中国水泵节能技术的发展与应用

中国水泵节能技术的发展与应用

一、数量和消耗量水泵是我国工业领域最重要的能源设备之一。它工作量大，覆盖范围广。广泛应用于农业灌溉、石油、能源、建筑、城市给排水、原子能工业、冶金开采、船舱等领域。单位面积的耗能约占全国总排放量的20%。目前我国泵类产品性能与世界先进国家相比还有相当大的差距,研究探讨水泵的节能途径与措施,提高水泵的效率及其泵系统的运行效率,延长泵的运行寿命,降低能耗,对我国的节能减排工作具有重要意义。二、机电一体化水泵系统的优点(1)产品多元化多元化主要体现在泵输送介质的多样性、产品结构的差异性和运行要求的独特性等几个方面。(2)泵设计水平提升与制造技术优化的有机结合随着计算机技术的发展,可利用计算机进行制图、产品的强度分析、可靠性预估和三维立体设计,以数控技术CAM为代表的制造技术业已深入到泵的生产当中。(3)产品标准化与模块化在产品出现多元化的趋势下,为了实现产品价格的竞争优势,提高了产品零部件的标准化程度,实现了产品零部件的模块化,通过不同模块的组合,进一步实现产品的多元化。(4)内在特性与外在特性相结合生产厂商不但要推销泵的内在特性,而且要关注泵的外在特性,不仅是推销产品,更是要推销泵站(成套项目),为用户配套控制设备(包括变频)及成套设备,并关注泵的集中控制系统,提高整个泵及泵站运行效率。(5)机电一体化取消屏蔽泵轴封问题,必须从电动机结构开始;解决泵的噪声问题,除解决泵的流态和振动外,同时需要解决电动机风叶的噪声和电磁场的噪声;提高潜水泵的可靠性,必须在潜水电动机内加设诸如泄漏保护和过载保护等措施;提高泵的运行效率,须借助于控制技术的运用,等等。(6)新材料新工艺的利用泵用材料从铸铁到特种金属合金,从橡胶制品、陶瓷等典型非金属材料到工程塑料,在解决泵的耐腐蚀、耐磨损与耐高温等方面都发挥了突出的作用。采用新的加工工艺,提高了型线的准确性及表面加工质量,确保了水泵符合泵站的使用要求。用新的表面涂覆技术和表面处理技术,同样可解决泵的抗蚀和抗磨问题。(7)水泵质量不断提高1)对水泵性能要求高。大型水泵(1000kW以上)和年运行时间较长的中型水泵一般按现场实际运行扬程和用户所需流量进行专门设计,较少套用定型产品。水泵的设计人员与泵站管理单位在设计、生产、制造、试验、安装、调试、运行和检修等各个环节上密切配合,使水泵性能与实际使用情况更好地吻合,从而取得最优的运行效果。2)水泵站技术装备好。国外水泵一般具有转速高、体积小和重量轻等优点,其流量是我国同口径水泵流量的1.5~2倍。如荷兰1.8m、23.1t的水泵与我国2.8m、48t的水泵性能相同。另外,采用齿轮传动,可以大幅度地减小电动机的体积和重量。如荷兰口径3.6m的贯流泵,采用齿轮变速传动的结构设计后,与其配套的高速电动机直径仅1.2m,电动机和齿轮箱的总重量是15t。如果将这台泵改用我国的直接传动,其电动机直径将增加到6.1m,重量则增加到49t。另外,国外机组的高速化,使机组的体积减小,重量变轻,厂房和土建投资大幅度降低,特别是考虑不同机组的安装形式(立、卧、斜式)对泵房结构的影响,效果更明显。3)泵站的自动化程度高,对泵站运行的各种指标、长期跟踪、监测和记录,随时发现问题可随时加以解决。同时,记录下来的数据也将成为水泵开发和性能完善的依据。(8)水泵运行效果不断优化1)先进国家泵站运行管理人员少,社会分工严密,其泵站运行管理人员只相当于我国的1/10。如美国几十公里的输水干线上,只有几个工作人员。荷兰STORK泵厂负责核心部件的生产和总装,泵站的管理人员只负责值班运行、小规模的检修和大规模的检查,而大规模的检修则由泵厂完成,甚至于清洁卫生工作都由专业人员承包。2)重视水泵的维护和保养。国外泵站的清洁工作做得好,一般都配有清污、清淤机械,保证泵站安全运行,节能,减少水泵磨损,延长机组寿命。三、中国高压机技术的现状与节能的挑战1.水泵总体性能有待提高近些年来我国研制的水泵模型的效率指标十分先进。例如,万家寨引黄工程五座泵站的四种机型,模型最高效率达到90%以上,处于国际先进水平。