可变转速汽动离心泵性能计算方法研究.pdf

收稿日期:作者 简 介:邢 兴 龙(),男,蒙 古 族,辽 宁 朝 阳 人,高 级 工 程 师,学 士,主 要 从 事 核 电 厂 机 械 设 备 维 修 工 作(E m a i l q q 敭 c o m).可变转速汽动离心泵性能计算方法研究邢兴龙(中广核核电运营有限公司,广东深圳 )摘要:离心泵的流量扬程(Q H)曲线一般是在恒定转速下测得的,在对其进行水力性能试验时只需要根据离心泵的相似定律将试验数据进行换算即可.某核电厂辅助给水汽动泵为可变转速汽动离心泵,由汽轮机驱动,调速器的输出位移受蒸汽压力、泵出口流量影响,当执行水力性能试验时,汽动泵转速随蒸汽压力、泵出口流量的变化而变化,所以其特性曲线不是在一定转速下测得的,而是在一定入口蒸汽压力下测得的,且比一般恒定转速离心泵的特性曲线多了一条流量转速(Q n)曲线.然而,在核电厂执行辅助给水汽动泵水力性能试验时不能保证蒸汽压力恒定,针对该问题,提出一种可变转速汽动离心泵性能计算方法,该方法通过建立汽动离心泵运行转速与蒸汽压力的关系式,可将不同入口蒸汽压力下的试验数据进行换算,根据该方法可对变速汽动离心泵的性能及扬程偏差进行计算.关键词:变速汽动离心泵;扬程偏差;性能试验;特性曲线;转速调整中图分类号:TH 文献标志码:A文章编号:()S t u d yo n t h eP e r f o r m a n c eC a l c u l a t i o nM e t h o do f t h eV a r i a b l e S p e e dT u r b i n e d r i v e nC e n t r i f u g a lP u m pX I N GX i n g l o n g(C h i n aN u c l e a rP o w e rO p e r a t i o nC o,L t d,S h e n z h e n,G u a n g d o n gP r o v ,C h i n a)A b s t r a c t:T h e f l o w h e a d(QH)c u r v eo f t h ec e n t r i f u g a l p u m p i sg e n e r a l l ym e a s u r e da t ac o n s t a n t s p e e d,a l lt e s td a t ao b t a i n e da t t h es p e e do f r o t a t i o n i nd e v i a t i o nf r o mt h es p e c i f i e ds p e e do f r o t a t i o ns h a l l b e t r a n s l a t e dt ot h eb a s i s o f t h e s p e c i f i e d s p e e do f r o t a t i o nb ym o d e l l a w s A na u x i l i a r y f e e dw a t e r t u r b i n e d r i v e np u m po f n u c l e a rp o w e rp l a n t i sak i n do fv a r i a b l es p e e dt u r b i n e d r i v e nc e n t r i f u g a lp u m p,d r i v e nb yas t e a mt u r b i n e,t h eo u t p u td i s p l a c e m e n to f t h eg o v e r n o r i sa f f e c t e db yt h es t e a mp r e s s u r e,a n dt h ep u m po u t l e t f l o w W h e nt h eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c et e s t i sp e r f o r m e d,t h e s p e e do f t h e s t e a mp u m pc h a n g e sw i t h t h e c h a n g eo f s t e a mp r e