9FA燃气-蒸汽联合循环机组高效节能闭式水泵研究

摘要：研究9FA燃气-蒸汽联合循环机组闭式循环水系统管路的特性模型，通过实测闭式循环水系统真实数据，研究出新型高效节能闭式水泵与其所在管路模型中的最佳工作点，设计出最合理的叶轮叶片模型，完成高效节能闭式水泵的设计及改造。提高轴功率使用效率，节能降耗，预计每年节省电量56.06万度，全年运行时间按4380小时计，电费按0.5元/度计，全年约节省电费14万元。每年可减少二氧化碳排放约 560吨（系数：9.97t/万kw.h），减排“碳”约 150吨（系数：2.72t /万kw.h）。

关键词： 燃气机组，闭式循环水，高效节能，安全运行，经济运行

Abstract: Study the characteristic model of the closed cycle water system pipeline of 9FA gas steam combined cycle unit, and through actual measurement of the closed cycle water system data, study the optimal working point of the new high-efficiency and energy-saving closed water pump and its pipeline model, design the most reasonable impeller blade model, and complete the design and transformation of the high-efficiency and energy-saving closed water pump. Improve the efficiency of shaft power utilization, save energy and reduce consumption. It is expected to save 560600 kilowatt hours of electricity annually. The annual operating time is calculated at 4380 hours, and the electricity cost is calculated at 0.5 yuan/kilowatt hour. The annual electricity cost savings are approximately 140000 yuan. Every year, it can reduce carbon dioxide emissions by about 560 tons (coefficient: 9.97 tons/10000 kW. h) and reduce carbon emissions by about 150 tons (coefficient: 2.72 tons/10000 kW. h).

Key words: Gas generator; Closed loop water; Efficient and energy-saving; Safe operation; Economic operation

1 前言

随着全球能源需求的不断增长和环境保护意识的提升，提高发电设备效率、实现节能减排成为研究热点。9FA燃气-蒸汽联合循环机组具有高效、环保、启停迅速等优点，广泛应用于电网调峰任务中。一般在各类辅助设备应用中，风机、水泵等设备的能耗较大，在节能效益方面有着较大的空间，需要在辅机电动机的改造中特别关注风机及水泵的节能优化[1]。

循环冷却水系统在火力发电厂中起着维持凝汽器真空度、保证辅机部件安全运转的重要作用[2]。如何进行冷却水系统节能已经有许多的研究，安仕江等[3]针对600MW机组闭式循环冷却水系统进行了节能技术的应用探索，揭示了系统优化的重要性。王晓敏等[4]探讨了闭式循环冷却水系统设计的关键要素，强调了合理配置对于节能降耗的意义。周小航等[5]针对660MW超超临界机组闭式水系统运行方式的优化，展示了通过系统调整实现能效提升的可能性。邓西[6]结合工程实例，介绍了一种闭式循环水冷却水系统，为今后的工程设计提供了参考。

近年来，随着材料科学、流体动力学及控制技术的发展，闭式水泵的设计与运行策略不断革新，为提高联合循环机组的整体能效提供了新的途径。牛小川等[7]通过研究双速运行优化，展示了变频技术在提高泵效率方面的潜力。胡琨等[8]提出的节能驱动系统，以及张炳辰等[9]的压力优化方法，为闭式水泵的高效运行提供了创新思路和技术支持。

循环水泵往往因为工艺设备选型不合理、工艺管网设计不合理、检修维护不到位等因素造成泵效率低下，能耗上升[10]。本文针对这一问题，基于9FA燃气-蒸汽联合循环机组闭式循环水系统管路的特性模型，找到新型高效节能闭式水泵与其所在管路模型中的最佳工作点，设计出最合理的叶轮叶片模型，完成高效节能闭式水泵的设计及改造。

2 高效水泵节能技术

循环冷却水主要用于换热设备的冷、热量交换和传送，泵类装置所消耗的电量约占社会总发电量的 15%。目前我国流体输送领域普遍存在低效率、高能耗现象，与国际先进水平比较存在较大差距。仅对泵组本身而言，我国水泵平均设计效率75%，比国际先进水平低 5 个百分点，运行效率低 20 个百分点左右。目前，项目实施对象水泵系统采用的是传统泵类装置，其电力消耗较大。因此，本项目拟采用杰锎科技有限公司的工业泵节能技术对原有水泵系统进行改造，以降低电力消耗。工业泵节能技术不同于变频、永磁等其它节能技术，该技术通过对检测资料的系统分析和研究，按最佳运行工况参数定做“高效节能泵”替换实际处于不利工况、低效率运行的水泵，消除“无效能耗”，提高输送效率， 达到最佳的节能效果。它从根本上解决了循环水系统普遍存在的“低效率、高能耗”这个技术难题。通过杰锎科技有限公司已成功实施的八百余套系统的节电效果统计来看，事实证明该技术节电潜力非常大，节电率从 20%到 80%不等。