但从整体看,目前我国水泵效率及空化性能指标明显低于发达国家同类泵型,效率水平平均低5%~10%,泵站质量仍然有待提高。1)水泵品种规格较少,多为定型产品,结构形式单一。2)制造质量普遍较差。泵站设计时,只能选用性能差不多的几种定型产品,不但会降低泵站效率,而且还留下许多不安全隐患。3)产品更新换代缓慢。水泵水力模型几十年一贯制,许多五六十年代的泵产品仍在生产制造,性能落后。例如Sh型水泵是20世纪50年代从原苏联的II泵改型演变过来的,目前仍在大批量生产制造。我国各泵站使用和正在生产销售的水泵,绝大多数型号超过20年。4)有的泵站运行一段时间后就发生地基下陷和建筑物开裂。2.水泵节能的现状目前的水泵运行效率总体偏低,水泵的给定效率多数比发达国家产品低5%~10%,实际使用效率普遍比发达国家低10%~30%,能耗浪费严重,运行效率有较大的提升空间。但提高水泵的能源利用效率仍然面临严重挑战。1)对水泵的节能问题认识不足,影响水泵节能效果。一是水泵制造单位注重追求企业的经济效益,对节能工作的积极性不高,有的仍在私下制造近几年国家多次明令禁止生产的泵产品,并拥有较大的市场。二是水泵使用单位不关心水泵的节能技术指标,只是关心产品能否满足使用要求,价格是否低廉。为了保险起见,使用单位往往选用流量和扬程裕量过大的水泵,大马拉小车,致使水泵不能在高效区运转,实际运行效率远远低于水泵的最高效率。三是传统的节能概念主要是提高水泵的效率指标,实际上水泵节能内容还包括水泵性能的持久性,延长水泵的大修期、维修比和寿命,水泵的节材,提高水泵的系统效率,减少水泵对环境的污染等。2)目前国内水泵设计单位采用的水泵设计方法主要是过去传统的速度系数法和模型换算法,这些方法建立在已有设备设计的经验基础上,在效率方面超过已有水平的可能性不大。我国许多大中型水泵套用定型产品。由于型谱是分档而设,间隔较大,一般泵站只能套用相近泵型,造成泵的实际运行情况偏离泵最优运行区,运行效率低,能耗高。设计选型时加保险系数,也会造成运行工况点偏离最优区。单纯强调保证可靠性,降低技术风险,企业技术投入不足等原因,也造成水泵设计单位的技术人员创新意识不强,积极性不高,动力不足,很难提高产品的技术含量,节能工作也就无从谈起。3)科研开发投入不足,科研与生产缺乏有机的结合。相当一部分水泵制造厂缺乏科研手段,而研究手段和人才齐备的科研单位和高校的科研成果又缺乏产品化的渠道。此外,目前不规范的市场状况和恶性压价也形成了阻碍科技投入和成果转化的障碍。4)生产工艺落后,型线误差大,过流表面粗糙。目前我国水泵大多采用木模整体铸造。由于中、高比转速离心泵叶片扭曲,造型起模困难,造型误差较大。目前我国使用的许多大型泵,其性能实测值与样本给定值误差较大。5)水泵的使用条件比较复杂,需要水泵具备各种性能,例如水泵的水力性能技术指标、水泵的材料、水泵的密封性能、水泵的可靠性、水泵的总体结构以及水泵的耐高温性能,等等。其中有些性能又是不便于试验室检测的,即使能够检测,费用也特别昂贵,而这些性能又与水泵系统节能有着重要联系,这种复杂性严重影响节能工作的进一步发展。6)水泵在使用过程中,由于缺乏健全的管理制度和科学的检查规程,操作养护不当,或零部件不能及时修理、更换等,容易发生故障,造成大量的能源浪费。7)现阶段我国对节能泵产品的生产还没有太多优惠政策,高效节能泵产品价格偏高,缺乏使用市场。四、对水泵及其系统的能耗分析和节能方法的节能1.水泵及系统能耗水泵及其系统所需能量W(单位为kW·h)按照下列公式计算:式中ρ——液体密度,单位为kg/m3;Q——流量,单位为m3/s;由此可知,影响水泵及其系统耗电量的因素主要有流量、扬程、运行时间与系统各环节的效率。因此,在满足生产要求的前提下,采取有效措施降低流量和扬程,提高各环节的效率,缩短水泵的运行时间,就能减少水泵及其系统的耗电量。2.水泵节能措施水泵的节能可以分解成本身节能、系统节能和运行节能三个方面。本身节能是前提,系统节能是关键,运行节能是最终体现。(1)水泵本身节能水泵本身损失可分为水力损失、容积损失和机械损失。