供热系统循环水泵电机过热现象的分析_湘电集团有限公司_湘潭电机股从限公司

本文对一个供热系统循环水泵电机过热问题的实例进行了分析，指出了电机过热的原因，并提出了解决问题的方案。比转数性能曲线工况点广安门锅炉房是经1999 年“煤改气”后，又由于广安门二期住宅工程2000 年移建、2001 年扩容改造而成的。本文讨论了该锅炉房 2000 年移建后在当年采暖季出现的循环水泵电机过热问题，通过对水泵本身特性和运行工况的分析，提出了问题的原因和解决方法。本文还简略的介绍了该锅炉房实际改造方案。一、移建后锅炉房供热系统锅炉房有两台型号为WNS4.2-1.0/115/70-Y(Q)燃气热水锅炉，分别为高一区系统（39 米）和低区系统(20 米），两台锅炉分别与热用户直接连接供热。两系统都由2 台循环水泵（一备一用），2 台补给水泵（一备一用），一台锅炉组成。4 台循环水泵均为同一型号ISR150- 125-400（铭牌扬程H 1 ＝50mH 2 O，铭牌流量G 1 ＝200m 3 /h，铭牌转速 n 1 ＝1450r/min，电机功率N 电机＝45kW）。4 台补给水泵也均为同一型号IS65-40-250C（铭牌扬程20mH 2 O，铭牌流量54m 3 /h，铭牌转速 2900r/min，电机功率11kW）。系统示意图如下 - 2 - 图1.高一区供热系统示意图图2.低区供热系统示意图图中，p1 为水泵入口压力表示数，p2 为水泵出口压力表示数。该锅炉房在2000 年采暖季中循环水泵出现了较为严重的问题。其表现为：水泵电机过热，而且过热现象在4 台循环水泵中普遍存在，严重时在春节期间竟然出现个别水泵电机烧毁的事故。二、水泵自身特性与电机过热的关系 - 3 - 我们首先来看离心水泵的流量－功率（G-H）曲线。图中横坐标表示流量G，纵坐标表示扬程H，曲线P 表示水泵的流量－扬程曲线，曲线N 表示流量－功率曲线，曲线η表示流量－效率曲线。单级单吸水泵比转数公式 n sp =3.65×n×G 0.5 ÷H 0.75 (1) 式中 n sp ———— 比转数 n ———— 转速，r/min G ———— 流量，m 3 /s H ———— 扬程，mH 2 O 比转数是代表了某一系列泵的一个综合性能参数。比转数大表明其流量大而压头小；反之，比转数小表明其流量小而压头大。根据比转数对应的离心水泵性能曲线大致形状如图3。图3.不同比转数下的离心水泵大致性能曲线图比转数还可以反映水泵性能曲线的变化趋势，低比转数的流量－扬程曲线较平坦，或者说压力变化缓慢；而流量－功率曲线则因流量增加而压头减少不多，使得机器的轴功率上升较快，所以流量－功率曲线较陡；流量－效率曲线则较平坦。性能曲线中表示的功率为轴功率，它与电机的功率有如下关系式 N 轴＝γGH/η 1 （2） - 4 - N 电机＝KγGH/η 1 η 2 ＝KN 轴/η 2 （3）式中 N 电机 ———— 电动机的输出功率，kW N 轴 ———— 电动机传送给水泵的功率，kW K ———— 电动机容量安全系数 γ ———— 液体容重，N/m 3 η 1 ———— 总效率 η 2 ———— 传动的机械效率其他参数同（1）式由（3）式可知，随水泵轴功率上升，电机功率随之上升。比转数低的水泵一旦处于推荐工况（即铭牌工况）点右侧，出现低扬程大流量，即使扬程下降不多也会使流量大幅度增加，随着流量增大轴功率也大幅上升，容易产生电机过载，导致电机过热，严重时甚至烧毁电机。将循环水泵铭牌参数带入(1)式，可得 n sp =3.65×1450×（200÷3600） 0.5 ÷50 0.75 ＝66.34 此值位于低比转数30～80 区间。可见，循环水泵正好属于低比转数水泵，当水泵运行于低扬程、大流量工况时，易引起电机过载。