的能源浪费。

为了达到节能减排，降低生产成本，保护生态环境、提高企业经济效益的目的，水泥厂一般通过建设纯低温余热电站，利用水泥熟料生产线窑头、窑尾排放的废热资源进行发电。

在设计水泥厂纯低温余热电站时，各设计院一般套用电力行业设计规范。

水泥厂余热电站由于受熟料生产的原料水分、煤质成分和发热量、熟料产量以及窑的运行工况等因素的影响，进入余热锅炉的废气参数发生变化，导致汽轮发电机组负荷也相应变化，凝汽器的凝结水量发生变化，若设计时考虑不周，则凝结水泵容易发生汽蚀，从而影响到整个余热电站系统的安全稳定运行。

2 凝结水系统设计计算
某5000t/d水泥熟料生产线配套余热电站的补汽凝汽式汽轮机为BN9-1.6/0.35型，配套1200m2凝汽器，正常运行工况凝汽量46.3t/h，设计工况凝汽量47.2t/h，汽轮发电机组最大凝汽量55 t/h，凝汽器压力0.007MPa，凝汽器的正常水位标高 1.272米，水位变动范围-200-+150mm。

根据《小型火力发电厂设计规范》要求，凝结水泵容量为最大凝结水量的110％。

凝结水泵选型为：4N6型，流量48-60-68m3/h，扬程59.5-57-54m，转速2950r/min，气蚀余量1.4-1.6-1.75m，共两台，一用一备。

根据水泵的几何安装高度计算公式：
)3.0
(
]
[
min
1
0+
∆
-
-
-
=h
h
P
P
H v
gγ
(1)
P0——液面压力（Pa）；
P v——水在温度为t时的汽化压力（Pa）；
h1——凝结水泵吸入管路阻力损失（m）；
⊿h min——水泵汽蚀余量（m）；
0.3——安全余量（m）。

由于热井内的水接近于饱和状态，因此
≈
-
v
P
P(2)
则式(1)变为：
)3.0
(
]
[
min
1
+
∆
-
-
=h
h
H
g
(3)
h1——凝结水泵入口阻力损失（m），按照同类火力发电机组经验数据取0.2m
凝结水泵的流量按照60t/h计算，则凝结水泵的入口中心高度
Hg=-0.2m-（1.6+0.3）m=-2.1m
因此，凝结水泵的入口管道中心标高应为
-2.1m+1.272m=-0.828m
考虑凝结水泵本体高度0.33m ，则凝结水泵的基础标高应为：
-0.828m-0.33m=-1.158m
凝结水泵的基础标高取-1.20米。

凝结水泵入口安装管路如图一
3 运行情况
机组在调试过程中出现以下现象，发电机功率在7.5MW （对应的凝结水量38t/h ）以下时，凝结水泵运行正常，凝汽器热井水位在正常范围内波动；发电机功率在7.5MW-7.8MW （凝结水量38-39.5t/h ）时，凝结水泵噪音较大，热井水位出现升高迹象；发电机功率超过7.8MW ，凝结水量超过39.5t/h ，则凝汽器热井水位无法保持在正常范围（正常水位的-200～+150mm ），且凝结水泵出口压力降低到0.1-0.15 MPa ，噪音明显加大，单台凝结水泵无法保证机组正常运行。