在水泵结构选定之后,可以认为机械损失和容积损失基本不变,因此水泵本身节能重点应放在减少泵内水力损失上。一般可采取以下措施。1)采用先进的水力设计方法。2)减少过流部件的表面粗糙度,合理选择缝隙处零件的材料,提高抗咬合和耐磨性,适当减小间隙值,减少容积损失。3)选用优秀的水力模型。4)积极开展水泵的可靠性研究、可靠性设计、可靠性试验和可靠性管理,提高水泵的可靠度和平均寿命。5)合理选取材料,增加易损件使用寿命,使水泵达到好用、耐用。(2)水泵系统节能传统节能工作比较重视水泵产品自身的效率指标,忽视对系统节能技术的研究,然而这方面的节能潜力是非常大的。国外先进的水泵可将系统效率提高20%~30%。因此,应开展系统工程设计,使系统各组成环节的匹配最佳,如对水泵、电动机及其连接方式、管网相关附件等,使其最大限度地达到合理、可靠,寿命长,节能高效等,这对于关键泵或大型成套装置尤为重要。1)变角调节。调整水泵叶轮的角度。叶片调节方式有全调节和半调节两种。在确定叶片安装角时,应在满足工艺所需的扬程下,使水泵能在高效区工作。2)车削调节。利用叶轮直径来改变水泵性能(水泵车削叶轮前后的流量、扬程、轴功率与车削前后的叶轮直径、叶轮直径平方和叶轮直径三次方成正比),车削叶轮是一种简便、经济的节能措施,但车削调节在实际使用中不可无限制地对叶轮进行调节,只能在许可范围内进行。3)变速调节。通过改变水泵转速来改变水泵性能(其方式为带传动调速、齿轮变速箱调速、变频调速、液力偶合器调速、柴油机与电动机调速等),它在水泵内不产生任何附加损失功率。但目前最新技术是变频调速。变频调速具有效率高,机械特性强,调速范围宽,无级调速等优点,是变工况运行水泵理想的调速方式,但由于投资较高,在我国尚未得到广泛使用。五、热能设备对给排水的节能改造案例1.汽蚀性能及水力模型的建立及应用中国水科院开发研制的Y系列立式单吸单级式水泵水力模型和WYS系列卧式双吸单级式水泵水力模型,水泵比转速60~400,适应扬程5~220m,流量200~30000m3/h,水泵效率达90%以上,汽蚀性能及水力稳定性良好。目前已完成了LY系列6个不同比转速段水力模型、WYS系列6个不同比转速段水力模型的开发研究,性能均已达到国内领先水平。在老泵型改造方面,研究了新叶轮与常用水泵泵壳之间的水力匹配性能,只需更换泵轮及密封环即可完成对老泵的技术改造,而泵壳、进出水管、轴及电动机等均不需改动,从而达到节能抗蚀的目的。其特点是投资少,见效快,效果好。目前,已使用该项技术完成了国内近30座泵站的大中型水泵技术改造,均取得了重大节能抗蚀效益。2.适当节能抗蚀技术中国水科院开发的LY系列(立式)及WYS系列(卧式)高效水泵新技术应用于水电厂循环水泵改造取得了明显的节能抗蚀效果。其特点是投资少,见效快,效果好,改造工作量小,不影响电厂生产,可在电厂大修或小修期间进行。这项技术如果整机应用于新建泵站,其性能将更好,运行经济性及可靠性将更高。改造后的节能、经济和环境效果如下(案例数据引自《火电厂循环水泵节能技改新技术及其应用》,中国洛阳万山高新技术应用工程有限公司)。(1)水泵配带电机性能及运行效果1)原水泵系统。两台50MW汽轮发电动机组,配有4台800S24型循环水泵。2)水泵参数:扬程H=24m,流量Q=6000m3/h,汽蚀余量NPSH=9m。电动机参数:转速n=740r/min,功率N=560kW,额定电流I=68.3A。3)存在的问题。泵轮平均三个月因汽蚀严重而报废,水泵配带电动机在运行时起电流达11%~13%,危及安全运行。4)改造措施。①配性能好的密封环,水泵效率ηmax>89%,NPSH=7.8m。②在材料方面,新泵轮密封环、叶片及两侧盖板采用不锈钢制造,转轮体采用30铸钢制造。③在制造工艺方面,叶轮采用组焊结构,两侧盖板、叶片及转轮体分别进行加工后再进行组焊,从而提高加工精度,保证模型性能在原型上得以实现。5)节能效果。①所改3台泵最高效率平均达89%以上。②在保持原供水量基本不变的条件下电动机电流由76A降到52A,节电30%以上,年节电效益83万元以上。③改造后不到3个月即可收回全部改造费用。