从实际观测数据来看，高一区循环水泵实际提供扬程 H＝p2-p1＝0.57-0.31＝0.26MPa＝26.5mH 2 O 低区循环水泵实际提供扬程 H＝p2-p1＝0.40-0.11＝0.29MPa＝29.6mH 2 O 我们可以看到循环水泵50mH 2 O 的铭牌扬程远大于实际需要的 - 5 - 扬程，这是水泵电机过热的原因。三、造成循环水泵铭牌参数过大的原因造成水泵铭牌参数（即设计参数或选用参数）大于实际需要的扬程、流量参数（即理想参数）的原因可能有以下几种： 1.外网设计不合理在确定供热管网循环泵的扬程时，按最不利环路压力损失确定。若管网水力失调，距锅炉房近端环路阻力小，远端环路阻力大。此时，环路总阻力远小于最不利环路的设计阻力，水泵实际运行于低扬程、大流量工况，轴功率变大，容易引起电机过载。 2.水泵选型时参数偏大在计算最不利环路阻力时，如果按经济比摩阻上限估算最不利环路的阻力损失，易造成估算值较实际值偏大，所选水泵的扬程过大，使水泵运行在小扬程、大流量、低效率的工况，容易引起电机过载。在选型中，常存在“宁大勿小”的错误倾向，人为的将水泵的参数选大，造成“大马拉小车”。尤其在一些改建改造中，设计或使用单位为了防止或改善局部不热的现象，往往增大水泵的出力，增加水泵扬程。使水泵扬程远大于实际阻力，出现电机过载。 3.改变供热管网，使总环路阻力降低在运行中，为解决热网水力失调局部不热的情况，当采取措施不当时，比如在用户入口处增设增压泵，造成管网阻力变小，水泵运行于大流量、小扬程的工况，引起电机过载。根据该锅炉房热网的情况，上述1、3 条情况不存在。所以，水 - 6 - 泵选型不当是该供热系统循环水泵电机过热的原因。四、由于水泵选用参数过大导致电机过载的运行工况分析下面通过管路特性曲线分析水泵选型偏大时的几种情况： 1.当设计选用水泵仅扬程H 1 偏大，而铭牌流量G 1 与理想流量G’ 相等时的情况，如图4。图4 图中，A’（G’，H’）点为系统所需参数的理想值，通过该点的特性曲线S 为管路实际特性曲线；A 1 （G 1 ，H 1 ）点为设计工况点，过该点的特性曲线S 1 为管路设计特性曲线；A（G，H）点为实际工况点，该点位于S 曲线上。由图可知，当选用水泵的铭牌扬程H 1 越大于理想值H’，实际工况点A 就会越向右偏离设计工况点A 1 ，则实际流量G 越大于水泵的设计工况点的流量G 1 ，此时越容易造成水泵电机过载。 2.当设计选用水泵仅流量G 1 偏大，而铭牌扬程H 1 与理想扬程H’ 相等时的情况，如图5。 - 7 - 图5 由图可知，当选用水泵的铭牌流量G 1 大于理想值G’，实际工况点A 越向左偏离设计工况点A 1 ，实际扬程H 大于水泵的设计工况点 H 1 的扬程，但实际流量G 小于设计流量G 1 。因为功率与流量是正相关的，此时水泵的功率小于铭牌功率，水泵不会过载。但是，实际工况点效率将低于铭牌效率。 3.当设计选用的水泵流量G 1 和扬程H 1 都大于理想值（G’，H’）时，有以下两种情况（1）如图6 图6 实际工况点A 向右偏离设计工况点A 1 ，此时实际扬程H 小于水泵铭牌扬程H 1 ，但实际流量G 大于铭牌流量G 1 。随着选用的设计工况点扬程H 1 越大，则实际工况点A 越向右偏离设计工况点A 1 ，水泵运行时的功率越高，越易出现水泵电机过载现象。 - 8 - （2）如图7 图7 实际工况点A 向左偏离设计工况点A 1 ，实际扬程H 大于铭牌扬程H 1 ，但实际流量G 小于铭牌流量G 1 ，此时不会出现电机过载现象。但是，同图5 情况类似，水泵的运行效率降低。可见，水泵选型时扬程偏大是造成电机过热的必要条件；而流量选型过大，不必然会出现电机过载。同时，我们通过对管路特性的分析也会得出同样的结论。实际管路特性曲线可简单的表示为 H＝SG 2 （4）则阻抗可表示为 S＝H/G 2 （5）设计工况的管路阻抗S 1 ＝H 1 /G 1 2 。根据管路特性曲线图和水泵的特性曲线图综合分析，只有S 曲线位于S 1 曲线的右侧时，才可能出现水泵功率超过最大功率而过载的情况。