锅炉给水泵转速优化设计

       锅炉给水泵是电厂的关键辅机，也是如今火电厂常见锅炉给水泵驱动方式为电机定速、电机变频调速、液力耦合器变速、和小汽轮机变速等。随着发电机组容量增大参数增高，设计多采用大扬程调速给水泵调节给水流量，电厂锅炉给水泵合理的调速方式选择、转速的确定以及运行的转速优化设计，使机组运行更加经济安全就尤为重要。

       1、不同供水形式锅炉给水泵的配置设计

       在GB50049-2011《小型火力发电厂设计规范》10.3条规定，单机容量在125 MW以下的电厂应采用母管制给水系统；发电厂应设置1台备用锅炉给水泵，宜采用液力耦合器；锅炉给水泵的总容量以及台数应保证在任何一台锅炉给水泵停用时，其余锅炉给水泵的总出力仍能满足所连接的系统的全部锅炉额定蒸发量的110%；每台锅炉给水泵的容量宜按照其对应的锅炉额定蒸发量的110%给水量来选择。

       在GB50660-2011《大中型火力发电厂设计规范》12.3 条规定，单机容量在125 MW及以上的电厂应采用单元制给水系统；正常运行以及备用锅炉给水泵宜选用调速锅炉给水泵，启动用锅炉给水泵宜选用定速锅炉给水泵。12.3 其他条款分别对湿冷、直接空冷、间接空冷方式在不同机组容量、机组参数对锅炉给水泵、备用锅炉给水泵以及启动锅炉给水泵的配置给出了较为详细的规定。

       如其中湿冷300MW以下的机组宜配两台，单台容量应为大给水消耗量100%的调速电动锅炉给水泵(或3X50%)。

       2、影响锅炉给水泵转速、调速范围的因素

       上述两个规范对锅炉给水泵的配置、流量和压力(扬程)的计算给出了较详细的规定，但未明确规定水泵的转速。由流体力学可知，水泵流量与压力均为泵转速的函数，流量Q与转速n的-次方成正比，压力H与转速n的平方成正比，功率与转速的立方成正比，即Q∞n、H∞n2、N∞n3。水泵的额定转速ne可由压力、流量综合水利模型确定，在给水系统设计、运行调节、改造设计时还应考虑下列影响水泵转速的因素，特别是确定水泵工况点转速、变转速泵调节转速的运行工况点。

       2.1、锅炉给水泵振动安全性

       多锅炉给水泵的泵轴为挠性轴，为了安全运行，避免额定转速ne与临界转速接近或重合，以防止水泵产生共振，额定转速为两个临界转速之间的数值，般调速范围确定为1.3ncr1≤n≤0.7na2。 另外，当泵流量减小到定范围时，在水泵叶轮的进口处、出口处将产生回流，泵体及给水管道振动和压力波动往往是二次回流引起的。因此，在水泵定型设计时，有必要通过实验验证、确定锅炉给水泵稳定运行的低转速。但是般锅炉给水泵在增速运行时不应超过额定转速的5%。

       2.2、锅炉给水泵抗汽蚀性能

       为保证锅炉给水泵正常运转而不发生气蚀，离心泵设计规范要求有效的净正吸入压头NPSHa (汽蚀氽量)，必须大于某指定小值，该小值称为泵必须净正吸入压力(NPSHr)，即NPSHa≥max{1. lNPSHr+0.5};当离心泵调速后，NPSHr随转速的变化规律符合函数NPSHr:/NPSHr2 -[n/n2]1.3~2;给水系统设计还要考虑锅炉启动初期低负荷不能发生汽蚀,另外给水系统可以采取设计前置泵的措施。

       2.3、锅炉给水泵运行经济性

       根据锅炉给水泵的效率曲线可知其运行高效区范围般在额定转速的60%~ 110%，水泵在调速运行时同样不能超出这个范围，否则多数泵的运行效率将快速降低。

       2.4、小流量和大流量的限制

       前面说过水泵流量是转速的函数，小流量不定是泵的小转速对应的流量值，而是经过安全比选后的锅炉给水小流量值。在锅炉达到额定蒸发量机组满负荷后，大给水量还要维持汽包的水位保持正常范围。

       2.5、小压力和大压力的因素

       给水压力小值应大于泵启动低转速所对应的压力，应大于锅炉冷态启动汽包满水状态下的静压力加.上管道阻力。给水压力的大值应在锅炉满负荷时能维持汽轮机进口过热蒸汽的额定压力。水泵压力是转速平方的函数，当转速为额定转速的70%时，压力仅为额定压力的-半， 功率仅为额定功率的1/3。

       2.6、电机和变频器特性因素

       根据电机的效率曲线可知，效率能保持在高效区的电机载荷变化范围是50%~ 100%之间,电机转速低于25%时，效率下降很快，对于非变频调速，同样泵的负载调速范围是合理的;由于变频调速在调频的同时，也同步以定的关系调整电压，可使电机在全调速范围内都位于高效区，所以调频泵组转速主要还是由泵的转速来确定。

