（工程热物理专业论文）火电厂立式斜流循环水泵改造中的设计方法研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 结合当前我国电力工业发展的形式，指出了电厂循环水泵技术改造的必要性， 并对传统的设计方法进行了介绍。本文主要分析了立式斜流循环水泵运行特性，通 过一元流设计理论，对叶轮进行初步设计，并通过 c a d软件进行立体三维模型分 析， 借助c f d -f l u e n t软件平台，对水泵内流场进行了数值模拟， 利用非结构网 格上的s i mp l e c方法实现压力一 速度的祸合，对初步设计进行计算结果的验证。结 合邢台发电厂循环水泵运行中存在的问题，进行现场试验，并在改造过程中进行优 化分析，最终达到节能降耗，提高运行经济性的目的。 关键词:电力工业，循环水泵，技术改造，数值模拟，节能，降耗 abs tract c o m b i n e d t h e f o r m t h a t t h e c u r r e n t p o w e r i n d u s t ry d e v e lo p m e n t o f o u r c o u n t ry , a n d p o i n t e d o u t t h e n e c e s s a ryn e s s o f t h e c i r c u l a t in g w a t e r p u m p t e c h n i c a l r e f o r m a t i o n o f p o w e r p l a n t , i n t r o d u c e d t h e t r a d i t i o n a l d e s i g n m e t h o d s . t h i s p a p e r h a s m a i n l y a n a l y s e d v e r t i c a l o b l i q u e fl o w c ir c u l a t i n g p u m p o p e r a t io n p r o p e rt ie s . t h r o u g h m o n i s t i c fl o w d e s i g n t h e o ry , c a r r i e d o u t p r e l i m i n a r il y d e s i g n f o r i m p e l l e r , a n d c o m p l e t e d t h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l a n a l y s i s t h r o u g h c a d s o ft w a r e . wi t h t h e a i d o f c f d - f l u e n t s o ft w a r e p l a t f o r m , h a v e c a r r i e d o u t v a l u e f o r fl o w i n g i m i t a t i o n i n p u m p , t h e s i w l e c m e t h o d o n u n s t r u c t u r a l g r i d h a s r e a li z e d p r e s s u r e t h e c o u p l e o f s p e e d , w h i c h v e r i f i e d t h e r e s u l t o f p r e l i m i n a r y d e s ig n . c o m b i n e d t h e e x a m p l e t h a t t h e x i n g t a i p o w e r p l a n t i n p u m p o p e r a t i o n , c a r r y in g o u t o p t i m i z a t i o n a n a l y s i s i n t r a n s f o r m c o u r s e , e v e n t u a l l y r e a c h i n g a p u r p o s e , w h i c h c a n r e d u c e c o n s u m p t i o n a n d r a i s e t h e p u r p o s e o f o p e r a t i o n e c o n o m y . g u q i u c h e n g ( e n g in e e r in g t h e r m o p h y s ic s ) d i r e c t e d b y p r o f . l i a n g s h u a n g y i n ke y wor ds : e l e c t r i c p o w e r i n d u s t ry, c i r c u l a t i n g w a t e r p u m p , t e c h n o l o g i c a l t r a n s f o r m a - t i o n s , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , e n e r g y - s a v i n g , r e d u c i n g c o n s u m p t i o n 华北电力大学硕士学位论文 摘要 结合当前我国电力工业发展的形式，指出了电厂循环水泵技术改造的必要性， 并对传统的设计方法进行了介绍。