4 故障分析及改进措施
根据凝结水泵运行过程中出现的现象，我们主要从以下四个方面对凝结水系统进行了检查分析：
（1）对水泵进行检查。

如果凝结水泵的气蚀余量超过其设计值，则可能造成在流量增大时，凝结水泵不能稳定运行。

更换同型号凝结水泵后，其实际运行效果没有大的改变。

（2）由于施工疏漏，现场没有安装凝结水
泵入口与冷凝器连通管。

恢复连通管后，凝结
水泵运行有所好转，但运行状况没有大的改变。

（3）检查凝结水泵轴封。

如果凝结水泵轴封漏气，会影响凝结水泵稳定运行。

检查轴封系统正常。

（4）凝结水泵的入口管路校核
管道的阻力损失包括两部分，一部分为局部阻力损失，主要为阀门、管件的阻力损失；另一部分为沿程阻力损失。

发电量在7.5MW （凝结水量38t/h ）时，凝结水泵入口管路的沿程阻力损失h f 为0.057m ，局部阻力损失h j 为0.68m （截止阀损失0.49m ，管件损失0.19m ），水泵的汽蚀余量⊿h min 为1.34m ，则：
h f + h j +⊿h mi
=0.057m+0.68m+1.34m=2.077m
水泵中心线到热水井的正常水位的距离为：
H g =1.272m+1.2m-0.33m=2.142m ＞2.077m 。

发电量在7.8MW （凝结水量39.5t/h ）时，凝结水泵入口管路的沿程阻力损失h f 为0.062m ，局部阻力损失h j 为0.735m （截止阀损失0.525m ，管件损失0.21m ），水泵的汽蚀余量⊿h min 为1.35m ，则：
h f +h j +⊿h min
=0.062+0.735m+1.35m=2.147m ＞H g
从计算结果可以看出，发电量在7.5MW 以下时，水柱的压头克服阻力损失后 ，剩余水头大于凝结水泵的气蚀余量，凝结水泵能够正常
运行；机组负荷超过7.8MW ，则水柱的压头克服阻力损失后 ，剩余水头小于凝结水泵的气蚀余量，凝结水泵就会发生气蚀。

这和实际运行结果是一致的。

从计算过程可以看出，凝结水泵气蚀的主要原因是凝结水泵入口管道的阻力损失远远大于设计值。

而影响管道阻力损失的主要因素为阀门、管路结构和水的流速。

（5）改进措施
为了减小凝结水泵入口管道的阻力损失，可以采用如下三种措施：
① 改变阀门的型号，减小阀门阻力损失。

由于截止阀的阻力系数比闸阀的阻力系数大得多，将凝结水泵入口的水封截止阀更换为水封闸板阀。

② 改变凝结水泵入口管道结构，减小凝结水泵入口管道阻力损失。

将凝结水泵入口母管（DN200）安装在和凝结水泵同样标高的位置，减小管路沿程阻力损失。

③ 进一步优化凝结水泵入口管路，减小凝结水泵的管道阻力。

合理设计凝结水泵入口段的管道规格，由Φ108改为Φ159，控制凝结水泵入口流速在0.5～1.0m/s 。

改造后凝结水泵的安装管路如图二。

改造后凝结水泵入口管路计算如下： 凝结水泵的凝结水量按60t/h 计算，对应的凝结水泵气蚀余量为1.6米，则
h 1= h f +h j =0.063m+0.015m=0.078m
H g -（h f +h j +⊿h min ）=2.142-（0.078+1.6）
=0.464m
考虑凝结水位在+150～-200mm 变化，则凝结水泵在最大凝结水流量和最低水位时，仍有一定的安全余量，说明改造后的管路是能够保证机组安全运行的。

按照改造方案实施后，凝结水泵运行良好。

5 结束语
(1) 在余热电站设计时，由于工况变化非常大，设计时要核算在最大凝结水量和热井最低水位的情况下，凝结水泵能否稳定运行。

(2) 影响凝结水泵入口管道阻力损失的因素主要为阀门和管道结构。

阀门选型时，应选择阻力损失小的水封闸阀；凝结水泵入口管道设计时，应尽可能将母管靠近凝结水泵安装，并将凝结水泵入口管道规格选择比凝结水泵入口口径大一到二个等级，减小阻力损失。

(3) 在满足凝结水泵入口压头、保证凝结水泵安全稳定运行的条件下，凝结水泵尽量靠近地面安装，便于凝结水泵巡检和检修。

参考文献：
[1] 周谟仁. 流体力学泵与风机[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1992.
[2] 徐文忠，郑国良等. 离心水泵的汽蚀现象分析及对策[J] . 节能技术, 2007(6).
[3] 王茂贵. 矿用离心水泵常见故障的分析和处理[J] . 矿山机械, 2007(2).。