       2.7、汽动泵小汽轮机特性因素

       汽动泵调速的给水泵，驱动小汽轮机要求的调速范围般为额定载荷50%~ 100%之间。

       综上所述，给水泵调速范围般为：0.6n.≤n≤ne，1.3ncr1≤n。

       3、锅炉给水运行工况点的确定

       3.1、锅炉给水的安全工作区的确定

       对上述各影响因素综合分析，就能满足调速给水泵安全特性，使运行中锅炉给水泵的工况点落在特定的安全工作区内。见图1中的6条阴影线(高转速、低转速、高压力、低压力、流量上限、流量下限)包围的部分即为调速锅炉给水泵的安全工作区，上部压力高安全区范围较宽，下部压力低范围较窄。另外图1中还给出了锅炉的定压运行、定-滑压以及滑压运行的典型运行方式下给水泵的压力——流量曲线。如图2另- -种形式给出了调速泵运行工况分区，分别是I -小流量区，II -左低效区，I-高效区，IV-右低效区，V汽蚀区。

       设计锅炉给水系统时，采取设置锅炉给水泵小流量再循环阀调节装置及其管路的措施，用以在机组负荷变化时，调节维持锅炉给水流量不低于安全设计的小流量，使锅炉水泵的工作点右移出汽蚀区从而进入安全区；采取设置给水调节阀调节用以调节给水管道阻力特性和/或调节给水泵转速，使锅炉水工作点从安全区右侧左移而进入安全区。

       3.2、泵工频运行的工况点

       锅炉给水泵运行工况点见图3，就是锅炉给水泵的H-Q曲线与所联接管道系统的阻力H-Q特性曲线(H =Hx+ φQv2)的交点。

       图4为锅炉给水泵工频定转速下，改变管道阻力特性R1、R2，工况点的变化为B1-B2。B2点压力与H的压差为管道阻力的增加值。

       3.3、调速锅炉给水泵的相似工况线、工况点

       图5中曲线①是锅炉给水泵在额定转速ne时的H_Q曲线，曲线②是变转速n后的曲线，经过坐标原点的相似工况抛物曲线OAB与曲线①②分别交于点A和点B,对于相似工况线上的工况水泵参数(流量、扬程、功率)服从相似定律，因此点A和点B具有相同的效率。静扬程H。2=0的管路阻力特性曲线是条通过坐标原点的二次抛物曲线，它与过原点的变转速时的相似抛物线是重合的。

       如图6所示，当管路性能曲线的静扬程Ha≠0时，锅炉给水泵调速从n变到m的运行工况点N与N'不是相似工况点，其工况参数也不符合相似定律。M与M则是相似工况点。

       3.4、定压、 滑压运行调速水泵的工况点

       如图1所示，机组的启动、升负荷或降负荷般有定压运行、定-滑压运行和滑压运行三种方式。

       见图6所示，机组定压运行，当汽轮发电机负荷减少，那么给水泵流量从Q8减到Qc，泵的转速从n调速到n，关小阀门，系统阻力曲线由RB变到Rc。而滑压运行时，泵流量从QB减少到Qc,沿RB曲线调速使泵的转速从n减速到n2，这时只需要泵转速工况点扬程Hc,克服锅炉与除氧器间的静压差和管道系统的阻力，所以经济性更好。

       3.5、锅炉给水泵并联运行的工况点

       同型号锅炉给水泵的并联运行工作原理是，流量为各台锅炉给水泵在二工作状态点流量之和，向系统提供的压力不变。图7中转速为n时的流量扬程曲线1、2、3上点A1、A2. As分别是型号相同的单台、两台以及三台并联运行的工作点：点B1、 B2、B3为变转速n'后的曲线I'、2'、 3'的并联工作点。

       为了适应机组负荷的需要，考虑运行经济性，母管制给水系统往往设置变频或液力耦合器调速泵来调节给水量，这就可能会遇到调速锅炉给水泵和定速锅炉给水泵并联运行的情况。

       图8中给出台定转速与台变转速锅炉给水泵并联运行曲线案例，图中阴影部分为高效工作区，可见两台锅炉给水泵的运行工况点并联运行都发生了变化，同样可以类推定调速锅炉给水泵并联运行的工况点。这种两锅炉给锅炉给水泵并联运行情况，建议将调速泵扬程选择设计高于定速泵，一般也可在定速锅炉给水泵出口设置流量调节阀，以保证定速锅炉给水泵安全运行。

       300MW单元制锅炉给水系统如果采用2X100%锅炉给水泵，一台运行，一台备用，建议两台锅炉给水泵均设计为调速泵，以便故障时，备用锅炉给水泵均能平衡启动，确保锅炉给水泵机组安全运行。