④水泵运行寿命提高,新泵轮投入运行后,运行平稳,运行噪声大大降低。连续运行6400h后水泵叶轮表面仍然光亮,无汽蚀麻点,预计运行十年可不大修。⑤厂用电消耗减少和水泵运行安全可靠性的提高。⑥综合经济效益超过100万元/a,社会效益巨大。(2)转速n和配套功率n的计算1)原水泵系统。4台沅江48-201C循环水泵。2)水泵及电动机参数。扬程H=27.1m,流量Q=3.114m3/s,转速n=370r/min,配套功率N=1250kW。3)存在的问题。由于水泵选型不合理抽水量不足,实际运行效率为46%~73%,远低于设计参数。4)改造措施。对水泵进行技术改造,选定LY-20型高效水泵模型,更换叶轮而其他条件均不变。5)节能效果。水泵改造后,流量增加了3800~5000m3/h,效率提高了10%,运行平稳,噪声小,电动机不超负荷。(3)水泵改造设计1)原水泵系统。125MW汽轮发电动机组4台,配套沅江481-26II型循环水泵5台,采用母管制运行。2)水泵参数:扬程H=26.7m,流量Q=4.53/s,转速n=370r/min,汽蚀余量NPSH=9.5m。电动机参数:电动机容量N=1600kW,额定电流I=200A。3)存在的问题。水泵供水量不足,该泵实测流量为14000~15000m3/h,未达到设计要求。电厂曾将1台泵的电动机进行增速增容,容量由1600kW增至2000kW,转速由370r/min增至423r/min。水泵没有改动,增速、增容后水泵流量增加不多,电动机实耗电增加很多。经实际测量流量为18000m3/h,电流为248A,水泵运行效率较低。4)改造措施。设计了LY-27型高效泵轮,只更换泵轮及密封环,其他条件均不变。5)节能效果。①电动机容量为2000kW,电动机转速423r/min的条件下,水泵改造在扬程H=31m时,水泵流量达到19500~200003/h,水泵效率达到86%以上。②通过研究新型设计方法的设计结果与原泵流道的匹配关系情况良好。(4)发电机改造及节能技术1)原水泵系统。共装有两台100MW汽轮发电动机组,配备700LZ-25型循环水泵6台,采用闭式循环,母管制方式运行。2)水泵参数:扬程H=21.5~31.5m,流量Q=3748~5560m3/h,转速n=590r/min。电动机参数:功率N=480kW,额定电流I=59.1A。3)存在的问题。水泵供水不足,不能满足要求;4泵和5泵比转速严重偏离设计工况;汽蚀造成叶片有穿孔现象。4)改造措施。在电动机、泵壳及管路均不变的条件下,更换循环水泵叶轮,提高循环水泵供水量及运行效率;采用LY-30型高效水力模型替代原泵型,在新叶轮保持外径基本不变的条件下,增大了叶轮出口宽度及入口直径,以增大水泵的过流量;改善叶轮汽蚀性能,将叶轮片数由原泵的4片增加至6片。5)节能效果。①一泵一机工况流量增加至8400m3/h,净增1500m3/h,而电流由原来的51A增加到53A,仅增加了2A。②实现了在电动机不超电流的前提下,大幅度提高循环水泵供水量的预期目标。③节约设备投资260万元,节约运行费用116万元。(5)循环水泵供水量不足1)原水泵系统。21#、22#机共配备沅江48P-22型循环水泵4台,采用母管制方式运行,为开式系统。2)水泵及电动机参数。扬程H=27m,流量Q=1368m3/h,转速n=370r/min,配套功率N=1600kW。3)存在的问题。循环水泵供水量不足,导致机组循环水量不足;凝汽器真空值较低,影响电厂的正常生产及煤耗指标。4)改造措施。采用LY-22型高效叶轮取代原水泵叶轮,并对密封环进行了局部修改。5)节能效果:在扬程H=30m时,流量Q=16400m3/h,效率达到η=90%,泵的抽水量及效率均较原泵有大幅度提高;在两泵一机情况下,机组标煤耗下降5.94g/kW·h,全年节能效益可达75万元。(6)凝汽器运行效果1)原水泵系统。共装有2台125MW汽轮发电组,配备沅江48I-28IC型循环水泵4台,采用并联、母管制方式运行,组成开式循环系统。在设计时考虑两机满负荷运行,3台泵供水即可满足要求,1台泵备用。2)水泵参数。