s s u r e a n d t h ep u m po u t l e t f l o w,s o i t sc h a r a c t e r i s t i cc u r v e i sn o tm e a s u r e da t ac e r t a i ns p e e d,b u tm e a s u r e da t ac e r t a i n i n l e ts t e a mp r e s s u r e,a n dh a saf l o w s p e e d(Q n)c u r v em o r et h a nt h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eo ft h eg e n e r a lp u m p H o w e v e r,i no r d e r t os o l v e t h i sp r o b l e m,ap e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o nm e t h o d f o r t h ev a r i a b l es p e e dp u m p i sp r o p o s e d,w h i c hc a nc o n v e r t t h e t e s td a t au n d e rd i f f e r e n t i n l e t s t e a mp r e s s u r e sb ye s t a b l i s h i n g t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo p e r a t i n gs p e e do f t h es t e a mp u m pa n dt h es t e a mp r e s s u r e,a n dc a l c u l a t et h ep e r f o r m a n c ea n dh e a dd e v i a t i o no f t h ev a r i a b l es p e e ds t e a mc e n t r i f u g a l p u m pa c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d K e yw o r d s:v a r i a b l es p e e dt u r b i n e d r i v e nc e n t r i f u g a lp u m p;h e a dd e v i a t i o n;p e r f o r m a n c et e s t;c h a r a c t e r i s t i cc u r v e;s p e e da d j u s t m e n tC L Cn u m b e r:TH A r t i c l e c h a r a c t e r:AA r t i c l e I D:()离心泵是利用叶轮旋转而使介质产生离心力来工作的,其主要性能参数有:扬程H、流量Q、转速n、功率N、效率等,这些参数之间是有一定联系并有内部规律的.通常,把表示主要性能参数之间内部规律的曲线称为离心泵的性能曲线或特性曲线.离心泵的特性曲线包括流量扬程(Q H)曲线、流量功率(Q N)曲线和流量效率(Q)曲线,这些曲线都是在一定转速下以试验的方法求得的,不同的转速有不同的特性曲线.与一般离心泵不同的是,辅助给水系统汽动泵(简称A S G汽动泵)为可变转速汽动离心泵,其输送介质为除盐水,由汽轮机提供动力,并以调速器来控制泵的稳定运行,运行过程中其转速是随着流量、入口蒸汽压力的变化而变化的,所以其特性曲线不是在一定转速下测得的,而是在一定入口蒸汽压力下测得的,且比一般泵的特性曲线多了一条流量转速(Q n)曲线.离心泵在工厂制造完成后,一般要进行试验以描绘泵的特性曲线,在交付用户之后也要定期进行试验以验证泵的特性曲线是否发生变化.核电厂安全相关系统和设备定期试验监督大纲中要求每个换料周期要执行一次给蒸汽发生器供水的正常工况下A S G汽动泵的试验,在所述试验中要求对汽动泵的Q H曲线进行测量,并将测量结果与设计曲线进行对比,计算额定流量平台的扬程偏差是否在范围内.