因此，本项目的实施可大大降低水泵系统的电力消耗，达到节能目标。

由于水泵额定效率低，并且实际运行中水泵工况参数偏离了水泵最佳运行高效段，影响系统的整体运行，水泵使用效率更低，使能耗偏高，造成能量浪费。为使设备运行稳定，节能降耗，减少维修，减小汽蚀。拟对水泵及配套电机进行更换。

1.1  节电率高，平均为30%

高效节能泵将大幅度的提高传统水泵的实际，运行效率，节电率为20%-60%，平均为30%左右，

远远高于一般节能技术节电率的10%-15%。

1.2  核心技术是提高泵的工作效率

根据工况参数辅以高效水利模型设计水泵，提高泵的工作效率至最佳工况点，达到节能的目的。一般节能技术是利用设计余量节能。

1.3  应用范围广，可用于恒定及变负载的水泵机组

高效节能泵在恒定及变负载的情况下均可节能，而一般节能技术是利用变负载的设计余量，在恒定负载情况下无法节能， 应用范围受限。

1.4  更换小功率电机，电机效率同步提高

进行系统改造时，会依据节能泵的设计更换小功率电机，提高电机及传动装置效率，实现全面节能，节能效果直观可见。

2.5  维护工作量递减，成本降低

系统的能效作用能显著降低泵的使用功率和日常维护频次，使维护工作量及维护成本递减。

3 节能技术原理

根据实测数据并辅以国内领先的高效水力模型设计高效水泵，水泵高效点与实际测量流量、扬程等工况点匹配，提高泵的工作效率。由于高效节能泵效率曲线更平缓，并且具有较宽的变工况范围，因此一般工况下轴功率使用效率可达85%（对系统技术参数进行准确测定是水泵使用效率达到85%以上的关键）。

3.1  降低容积损失

叶轮与腔壁的间隙越小，水泵运行效率越高，高效节能泵叶轮与腔壁间隙小且设计合理。

3.2  降低表面摩擦阻力

 高效节能泵叶轮流道光洁度高，水流通过叶轮流道阻力小，提高了水泵运行效率。

3.3  优化叶轮结构，提高有效做功

 增大叶轮盖板进口的曲率半径，减小液流急剧加速与降压；减少叶片进口厚度以减小绕流的急剧加速与降压；将叶片进口边向叶轮进口延伸，增加液流压力，提前做功；设计独特正冲角，增大叶片进口角减小叶片阻塞。

3.4  提高电机及传动装置效率，合理匹配

 依据高效节能泵的设计更换系统电机，电机功率降低，效率提高，与泵合理匹配，实现全面节能。

4 高效节能泵介绍

高效节能泵可以将循环泵的实际运行功率降低20-60%，而流量、扬程、压力等参数不变；现场的施工只更换泵体及电机，不破坏现有系统结构，改造时间短、速度快；

更换小功率电机及循环泵能够降低系统运行中的噪音污染。 

4.1“量身定制“的设计，保证设备精度

每一台高效节能泵均依据不同工况量身设计，叶轮采用“一轮一模”，即一个蜡模只能制作一个叶轮，确保精度最高。

4.2 高标准的制造工艺及材料，设备质量行业领先

按照高标准在国内泵龙头企业定制加工，叶轮最低标准为304不锈钢，并可依据防酸、防碱、耐磨等工况需求选用特殊合金材质，减少磨损，降低维护成本。配套部件选用国际知名品牌（“SKF”博格曼等），使水泵运行稳定，保证质量最优。