扬程H=17.7m,流量Q=1330m3/h,效率η=81.77%。3)存在的问题。①随着整个电网进入模拟市场,电厂调峰频繁,单机运行比例增加。②运行中由于河水温度较高,造成凝汽器冷却效果差,真空值很低,单台泵的供水量难以满足要求。③为保证凝汽器真空值,必须两台泵同时运行,厂用电大幅度增加。④加速了设备损耗老化,减少了备用循环水泵数量,影响电厂的安全运行。4)改造措施。采用LY-24高效水力模型对该泵实施增流技术改造。5)节能效果。①新叶轮运行平稳,噪声及振动情况均明显优于原泵,泵出口压力较原泵有大幅度提高。②扬程H=19.28m时,流量Q=15840m3/h,效率达到η=90.51%,泵的抽水量及效率均较原泵有大幅度提高;夏季原两泵一机方式改为一泵一机运行,3个月节电效益为18万元。在春、秋、冬季一泵一机运行时,凝汽器真空值提高1.2kPa;煤耗降低3.36g/kW·h,运行时间按9个月计算,节能效益约为78万元。(7)电厂运行管理方面1)原水泵系统。32SA=19A型循环水泵4台。2)水泵参数:扬程H=26m,流量Q=6000m3/h,汽蚀余量NPSHr=7.2m。电动机参数:功率N=480kW。3)存在的问题。①该泵实际运行扬程比设计扬程低10~12m,水泵运行工况严重偏离设计工况。②该泵水力模型落后,过流表面加工质量较差,水泵运行效率低、能耗高。③运行工况严重偏离设计工况,导致水泵产生严重汽蚀现象。④叶轮运行两年即穿孔报废,影响电厂的安全经济运行。4)改造措施。采用WYS-24高效水泵节能新技术对该泵进行技术改造。5)节能效果。①供水量明显增大,凝汽器真空值由改前的0.079MPa提高至0.0822MPa,并且电动机电流减少了8A。②在不考虑煤耗降低的条件下,仅两台泵年节电量可达93万kW·h(按每台泵年运行7000h,电价0.2元/kW·h计算),年节电效益达18.6万元。③叶轮寿命由原来的两年延长至6年,每年可节约检修及备件费用3万元,提高了电厂的运行可靠性。④如果考虑节煤降耗,其效益更为巨大。(8)电厂泵供水量不足1)原水泵系统。2台30万kW汽轮发电动机组,配备4台沅江48P-35IIA型循环水泵。2)存在的问题。①循环水泵供水量不足,电厂夏季不能满负荷运行。②凝汽器的真空值较低,煤耗偏高。③水泵能耗高,泵电动机电流达到195A。3)改造措施。采用LY-35A高效叶轮取代原泵轮。4)节能效果。在一泵一机工况流量达到20000m3/h,在两泵一机工况达到18500m3/h,并且1600kW电动机不超负荷。技改后水泵扬程增加了1m,电动机电流降低了30A。(9)u3000存在的问题1)原水泵系统。共装有两台30万kW汽轮发电动机组,配备48P-35IIA型立式循环水泵4台,采用闭式循环,母管制方式运行。2)水泵参数:扬程H=18.2~28.8m,流量Q=13850~201160m3/h,转速n=370r/min。电动机参数:功率N=1600kW,额定电流I=192A。3)存在的问题。①水泵供水量偏低,泵在扬程H=20m时,流量Q=1880m3/h。②电动机能耗高,实际运行电流I=194A,影响电厂用电指标。4)改造措施。LY-35A型水泵叶轮用于该循环泵的技术改造。5)节能效果。①新叶轮具有高效率,与原泵泵壳有良好的匹配性能。②该泵在扬程H=21m时,流量Q=20800m3/h,电动机电流由原来的194A降至182A。③实现了节能增流技术目标,节电效益巨大。④在电动机、泵壳及管路均不变的条件下,提高循环水泵流量及降低电动机电流。(10)水泵节能改造1)原水泵系统。两台12.5MW机组,配备20SA-22型循环水泵3台,采用闭式循环系统。2)水泵参数:扬程H=21m、流量Q=198m3/h、汽蚀余量NPSHr=5.2m。电动机参数:功率N=155kW。3)存在的问题。①该泵实际运行扬程比设计扬程低5~8m,水泵实际运行工况严重偏离设计工况。②该泵水力模型落后,过流表面加工质量较差,导致水泵实际运行效率低,性能达不到产品样本给定值。4)改造措施。采用WYS-22高效节能新技术对该泵进行技术改造。