本文主要分析了立式斜流循环水泵运行特性，通 过一元流设计理论，对叶轮进行初步设计，并通过 c a d软件进行立体三维模型分 析， 借助c f d -f l u e n t软件平台，对水泵内流场进行了数值模拟， 利用非结构网 格上的s i mp l e c方法实现压力一 速度的祸合，对初步设计进行计算结果的验证。结 合邢台发电厂循环水泵运行中存在的问题，进行现场试验，并在改造过程中进行优 化分析，最终达到节能降耗，提高运行经济性的目的。 关键词:电力工业，循环水泵，技术改造，数值模拟，节能，降耗 abs tract c o m b i n e d t h e f o r m t h a t t h e c u r r e n t p o w e r i n d u s t ry d e v e lo p m e n t o f o u r c o u n t ry , a n d p o i n t e d o u t t h e n e c e s s a ryn e s s o f t h e c i r c u l a t in g w a t e r p u m p t e c h n i c a l r e f o r m a t i o n o f p o w e r p l a n t , i n t r o d u c e d t h e t r a d i t i o n a l d e s i g n m e t h o d s . t h i s p a p e r h a s m a i n l y a n a l y s e d v e r t i c a l o b l i q u e fl o w c ir c u l a t i n g p u m p o p e r a t io n p r o p e rt ie s . t h r o u g h m o n i s t i c fl o w d e s i g n t h e o ry , c a r r i e d o u t p r e l i m i n a r il y d e s i g n f o r i m p e l l e r , a n d c o m p l e t e d t h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e l a n a l y s i s t h r o u g h c a d s o ft w a r e . wi t h t h e a i d o f c f d - f l u e n t s o ft w a r e p l a t f o r m , h a v e c a r r i e d o u t v a l u e f o r fl o w i n g i m i t a t i o n i n p u m p , t h e s i w l e c m e t h o d o n u n s t r u c t u r a l g r i d h a s r e a li z e d p r e s s u r e t h e c o u p l e o f s p e e d , w h i c h v e r i f i e d t h e r e s u l t o f p r e l i m i n a r y d e s ig n . c o m b i n e d t h e e x a m p l e t h a t t h e x i n g t a i p o w e r p l a n t i n p u m p o p e r a t i o n , c a r r y in g o u t o p t i m i z a t i o n a n a l y s i s i n t r a n s f o r m c o u r s e , e v e n t u a l l y r e a c h i n g a p u r p o s e , w h i c h c a n r e d u c e c o n s u m p t i o n a n d r a i s e t h e p u r p o s e o f o p e r a t i o n e c o n o m y . g u q i u c h e n g ( e n g in e e r in g t h e r m o p h y s ic s ) d i r e c t e d b y p r o f . l i a n g s h u a n g y i