（5）式表明流量增大对S 曲线向右移动的贡献是负的，只有扬程增大才可能引起S 曲线的右移。所以，水泵选型时，应选用合理的铭牌扬程，既不能小，也不宜偏大。四、改善措施 - 9 - 最根本的措施应该是在水泵选型时，认真计算管网阻力，根据管网特性曲线和水泵特性曲线来选型。对于已经存在的水泵选型过大的问题，可以采用以下措施：（一）调节管网特性曲线，使增大管路的阻抗，使曲线左移接近设计工况点，避免电机过热。比如，关小水泵出口阀门，增大管路阻力。但这样造成能量损失，浪费巨大，经济性差，但简便易行。（二）调节水泵特性曲线 1.切削水泵叶轮根据相似率，改变叶轮直径D G n /G 0 =（D n /D 0 ） 3 （6） H n /H 0 =（D n /D 0 ） 2 （7） N n /N 0 =（D n /D 0 ） 5 （8）式中下标n 表示叶轮切削后，下标0 表示切削前。通过切削叶轮可以减小水泵的扬程和流量，使其参数接近理想值。但此时功率与直径成5 次幂降低，如果不换用电机，电机传动效率将急剧降低。 2.采用变速调节根据相似率，改变实际运行转速n G m /G 0 =（H m /H 0 ） 1/2 =（N m /N 0 ） 1/3 ＝n m /n 0 5 （9）式中下标m 表示变速之后，下标0 表示变速之前。五、该锅炉房实际改造方案通过以上分析，并根据该锅炉房现有供热负荷（2000 年）、中期 - 10 - 供热负荷（2003 年）、远期供热负荷（2007 年）的不同和定压高度的差异，提出了锅炉房扩能改造方案：增加同型号锅炉一台，改直接供热为间接供热，重新计算热网管路损失，重新选用循环水泵和补给水泵。系统示意如图8。图8.锅炉房改造示意图图中：热用户1：现有用户，低区，包括厂区和六层住宅楼（建筑面积 32000 平方米，其中的装机厂18000 平方米三期开工时全部拆除，高度20 米）。热用户2：现有用户，高一区，广安门一期住宅（建筑面积41500 平方米建筑，其中广运饭店13000 平方米后改为单位自己供暖，高度 39 米）。热用户3：中期用户，高二区，广安门二期住宅（2000 年开始建设，高度67 米，建筑规模59000 平方米）。热用户4：远期用户，高三区，广安门三期住宅（2005 年开始建设，高度55 米，建筑规模43000 平方米）。 - 11 - 所有水泵均使用变频控制。补给水泵可以根据设定值自动定压，并根据压力大小自动起停和改变运行频率。循环水泵不仅可以调整转速，使其运行在扬程与外网阻力相当的工况点，彻底解决水泵电机过载的问题；而且循环水泵可根据供热参数，调整为变流量运行。变频水泵的应用可以节能降耗，有巨大的经济价值和社会意义。七、结论 1.该锅炉房供热循环水泵电机过热是由于电机过载造成的，电机过载的原因是选用水泵不当，使水泵运行在大流量、低扬程的工况。 2.比转数低的离心水泵电机较比转数高的离心水泵电机容易过载。 3.离心水泵的铭牌扬程高于实际管网的阻力损失越多，越容易出现电机过载的现象。八、以下情形超出了本文的讨论范围，但实际运行中有一定的关注价值。 1.本文的分析排除了水泵的（1）机械故障，如安装的原因，在移建时可能存在水泵再次就位没有按照规定重新拆解调试的情况，致使电机与水泵不同轴，轴与轴承间摩擦增大，导致轴功率增加；（2）水泵本身制造或设计缺陷导致水泵电机过热。 2.本文分析的水泵是离心式水泵，以上的性能曲线的分析不适于混流泵和轴流泵及其他水泵。 3.由于本人属建设单位，锅炉房改造完成后移交给装机厂运行管理，故没有对实际使用中的水泵能耗进行分析。 - 12 - 4.本文也未讨论水泵并联时对于水泵电机过热的影响情况。 5.本文没有讨论电气部分，比如应有的电机热保护开关为何在电机过载过热时未动作。参考文献 1.《流体力学泵与风机》（第三版）周谟仁主编中国建筑工业出版社，1996

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