然而,对于变速汽动离心泵来说,试验时的蒸汽压力不一定能达到泵的设计压力,所以要描绘泵的特性曲线必须找出一种方法将试验蒸汽压力下的数据换算到设计蒸汽压力下.根据 回转动力泵水力性能验收试验级和级标准换算后的试验数据点的拟合曲线与保证点的偏差线相交,则为合格,如图所示,换算后试验数据拟合曲线与保证点偏差线相交,试验合格.图离心泵流量、扬程数据换算及保证的实施F i g T h ec e n t r i f u g a lp u m pf l o wa n dh e a dc o n v e r s i o nA S G汽动泵水力性能试验图为A S G汽动泵的调节阀、调速器原理图,调速器输出杆与调节阀通过杠杆连接.调速器活塞上部通入泵出口压力,活塞下部通入文丘里管喉部压力;文丘里管喉部的流通面积小于泵出口,根据伯努利方程原理,文丘里管喉部的压力小于泵出口压力,在压力差作用下调速器活塞向下移动压缩弹簧,并通过活塞杆、调速器输出杆、杠杆带动调节阀向上移动;调节阀受蒸汽压力作用向下移动,与调速器活塞压差力和弹簧力实现平衡.在A S G汽动泵启动前,调速器活塞在弹簧力作用下处于最顶部,调节阀处于最低点全开位置,当泵全流量启动后,泵出口流量很大,调速器活塞在压差作用下向下运动并关小调节阀,调节阀关小则泵出口流量也减小,调速器压差同时减小,最终调速器活塞处于受力平衡位置,调节阀开度稳定,泵开始稳定运行.图调速器、调节阀运行原理F i g T h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f t h eg o v e r n o ra n dt h er e g u l a t i v ev a l v e由此可见,A S G汽动泵的运行转速受泵出口流量影响,当流量变化时转速随之变化;同时,当蒸气压力变化时,调节阀时汽量也发生变化,另一方面,蒸汽压力变化影响调节阀所受蒸汽作用力大小,进而影响调节阀与调速器的受力平衡,从而影响调节阀开度大小.根据核电厂定期试验监督大纲要求,每 C(C为燃料循环)需执行次A S G汽动泵全流量试验,试验目的主要是验证汽动泵的水力性能是否满足设计标准,通过让泵在各个流量平台运行并采集转速、流量、出口压力等参数,绘制泵的流程扬程曲线和流量转速曲线;根据程序标准,泵额定工作点的扬程和转速与设计值不应超出范围.如果超出标准,需停泵对调速器的调整螺套进行调整,通过调整螺套来调节弹簧的初始压缩量,以此改变调速器稳定运行时的工作位置,即调节阀的开度大小;调节阀开度大小改变,即可调整泵的工作点位置,以此调整泵的扬程、转速,使之符合程序要求.换算系数K及试验数据换算辅助给水汽动泵的入口蒸汽压力设计值为 MP a(绝对压力,下同).当执行水力性能试验时,泵的入口蒸汽压力受核岛蒸汽发生器温度影响是持续变化的,为了绘制泵的流量扬程曲线,需要把不同蒸汽压力下的试验数据换算到设计蒸汽压力 MP a平台下.当其他参数不变,只是蒸汽压力变化时,转速n只与入口蒸汽压力P相关,通过对泵进行建模仿真,得到转速n与 入 口 蒸 汽 压 力P对 应 关 系 曲 线 如 图所示.图转速与入口蒸汽压力对应关系曲线F i g T h er e l a t i o n s h i pc u r v eb e t w e e nt h es p e e da n dt h ei n l e t s t e a mp r e s s u r e由图可知,转速与入口蒸汽压力可由一元二次方程进行拟合,即:nf(P)a Pb Pc式中:a、b、c为多项式系数.则入口蒸汽压力P下对应的转速n与蒸汽压力为 MP a时的转速N 之间的比例系 数 为:Kf()/f(P).根据系数K及离心泵的相似定率,可将当前蒸汽压力下得到的Q、H、n换算到 M P a压力下的Q、H、n,即:Q QK;H HK;n n K泵的扬程计算公式为:HPoPigVoVigZoZi式中,Po、Pi分别为泵的出、入口压力,P a;Vo、Vi分 别 为 泵 的 出、入 口 介 质 流 速,m/s;Zo、Zi分别为泵的出、入口高度,m;为水的密度,k g/m;g为重力加速度,m/s.汽动泵的介质为除盐水,在不同的温度下密度是不同的,水的密度根据温度在水密度表中查得,水密 度 表 在 该 例 中 引 用 年 国 际 温 标(I T S )水密度表.水密度表为二维表格,如表所 示,在 软 件 中 表 为 二 维 数 组A ,根据当前水温度计算得到该温度下水密度数据在数组中的坐标 h,v,则水的密度为Ahv.