n ke y wor ds : e l e c t r i c p o w e r i n d u s t ry, c i r c u l a t i n g w a t e r p u m p , t e c h n o l o g i c a l t r a n s f o r m a - t i o n s , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n , e n e r g y - s a v i n g , r e d u c i n g c o n s u m p t i o n 华北电力大学硕士学位论文 匕 o口 厂 口明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 火电厂 立式斜流循环水泵改造中 的设计方法研究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。 据本人所知， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:日期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件;学校可以 采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文;学校可允许学位论文被查阅或借阅:学校 可以学术交流为目 的， 复制赠送和交换学位论文: 同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名:导师签名: 日期:日期: 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 第一 节 我国电 力 工业 发展的 现状 及展望12 -6 1 电力工业是国民经济的基础产业。我国十分重视电力工业的发展，建国初就确 立了电力工业的先行地位。五十多年来，全国发电设备总装机增加到4 亿千瓦左右。 电力工业随着国家的不断强大而发展，初步建立起以国有资产为主体的相对比较完 整的电力工业体系，这是电力工业生产力得到长足发展的重要历史阶段。 在过去的二十几年里，中国电力工业发展迅速，取得了举世瞩目的伟大成就。 从 1 9 8 1 年到2 0 0 0 年， 发电量由3 0 0 . 6 t wh 增加到 1 3 0 0 t wh ， 年均增长7 . 6 %;发电 装机容量6 5 , 8 7 0 m w增加到3 . 1 9 亿千瓦， 年均增长8 .2 1 ， 发电 量和装机容量都居 世界第二位，基本上扭转了我国长期缺电的局面，实现了全国电力供需基本平衡。 “ 十 一 五”前两年 ( 2 0 0 1 年一2 0 0 2年) ，新开工建设大中型电力项目4 4 9 0万千瓦， 其中2 0 0 1 年2 1 4 0 万千瓦， 2 0 0 2 年2 3 5 0 万千瓦; 新投产大中型机组2 4 1 7 . 5 万千瓦， 其中2 0 0 1 年 1 1 4 4 . 5 万千瓦，2 0 0 2 年 1 2 7 3 万千瓦; 2 0 0 2 年结转2 0 0 3 年大中型发ha 项目 在建规模达到7 4 0 2 . 3 万千瓦。 在今后的二十年，有关人士预测:由于我国经济继续保持 6 % 7 %的快速发展 趋势，电力工业也将继续保持快速发展速度，才能保证经济发展和居民生活用电增 长的需要。若按国内生产总值2 0 0 1 -2 0 1 。 年年均增长7 %, 2 0 1 1 2 0 2 0 年增长6 % 预测所需电量的话，相应需电量增长速度2 0 0 1 -2 0 1 。 年为 5 . 3 2 %, 2 0 1 1 -2 0 2 0年 为4 . 5 6 %, 2 0 年平均为4 . 9 4 %，较2 0 年前的发展速度7 . 7 %要低。预计2 0 2 0 年我国 的发电装机容量为7 . 5 亿千瓦，较之 2 0 0 0 年底的全国发电装机容量 3 . 1 9亿千瓦， 将年均增长4 . 3 7 %. 但是，在中国经济快速增长的形式下，自上世纪七十年代以来，由于电力快速 发展而实现的低用电水平下电力供需平衡，仍被迅速打破。由于发展比例失调，我 国电力工业形成了近几十年来的供需矛盾不能彻底缓解的局面。从 “ 九五”末期全 国电力供应略有剩余一下子变成2 0 0 2 年 1 2 个省市区电力供应紧张，被迫在夏季高 峰和冬季枯水期拉闸限电;而进入2 0 0 3 年愈发严重，拉闸限电以扩大到 1 6 个省市 区，全国电力供应普遍反应出季节性、区域性和随机性的缺电，造成电力供应总体 偏紧。到 2 0 0 8年，如果要彻底解决供需矛盾的局面，全国发电设备的总装机容量 至少要达到 8亿 k w，不少电网电力供需矛盾由缺电量转为主要缺电力。能源特别 是电力供应的不足，已经严重制约了我国国民经济的快速发展和人民生活水平的整 体提高。有关专家预测，缺电和供电价格居高不下的居民，在今后相当一段长时m i 还会继续存在。 第 1 页 共 5 4 页 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 第一 节 我国电 力 工业 发展的 现状 及展望12 -6 1 电力工业是国民经济的基础产业。