4.3 降低必需气蚀余量，减少叶轮腐蚀，延长使用寿命

通过合理的设计降低必需气蚀余量，提高抗气蚀性能，从而延长叶轮使用寿命，减少维护及更换，还能够解决特殊工况下一些令人困扰的课题。

5 实施方案

项目从备用泵开始进行改造，保证施工期间水系统与用水单位安全正常生产，保证改造后整个循环水系统流量不变，末端用户压力不变，满足正常生产。我方负责指导节能水泵系统安装、调试工作。技改需要更换泵体和配套电机，从进口阀门到出口阀门这一段的法兰片、阀门、止回阀、管道等，如果有不合理的设计或配件，需进行更换，水泵和电机基础根据实际情况做改造。无需对管网等进行调整改动。

5.1 现场数据调查表

表1   现场数据调查表

5.2 方案实施后闭式水泵参数

表2   方案实施后闭式水泵参数

5.1 项目实施效果

项目实施前，能耗计算，公式如下：

      P1=1.732U×I×cosΦ         （1）

U——工作电压（kV）

I——实测电流 （A）

说明：电流值为现场仪表实测值的平均值，功率因数为电机名牌标注值。

根据公式(1)进行能耗计算如下：

P1=1.732U×I×cosΦ= 1.732×6.2×32.7×0.86=302kW

现有闭式水泵系统使用效率为：

Q——实测流量（m³/h）

H——系统压差 （m）

ρ——介质密度

g——重力加速度

1 kW=3600J

η= = 43%

预计实施后能效，根据改造后系统供水总量及提升高度，计算系统改造后能耗，计算公式如下：

        （2）

   η₁——水泵效率；

η——电机效率；

闭式水泵改造后能耗计算：

根据公式（2）计算能耗，其中改造后的目标流量、扬程参数见表2，根据现场实际工况水泵效率η₁为85%，电机效率90%，则预计改造后能耗计算结果如下：

=210kW

由此，节能效果计算，公式如下：

年节能费用=（P1—P2）×N×T×电费       (3)

其中：P1—现有实际能耗，公式（1）计算结果；

      P2—预计实施后能耗，公式（2）计算结果；

N —工作水泵数量，见表1；

T—运行时间   按 4200小时/年计算

      电费—每度电按0.50元/度核算；

计算结果如下：

闭式水泵节能方案实施后预计年节电量： 

（P1-P2）×1×4200=（302-210）×1×4200=386400度

闭式水泵节能方案实施后预计年节电款：

386400×0.50=193200 元

预计节电率=%= 30%

6 结束语

为响应国家“双碳”目标，通过研究闭式循环水系统管路的特性模型，实测闭式循环水系统真实数据，研究出新型高效节能闭式水泵与其所在管路模型中的最佳工作点，设计出最合理的叶轮叶片模型，完成高效节能闭式水泵的设计及改造。在主要工况达到或超过实施之前的同时，提高设备轴功率使用效率，达到节能降耗效果，提高设备的运行可靠性。

参考文献

[1] 张江.发电厂辅机电动机的节能改造分析[J].机械管理开发,2024,39(04):182-183+186.

[2] 李麟,陆杰,黄建钱,等.海滨火电机组与内陆火电机组冷却水系统对比与分析[J].电力与能源,2016,37(02):234-237.

[3] 安仕江,施泽平,闵昌发,等.某600MW机组闭式循环冷却水系统节能技术的研究与应用[C]//中国电力技术市场协会.2023年电力行业技术监督工作交流会暨专业技术论坛论文集（下册）.贵州粤黔电力有限责任公司;,2023:8.

[4] 王晓敏.闭式循环冷却水系统设计要点探讨[J].工业用水与废水,2022,53(04):61-64.

[5] 周小航,郑坚刚,韩钟钟,等.某电厂660 MW超超临界机组闭式水系统运行方式优化[J].电力与能源,2020,41(02):248-250.

[6] 邓西.一种闭式循环冷却水系统的设计[J].机电信息,2017,(15):107-109.

[7] 牛小川,邓新国,顾海风.电厂闭式循环冷却水泵双速运行优化[J].节能与环保,2020,(11):50-51.

[8] 胡琨,张鹏,李莹莹.闭式循环冷却水泵节能驱动系统[J].南方能源建设,2017,4(S1):52-55.

[9] 张炳辰,单盼娣,张高博,等.闭式循环水系统压力优化方法应用[J].天然气化工(C1化学与化工),2019,44(03):84-87.

[10] 龚建东.循环水泵能耗桥分析与节能改造实践[J].节能,2020,39(02):111-112.

作者介绍：

潘志强（1973），男，汉族，广东省兴宁人，工程师。