具体计算方法如下:例如当前水温度为 ,则水密度就为A .表 年国际温标(I T S)(部分)T a b l eT h e i n t e r n a t i o n a l t e m p e r a t u r e s c a l e i n (I T S )(p a r t)k g/mt/特性曲线的拟合及扬程偏差计算离心泵的特性曲线形状类似抛物线,可采用多项式拟合方法,将泵的Q H曲线及Q n曲线拟合成一元三次函数.首先根据设计参数得到每个流量工况对应的扬程值,得到一系列点数组(xi,yi)(i,m),每个点均为一个二维坐标点,以这些点为样本并采用多项式曲线将其拟合为最终的曲线函数表达式.根据多项式拟合原理,数据点个数为m,拟合次数为n,则多项式系数a,a,a,an可由以下方程解出:mi ximi ximi xnimi ximi ximi xn imi xnimi xn imi xniaaanmi yimi xiyimi xniyi拟合得到的多项式为:fn(x)nkakxk根据以上方法可求得扬程关于流量的函数为:Hf(Q)aQaQaQa()根据上文方法得到的经过换算后的试验数据Q、H、n,将Q 代入式()可得出蒸汽压力为 MP a,流量为Q 工况下的理论扬程H,然后按下式计算扬程偏差:H(H H)/H当扬程偏差H值超出时需调整汽动泵的转速,假如H则需要调高转速,根据离心泵比例定律以及式(),假设当前转速为n,转 速 调 整 量 为n,转 速 变 化 的 比 例Kn(nn)/n,转速调整后的流量Q调Q Kn,转速调整后的扬程H调H Kn,将Q调代入式(),得到调整后的理论扬程为Hf(Q调)fQ(nn)/n转速调整后的目标扬程偏差为,所以HH调,所以,转速的调整量可按下式计算:fQ(nn)/nH(nn)/n()式()为关于n的一元二次方程,解该方程即可求得n大小.软件开发根据前述计算方法,开发辅助给水汽动泵性能计算软件,本软件利用CS h a r p语言编成,计算界面如图所示.图软件计算界面F i g T h es o f t w a r e i n t e r f a c eo f c a l c u l a t i o n扬程偏差计算主要步骤如下:)根据当前所处地理位置,设置重力加速度值;)待泵稳定运行后采集泵入口水温度、蒸汽压力、泵出口压力、泵入口压力、泵转速及泵出口各环路流量值并录入软件;)点击软件“计算”按钮,自动计算出当前试验数据的扬程偏差和对应的转速调整量,当扬程偏差超出标准时,可按软件给定的转速调整量对调速器进行调整.以某核电站辅助给水汽动泵设计参数为准,计算 方 法 的 准 确 性 可 通 过 在 泵 的 额 定 流 量(m/h)内将蒸汽压力在 MP a时的流量、扬程设计参数换算到 MP a并与 MP a平台下扬程设计值进行对比,验证结果如表所示,从表中数据可知,该计算方法的最大计算偏差为 .表计算方法准确性验证 MP a数据换算到 M P aT a b l eT h ec a l c u l a t i o nm e t h o da c c u r a c yv e r i f i c a t i o n MP ad a t a t r a n s l a t e s t o M P a流量Q/(mh)MP a下设计扬程H/m扬程换算值H/m MP a下理论扬程H/m计算偏差/结论本文提供的变速泵性能计算方法主要适用于变速离心泵的扬程偏差计算,计算方法的准确性已通过验证.通过此计算方法可将不同蒸汽压力平台下泵的运行参数换算到设计压力平台对应参数,该方法可应用于辅助给水汽动泵,这有助于将A S G系统汽动泵超速试验窗口提前,在低于 b a r时执行汽动泵的超速试验,并在超速试验期间计算泵的扬程与转速偏差,根据偏差值对泵转速进行预调整.经过预调整后,在后续执行A S G全流量试验(每个换料周期执行一次,试验合格标准:扬程偏差在以内)时泵的扬程偏差合格率将大幅提高,从而避免在热停堆期间调 整 泵 的 转 速,大 大 节 约 了 大 修 关 键 路 径时间.参考文献:关 醒 凡现 代 泵 技 术 手 册 M北 京:宇 航 出 版社,中国国家标准化管理委员会回转动力泵水力性能验收试验级和级:G B/T S魏龙泵维修手册M北京:化学工业出版社,周湄生最新温标纯水密度表J计量技术,():梁山城,夏培松水泵性能曲线拟合研究J中国农机化学报,():