我国十分重视电力工业的发展，建国初就确 立了电力工业的先行地位。五十多年来，全国发电设备总装机增加到4 亿千瓦左右。 电力工业随着国家的不断强大而发展，初步建立起以国有资产为主体的相对比较完 整的电力工业体系，这是电力工业生产力得到长足发展的重要历史阶段。 在过去的二十几年里，中国电力工业发展迅速，取得了举世瞩目的伟大成就。 从 1 9 8 1 年到2 0 0 0 年， 发电量由3 0 0 . 6 t wh 增加到 1 3 0 0 t wh ， 年均增长7 . 6 %;发电 装机容量6 5 , 8 7 0 m w增加到3 . 1 9 亿千瓦， 年均增长8 .2 1 ， 发电 量和装机容量都居 世界第二位，基本上扭转了我国长期缺电的局面，实现了全国电力供需基本平衡。 “ 十 一 五”前两年 ( 2 0 0 1 年一2 0 0 2年) ，新开工建设大中型电力项目4 4 9 0万千瓦， 其中2 0 0 1 年2 1 4 0 万千瓦， 2 0 0 2 年2 3 5 0 万千瓦; 新投产大中型机组2 4 1 7 . 5 万千瓦， 其中2 0 0 1 年 1 1 4 4 . 5 万千瓦，2 0 0 2 年 1 2 7 3 万千瓦; 2 0 0 2 年结转2 0 0 3 年大中型发ha 项目 在建规模达到7 4 0 2 . 3 万千瓦。 在今后的二十年，有关人士预测:由于我国经济继续保持 6 % 7 %的快速发展 趋势，电力工业也将继续保持快速发展速度，才能保证经济发展和居民生活用电增 长的需要。若按国内生产总值2 0 0 1 -2 0 1 。 年年均增长7 %, 2 0 1 1 2 0 2 0 年增长6 % 预测所需电量的话，相应需电量增长速度2 0 0 1 -2 0 1 。 年为 5 . 3 2 %, 2 0 1 1 -2 0 2 0年 为4 . 5 6 %, 2 0 年平均为4 . 9 4 %，较2 0 年前的发展速度7 . 7 %要低。预计2 0 2 0 年我国 的发电装机容量为7 . 5 亿千瓦，较之 2 0 0 0 年底的全国发电装机容量 3 . 1 9亿千瓦， 将年均增长4 . 3 7 %. 但是，在中国经济快速增长的形式下，自上世纪七十年代以来，由于电力快速 发展而实现的低用电水平下电力供需平衡，仍被迅速打破。由于发展比例失调，我 国电力工业形成了近几十年来的供需矛盾不能彻底缓解的局面。从 “ 九五”末期全 国电力供应略有剩余一下子变成2 0 0 2 年 1 2 个省市区电力供应紧张，被迫在夏季高 峰和冬季枯水期拉闸限电;而进入2 0 0 3 年愈发严重，拉闸限电以扩大到 1 6 个省市 区，全国电力供应普遍反应出季节性、区域性和随机性的缺电，造成电力供应总体 偏紧。到 2 0 0 8年，如果要彻底解决供需矛盾的局面，全国发电设备的总装机容量 至少要达到 8亿 k w，不少电网电力供需矛盾由缺电量转为主要缺电力。能源特别 是电力供应的不足，已经严重制约了我国国民经济的快速发展和人民生活水平的整 体提高。有关专家预测，缺电和供电价格居高不下的居民，在今后相当一段长时m i 还会继续存在。 第 1 页 共 5 4 页 华北电力大学硕士学位论文 在看到我国电力工业取得了巨大的成就同时，我们更应审视自己与可持续发展 的要求和世界先进水平相比还有明显差距。分析研究电力工业节能现状，展望节能 的目 标、措施，对促进我国电力工业的可持续发展具有重要意义。电力工业节能主 要包括以下四个方面:一是结构调整，即在满足电力需求和经济发展的同时尽可能 减少石油、煤炭等不可再生能源的使用;二是在提高发电环节效率的同时减少电力 生产过程中自 身能源消耗;三是减少电力输送过程的消耗;四是加强需求侧管理。 目前我国电力工业节能存在主要问题:一是对节能的认识不足，偏重节能工作 的局部经济效益，轻社会和资源可持续利用的全局、综合效益;偏重增量发展，轻 存量节约;在电力规划、建设、生产、使用全过程的节能重视程度不平衡，偏重发 电侧节约、轻需求侧管理。二是法规配套性不够，尤其是节能优惠政策难以得到有 效落实，如节能电价、节能投资政策不落实。三是电力节能体制和机制不健全，对 电力节能缺乏有效的行业管理、监督、服务。四是由于历史原因和以上多种原因， 造成我国电力装备和技术水平落后。 坚持可持续发展战略，坚持 “ 资源开发与节约并举，把节约放在首位”的指导 方针，坚持依法节能、政策引导，坚持节能与节水、节地、节油、资源综合利用和 提高经济效益协同发展。以企业为主体，以市场为核心，以突出技术节能为重点， 强化科学管理，建立与新型电力体制相适应的电力节能管理体系和运行机制，推进 电力行业节能再上一个新台阶，中国的能源资源将会达到最大范围优化配置。 第二节火电厂循环水泵节能改造的必要性 “ 十五”期间，随着 “ 厂网分开，竞价上网”的推动及电 煤价格波动，发电企 业节能降耗面临其所未有的巨大压力;随着改革力度加大和现代企业制度的逐步建 立，实现发电企业利润最大化也直接要求大力降低生产成本。在这种外在动因和内 部需求的直接作用下，将促进电力工业节能工作的全面开展。 一、电厂节能的重要性 未来 2 0年我国将面临十分严峻的能源形势，能源需求的大幅增长不可避免。 另一方面，能源的利用效率还很低。中国的能源系统效率为 3 3 .4 %，比国际先进水 平低 1 0 个百分点左右， i i 个高耗能产业的3 3 种产品能耗比国际先进水平高4 6 元左 右。这意味着未来通过节能减少能耗的潜力十分巨大。如果采取强化节能和提高能 效的政策，到 2 0 2 0年的能源消费总量可以减少 1 5 %到 2 7 %，这将大大缓解能源安 全、环境等问题，保障经济社会发展目标的顺利实现。所以应将节能放在能源战略 的首要地位，也就是说，为了满足能源需求的增长，节能要比增加能源供应更优先 考虑。火电厂作为能源消耗大户，更应将节能降耗放在其发展的首要位置。 第2 页 共 5 4 页 华北电力大学硕士学位论文 在看到我国电力工业取得了巨大的成就同时，我们更应审视自己与可持续发展 的要求和世界先进水平相比还有明显差距。分析研究电力工业节能现状，展望节能 的目 标、措施，对促进我国电力工业的可持续发展具有重要意义。电力工业节能主 要包括以下四个方面:一是结构调整，即在满足电力需求和经济发展的同时尽可能 减少石油、煤炭等不可再生能源的使用;二是在提高发电环节效率的同时减少电力 生产过程中自 身能源消耗;三是减少电力输送过程的消耗;四是加强需求侧管理。 目前我国电力工业节能存在主要问题:一是对节能的认识不足，偏重节能工作 的局部经济效益，轻社会和资源可持续利用的全局、综合效益;偏重增量发展，轻 存量节约;在电力规划、建设、生产、使用全过程的节能重视程度不平衡，偏重发 电侧节约、轻需求侧管理。二是法规配套性不够，尤其是节能优惠政策难以得到有 效落实，如节能电价、节能投资政策不落实。三是电力节能体制和机制不健全，对 电力节能缺乏有效的行业管理、监督、服务。四是由于历史原因和以上多种原因， 造成我国电力装备和技术水平落后。 坚持可持续发展战略，坚持 “ 资源开发与节约并举，把节约放在首位”的指导 方针，坚持依法节能、政策引导，坚持节能与节水、节地、节油、资源综合利用和 提高经济效益协同发展。以企业为主体，以市场为核心，以突出技术节能为重点， 强化科学管理，建立与新型电力体制相适应的电力节能管理体系和运行机制，推进 电力行业节能再上一个新台阶，中国的能源资源将会达到最大范围优化配置。 第二节火电厂循环水泵节能改造的必要性 “ 十五”期间，随着 “ 厂网分开，竞价上网”的推动及电 煤价格波动，发电企 业节能降耗面临其所未有的巨大压力;随着改革力度加大和现代企业制度的逐步建 立，实现发电企业利润最大化也直接要求大力降低生产成本。在这种外在动因和内 部需求的直接作用下，将促进电力工业节能工作的全面开展。 一、电厂节能的重要性 未来 2 0年我国将面临十分严峻的能源形势，能源需求的大幅增长不可避免。 另一方面，能源的利用效率还很低。中国的能源系统效率为 3 3 .4 %，比国际先进水 平低 1 0 个百分点左右， i i 个高耗能产业的3 3 种产品能耗比国际先进水平高4 6 元左 右。这意味着未来通过节能减少能耗的潜力十分巨大。如果采取强化节能和提高能 效的政策，到 2 0 2 0年的能源消费总量可以减少 1 5 %到 2 7 %，这将大大缓解能源安 全、环境等问题，保障经济社会发展目标的顺利实现。所以应将节能放在能源战略 的首要地位，也就是说，为了满足能源需求的增长，节能要比增加能源供应更优先 考虑。火电厂作为能源消耗大户，更应将节能降耗放在其发展的首要位置。 第2 页 共 5 4 页 华北电力大学硕士学位论文 随着我国国民经济的快速增长，对能源利用率的要求也越来越高。1 9 9 8年 1 月1日起国家施行的 中华人民共和国节约能源法 第三十九条的第二款中就指出: 逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电 机调速节电和电力电 子节电技术，开发、生产、推广质优、价廉的节能器材，提高电能利用效率。这就 要求各行各业特别是电力行业，要把节电放在突出地位，把节能降耗作为调整结构 提高效益的一项战略措施。从能源利用的角度来说，一方面要开发能源，另一方面 也要大力节能，把节能视为第三能源，是节能工作的最高准则。 二、电厂循环水泵改造的必要性 电站机组的安全经济运行，除了依赖于主机的经济性、安全性之外，电站辅机 也起着重要作用，特别是锅炉给水泵、磨煤机、送引风机、循环水泵等关键设备， 技术要求高，直接影响到整个电站的安全运行。但由于我国长期存在 “ 重主机轻辅 机”的思想，目前在发电行业中辅机的运行效率低、可靠性差的问题比较严重。 我国的总装机容量居世界前列，但装机水平不容乐观。大机组的容量比重大有 提高， 2 0 0 0 年 3 0 0 mw 以上机组占总装机容量的3 4 a %，比八五末期提高了1 2个百 分点。 常规小火电 机组比例仍过大， 单机容量偏小。 国产早期型机组大部分以3 0 0 m w 及中小机组为主，由于受当时技术条件的限制，机组在设计、制造、运行等方面存 在问题较多。对于老电厂中、小容量火电机组，节能降耗主要集中在两个方面，一 是降低发电煤耗，二是降低厂用电率。可以通过对机组通流部分的改造及回热系统 的改进来降低汽轮机组热耗率，提高效率，降低发电煤耗，同时还可以通过改进和 优化辅机运行方式达到节约厂用电的目的。在辅机设备中，作为电厂用电大户的泵 与风机几乎耗掉全厂用电的 8 0 9 0 %，而厂用电一般占电厂发电量的 8 % 左右，因 此电厂里的泵与风机消耗电量的绝对数量是很大的。可见，提高泵与风机的效率， 合理使用设备，实现节能，也同样是不容忽视的重要方面。 火电厂中的循环水泵是火电厂厂用电的主要消耗源。对于2 0 0 mw汽轮机的辅 机，循环水泵电耗较大，正常情况下是两台运行一台备用，但当循环水进水温度较 低或负荷较低时，也可以一台循环水泵运行。所以，通过试验确定循环水泵经济运 行方式可以节能降耗。以我国 3 0 0 mw 机组为例，目前这些机组的厂用电率为 5 .3 5 % 5 .8 %， 而循环水泵的耗电率高达 1 . 5 % 1 . 9 %， 约占整台机组厂用电的3 0 %, 其运行的经济性、可靠性与世界先进水平尚有一定差距。 由于中国泵类产品的性能与世界发达国家相比，水泵能量指标相差5 %-1 0 % 普遍出现实测性能低于设计制造性能，造成泵出力不足、扬程偏低、泵效低、电耗 高、扬程曲线易出现驼峰，使运行工况不稳定等诸多问题。另外水泵的型号规格不 可能太多，所以有时所选水泵与实际工况无法完全吻合。再者，水泵设计选型时， 扬程偏高，与循环水系统匹配不当。因此，做好电j 一 中、小容量火电机组循环水泵 第3 页 共 5 4 页 华北电力大学硕士学位论文 的节能降耗也是降低全国火电 机组能耗水平，从而节约能源的重要举措。 第三节国内外的研究状况ls ,v , i o ,u ,a a l 电厂立式斜流循环水泵属于混流泵的范畴。混流泵已应用于农田灌溉、防涝排 洪、 水利工程、 污水处理、电站冷却系统等各个领域。 它是一种比转数较高的泵型， 其比 转数n ， 范围 一般为 3 0 0 5 0 0左右。 在结构和 性能方面， 它是介于离心泵和轴 流泵之间的泵，兼收离心泵和轴流泵两方面的优点，补偿了两方面的缺点。使用流 量、扬程变化范围大，高效区宽，合理设计可避免性能曲线的驼峰现象，运行稳定 等特点。混流泵的开发、生产和应用，与离心泵、轴流泵相比还有相当的差距，它 的一系列优点还未被更多的人所认识，在国民经济各个部门中尚未完全发挥它的作 用。目前，加强混流泵的研究和开发是非常重要的，尤其是研制高效节能，结构先 进，运行平稳可靠的大型高比转数的混流泵，以便达到电厂循环水泵优化运行，节 能降耗的目的。 近些年来， 国内外对混流泵研究主要包括理论及内部流动计算、 内部流场测试、 水力设计三个方面，下面对这些研究现状作一些简单评述。 一、理论及内部流动计算回顾与现状 著名数学家欧拉e u l e r ，在一些假设条件下推出了叶片泵e u l e r 方程。 h . = 1 ( u _ 0 _ 一 。 ，。 ， 、( 1 一 1 ) 该方程将叶轮流道中三维空间 j 的流动，简化为流体微团沿着液流流道中心线的 运动， 建立了 泵的 理论扬 程h ， 和叶轮前后流体运动参数v之间的 定量关系， 2 5 0 年 来，一直是叶片泵设计的理论基础。这也是一元流动理论形成的基础。虽有一定的 局限性，但以经验数据修正了的e u l e r 方程及一元理论仍是计算水泵叶轮的基础。 在轴对称流动理论提出后不久， h络伦茨根据流体工作场的概念提出了叶片 式 机械二元流动理论 二元 理论认为， 叶 轮内 轴面 速度口 ， 沿 着过水断面 是不均匀的， 即轴面液流为二元流动。二元理论更为真实的反映了叶轮内部流动状况，实际应用 中适用于设计高比转数的混流泵叶片和混流式转轮。 我国学者吴仲华教授曾对叶轮机械内三元流动的理论和计算作出过历史性的 奠基工作。1 9 5 2 年，他提出了著名的叶轮机械两类相对流面的普遍理论，把一个复 杂的三元流动问题分解为两类二元流动问题来求解，使数学处理和数值计算大为简 化。在计算中，一类流面的正确解往往都需要依赖于另一类流量得出的解，这样两 类流面上的解都是相互祸合的， 需要不断的进行相互迭代， 直至收敛到给定的精度。 这对于叶轮流动有粘性的流场而言，迭代比较复杂，我们在计算时一般选用无粘性 流场的计算，简化其计算过程。 第 4页 共 5 4页 华北电力大学硕士学位论文 的节能降耗也是降低全国火电 机组能耗水平，从而节约能源的重要举措。 第三节国内外的研究状况ls ,v , i o ,u ,a a l 电厂立式斜流循环水泵属于混流泵的范畴。混流泵已应用于农田灌溉、防涝排 洪、 水利工程、 污水处理、电站冷却系统等各个领域。 它是一种比转数较高的泵型， 其比 转数n ， 范围 一般为 3 0 0 5 0 0左右。 在结构和 性能方面， 它是介于离心泵和轴 流泵之间的泵，兼收离心泵和轴流泵两方面的优点，补偿了两方面的缺点。使用流 量、扬程变化范围大，高效区宽，合理设计可避免性能曲线的驼峰现象，运行稳定 等特点。混流泵的开发、生产和应用，与离心泵、轴流泵相比还有相当的差距，它 的一系列优点还未被更多的人所认识，在国民经济各个部门中尚未完全发挥它的作 用。目前，加强混流泵的研究和开发是非常重要的，尤其是研制高效节能，结构先 进，运行平稳可靠的大型高比转数的混流泵，以便达到电厂循环水泵优化运行，节 能降耗的目的。 近些年来， 国内外对混流泵研究主要包括理论及内部流动计算、 内部流场测试、 水力设计三个方面，下面对这些研究现状作一些简单评述。 一、理论及内部流动计算回顾与现状 著名数学家欧拉e u l e r ，在一些假设条件下推出了叶片泵e u l e r 方程。 h . = 1 ( u _ 0 _ 一 。 ，。 ， 、( 1 一 1 ) 该方程将叶轮流道中三维空间 j 的流动，简化为流体微团沿着液流流道中心线的 运动， 建立了 泵的 理论扬 程h ， 和叶轮前后流体运动参数v之间的 定量关系， 2 5 0 年 来，一直是叶片泵设计的理论基础。这也是一元流动理论形成的基础。虽有一定的 局限性，但以经验数据修正了的e u l e r 方程及一元理论仍是计算水泵叶轮的基础。 在轴对称流动理论提出后不久， h络伦茨根据流体工作场的概念提出了叶片 式 机械二元流动理论 二元 理论认为， 叶 轮内 轴面 速度口 ， 沿 着过水断面 是不均匀的， 即轴面液流为二元流动。二元理论更为真实的反映了叶轮内部流动状况，实际应用 中适用于设计高比转数的混流泵叶片和混流式转轮。 我国学者吴仲华教授曾对叶轮机械内三元流动的理论和计算作出过历史性的 奠基工作。1 9 5 2 年，他提出了著名的叶轮机械两类相对流面的普遍理论，把一个复 杂的三元流动问题分解为两类二元流动问题来求解，使数学处理和数值计算大为简 化。在计算中，一类流面的正确解往往都需要依赖于另一类流量得出的解，这样两 类流面上的解都是相互祸合的， 需要不断的进行相互迭代， 直至收敛到给定的精度。 这对于叶轮流动有粘性的流场而言，迭代比较复杂，我们在计算时一般选用无粘性 流场的计算，简化其计算过程。 第 4页 共 5 4页 华北电力大学硕士学位论文 文献【 9 对3 0 0 mw机组斜流式循环水泵进行了3 - d 流场计算和分析， 并对其在 不同流量工况的流体状态分布进行了模拟。借助混流式水泵的一元流动设计方法， 确定了水泵叶轮和泵壳近似外形尺寸和叶轮进出口的几何参数，通过三维c a d 软件 包和 f l u e n t的前处理功能产生计算的初始几何模型，同时进行几何模型的网格剖 分，并将沿流动方向叶轮和泵壳的通流部分的坐标尺寸作为计算的目 标。该几何模 型经过 f l u e n t软件包的流动计算后，将不符合流线和有回流区附近的尺寸修改后 重新进行计算。计算表明:理论解和实验数据吻合很好，同时对将来该泵的改进设 计以满足变工况的要求提供 了 理论依据。 二、内部流场测试 火电厂立式斜流循环水泵的内部流场测试对了解水泵的内部流动规律、建立泵 内部流动理论、完善循环水泵的设计方法，是及其重要的。 从2 0 世纪3 0 年代初，已 有学者进行混流泵叶轮中流速场的测量。 近期水泵内 部流场测试技术的发展很快，2 0 世纪6 0 年代和 7 0 年代主要应用毕托管法，3 孔， 4孔和 5 孔探针成功的用于测量水泵的流场。进入 2 0世纪9 0 年代以后，伴随着光 纤技术、芯片技术、激光技术、信号处理技术和图象处理技术的发展和完善，流动 测试技术也得到了很快的发展。现在复杂流动的测量技术己能适应流动测量的从单 点测量到多点测量，从单相到多相，从平面到空间，从稳态到瞬态的测量需要。目 前应用在水泵中的测量技术主要有热线热膜风速计、热膜风速计、激光测速仪、相 位多普勒技术和粒子成像技术。 文献【 1 0 分析了离心泵内部流动的非定常性质，并介绍了各种流动测量方法， 重点介绍了几种现代流动测量方法，如激光多普勒测速技术、相位多普勒技术、粒 子图象测速技术、激光分子测速技术和压敏涂层测压技术的基本原理和发展。并简 要评述了半个多世纪以来泵内流动测量的研究进展。这些技术应用在泵内部流场测 量上，能使我们更加清楚了解到泵内部流动的流场结构和能量损失机理，有助于提 高循环水泵的设计水平。 文献 1 1 利用激光多普勒测速技术 ( l d v )测量了矩形断面离心蜗壳内的速度 场，通过比较1 0 0 %, 6 0 % 和2 3 % 设计流量工况下离心蜗壳内的流动分布， 分析了流 量对离心蜗壳内速度场的影响。测量离心蜗壳内的速度分布，对于弄清整个泵的内 部流动基理，具有十分重要的意义。流量是影响离心蜗壳内速度分布的最重要因素 之一，测量不同流量下离心蜗壳内速度场的分布，可以了 解不同流量下泵的内部流 动速度分布是否具有相似特征，了解蜗壳内的速度分布与设计时的假设情况具有多 大差别，对于离心泵的数值模拟具有一定的参考作用。 第 5页 共 5 4页 华北电力大学硕士学位论文 三、水力设计现状 长期以来，混流泵的研究主要围绕如何设计合理的结构和选择适当的材料以及 如何提高泵的水力性能这三个方面。混流泵水力设计的主要任务是根据给定设计参 数 ( 流量、转速、扬程、汽蚀余量和效率等) ，经过多种方案的优化选择，使得设 计的叶轮和泵体具有最小的水力损失和必要的汽蚀性能，并使叶轮的外特性符合预 先给定的要求。 上述问题的求解方法属于正问题求解法，即己知流动的全部几何边界条件和一 定的流动边界条件，求解流道中的流动参数分布。现在水泵的流动设计方法正在从 传统的一元流设计方法发展成二元或三元的设计方法， 正问题求解发展很快。目前， 工程上试验全三维的湍流计算方法，进行泵全部过流部件的流动分析，并辅以正反 问题相互迭代的方法，根据计算结果，修正局部的几何边界，再进行流动计算，反 复计算，从而得出性能优良高效，并满足空化条件及其它要求的斜流泵。 第四节本文主要工作 本文主要分析了立式斜流循环水泵运行特性，通过一元流设计理论，对叶轮进 行初步设计， 并通过c a d软件进行立体三维模型分析， 借助f l u e n t - c f d软件平 台，采用n - s方程 ( r a n s )配合标准k - 6 湍流模型对水泵全流场进行了三维数值 模拟。考虑分子粘滞力的影响，壁面区域采用壁面函数法处理。求解时采用 s e g r e g a t e d算法，利用非结构网格上的 s i mp l e c方法实现压力一 速度的祸合， 对初步设计进行计算结果的验证。结合邢台发电厂循环水泵运行中存在的问题，进 行现场试验，并在改造过程中进行优化分析，最终达到节能降耗，提高运行经济性 的目的。具体研究内容如下: 1 .查阅了国内外混流泵理论、内部流场计算、内部流场测试及水力设计等 方 面的大量资料，在总结现有研究成果的基础上，较为完整地阐述了立式斜 流泵设计的基本原理和基本方法。 2 .讨论了进、出口几何参数的选取原则及其它因素对循环水泵性能的影响。 3 ，对立式斜流循环水泵的结构、材料、制造工艺、安装工艺和汽蚀性能等对 泵的水力性能的影响进行了简单的叙述。 4 对斜流泵的各种设计方法进行系统研究，指出其优缺点和应用场合，并对 传统设计方法进行了改进和详细的阐述。 5 结合工程改造实例，提出优化方案，较为详细的介绍了改造的设计过程， 并进行现场试验，对理论设计结果进行了校验。 6 .初步形成了一套较为完整的能够指导工程实际的立式循环水泵设计方案。 第 6 页 共 5 4 页 华北电力大学硕士学位论文 三、水力设计现状 长期以来，混流泵的研究主要围绕如何设计合理的结构和选择适当的材料以及 如何提高泵的水力性能这三个方面。混流泵水力设计的主要任务是根据给定设计参 数 ( 流量、转速、扬程、汽蚀余量和效率等) ，经过多种方案的优化选择，使得设 计的叶轮和泵体具有最小的水力损失和必要的汽蚀性能，并使叶轮的外特性符合预 先给定的要求。 上述问题的求解方法属于正问题求解法，即己知流动的全部几何边界条件和一 定的流动边界条件，求解流道中的流动参数分布。现在水泵的流动设计方法正在从 传统的一元流设计方法发展成二元或三元的设计方法， 正问题求解发展很快。目前， 工程上试验全三维的湍流计算方法，进行泵全部过流部件的流动分析，并辅以正反 问题相互迭代的方法，根据计算结果，修正局部的几何边界，再进行流动计算，反 复计算，从而得出性能优良高效，并满足空化条件及其它要求的斜流泵。 第四节本文主要工作 本文主要分析了立式斜流循环水泵运行特性，通过一元流设计理论，对叶轮进 行初步设计， 并通过c a d软件进行立体三维模型分析， 借助f l u e n t - c f d软件平 台，采用n - s方程 ( r a n s )配合标准k - 6 湍流模型对水泵全流场进行了三维数值 模拟。考虑分子粘滞力的影响，壁面区域采用壁面函数法处理。求解时采用 s e g r e g a t e d算法，利用非结构网格上的 s i mp l e c方法实现压力一 速度的祸合， 对初步设计进行计算结果的验证。结合邢台发电厂循环水泵运行中存在的问题，进 行现场试验，并在改造过程中进行优化分析，最终达到节能降耗，提高运行经济性 的目的。具体研究内容如下: 1 .查阅了国内外混流泵理论、内部流场计算、内部流场测试及水力设计等 方 面的大量资料，在总结现有研究成果的基础上，较为完整地阐述了立式斜 流泵设计的基本原理和基本方法。 2 .讨论了进、出口几何参数的选取原则及其它因素对循环水泵性能的影响。 3 ，对立式斜流循环水泵的结构、材料、制造工艺、安装工艺和汽蚀性能等对 泵的水力性能的影响进行了简单的叙述。 4 对斜流泵的各种设计方法进行系统研究，指出其优缺点和应用场合，并对 传统设计方法进行了改进和详细的阐述。 5 结合工程改造实例，提出优化方案，较为详细的介绍了改造的设计过程， 并进行现场试验，对理论设计结果进行了校验。 6 .初步形成了一套较为完整的能够指导工程实际的立式循环水泵设计方案。 第 6 页 共 5 4 页 一一一一一一一一一一一遗 t *i t壁 第二章立式斜流循环水泵设计理论和设计方法研究 电厂循环水泵在整个机组安全运行过程中，起着重要的作用，在进行设计理论 和设计方法的研究前，简单的介绍一下循环水泵在电站中的作用和运行方式，电厂 循环水泵简单示意图如2 - 1 所示: 图2 - 1简单的循环水泵示意图 i - 凝汽器: 2 一 循环水泵: 3 - 凝结水泵 一、循环水泵的作用 循环水泵是供水系统中的主要设备之一，主要用来向凝汽器供给冷却水，以冷 凝进入凝汽器中的排汽。因此不难看出，循环水泵的容量选择与凝汽器的凝汽量和 其他辅机的用水量有密切关系，而循环水泵的总扬程不仅与其布置位置有关，同时 也与凝汽器的特性 ( 水阻、流程数等)以及供水方式有关。国内机组凝汽设备 ( 尤 其是北方地区)的循环水量随季节而变化;单