爐水循環(huán)泵的失效性分析及預(yù)防措施

張磊,張圣喜

(1.山東省電力學(xué)校,山東 泰安 271000;2.國電山東石橫發(fā)電廠,山東 肥城 271621)

1 爐水循環(huán)泵概況

在 300MW發(fā)電機(jī)組控制鍋爐汽水循環(huán)中,主要依靠爐水循環(huán)泵建立良好的水循環(huán),爐水循環(huán)泵運(yùn)行狀況的好壞將會直接關(guān)系到鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

早期的爐水循環(huán)泵大多都是國外產(chǎn)品。爐水循環(huán)泵電動機(jī)是一種特殊型三相鼠籠式異步電動機(jī),是一種濕繞組電動機(jī)。其基本參數(shù)為:工作電壓,6 kV;額定功率,200 kW;設(shè)計(jì)壓力,21MPa;額定電流,27A;啟動電流,139A;泵的設(shè)計(jì)溫度,369℃;電動機(jī)腔室溫度,一般為 40～50℃;報(bào)警溫度,55℃;跳閘溫度,60℃。

該電動機(jī)與爐水循環(huán)泵組成一個無軸封的密封整體,電動機(jī)內(nèi)充滿與系統(tǒng)同樣壓力的高壓水,構(gòu)成壓力邊界的一部分。電動機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心、繞組、軸承均浸入水中,定、轉(zhuǎn)子鐵心采用特殊絕緣材料,保證鐵心長期浸入水中可以保持良好的絕緣性能及耐腐蝕性。所有內(nèi)、外引出線密封均采用特殊的絕緣材料及結(jié)構(gòu),保證其在高壓水中能保持完整的密封及良好的絕緣性。電動機(jī)與泵之間設(shè)有隔熱屏,以減輕泵的熱量對電動機(jī)的影響。電動機(jī)內(nèi)部的高壓水由輔助葉輪驅(qū)動進(jìn)行自循環(huán),進(jìn)入電動機(jī)外部的高壓冷卻器,以帶走電動機(jī)內(nèi)部的熱量,高壓冷卻器外部通過低壓冷卻水來冷卻。

由于爐水循環(huán)泵的工作環(huán)境非常惡劣,所以,對它的運(yùn)行監(jiān)視、維護(hù)應(yīng)非常慎重。從實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看,爐水循環(huán)泵泵體出問題的幾率相對較低,故障大多出現(xiàn)在電動機(jī)部分。監(jiān)視、控制電動機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)(如電動機(jī)腔室溫度、爐水循環(huán)泵進(jìn)出口差壓、高壓冷卻器濾網(wǎng)差壓和電動機(jī)電流)就成為現(xiàn)場運(yùn)行人員的主要任務(wù)。

一般而言,每臺鍋爐設(shè)有 3臺爐水循環(huán)泵,正常運(yùn)行中,2臺運(yùn)行,1臺備用。當(dāng)其中 1臺運(yùn)行泵跳閘,備用泵應(yīng)聯(lián)鎖啟動,否則應(yīng)手啟。若手啟不成功則應(yīng)在 1min內(nèi)將鍋爐負(fù)荷降至 180MW以下,否則,就會出現(xiàn)因爐水循環(huán)不良而導(dǎo)致鍋爐主燃料跳閘(MFT)事故。同時,爐水循環(huán)泵失效后的檢修費(fèi)用相當(dāng)昂貴,在 20世紀(jì) 90年代初,更換 1臺爐水循環(huán)泵大約 80萬元;2000年后,費(fèi)用相對有所降低,但也要 25萬元左右;而且爐水循環(huán)泵電動機(jī)更換時必須停爐,檢修工期最短也要 2 d。以機(jī)組負(fù)荷率75%、電能凈效益 0.08元/(kW·h)計(jì),則因停爐檢修所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失將達(dá) 86.4萬元,加上電動機(jī)更換費(fèi)用約 110萬元,這筆費(fèi)用對一個擁有多臺機(jī)組的火電廠來說,也是一筆不小的支出。

2 爐水循環(huán)泵失效記錄統(tǒng)計(jì)

作為全國第 1家雙引進(jìn)型 300MW火力發(fā)電動機(jī)組,國電山東石橫發(fā)電廠(以下簡稱石橫電廠)的4臺機(jī)組共有 12臺爐水泵。其中,#1、#2爐分別于1987,1988年投產(chǎn),爐水循環(huán)泵電動機(jī)系美國 CE公司產(chǎn)品;#3、#4爐 1997年投產(chǎn),爐水循環(huán)泵電動機(jī)系哈爾濱電動機(jī)廠的產(chǎn)品。

自投產(chǎn)以來,石橫電廠爐水循環(huán)泵每年都有失效記錄,特別是在#3、#4爐相繼投產(chǎn)以來,爐水循環(huán)泵失效的問題更為突出,在 2000年更是達(dá)到了創(chuàng)記錄的 7次,這也成了困擾國電山東石橫發(fā)電廠(以下簡稱石橫電廠)運(yùn)行技術(shù)人員的一大頑疾。作者對 1997—2006年近 10年間石橫電廠爐水循環(huán)泵失效的問題進(jìn)行了較為全面的統(tǒng)計(jì),見表 1。

由表 1統(tǒng)計(jì)記錄可以看出,石橫電廠爐水循環(huán)泵的失效的原因無一例外地都是電動機(jī)絕緣損壞。其中,爐水循環(huán)泵電動機(jī)運(yùn)行中燒壞、絕緣到零共14次,運(yùn)行或備用狀態(tài)下絕緣降低更換電動機(jī) 14次。10年中共發(fā)生爐水循環(huán)泵失效 28臺次,平均每年2.8臺次,這個數(shù)字是相當(dāng)驚人的。

表 1 1997—2006年石橫電廠爐水循環(huán)泵失效記錄統(tǒng)計(jì)

進(jìn)口爐水循環(huán)泵電動機(jī)的設(shè)計(jì)壽命一般為 5年,國產(chǎn)的一般為 4年,而從上面統(tǒng)計(jì)的情況看,爐水循環(huán)泵運(yùn)行壽命達(dá)到 5年的只有 3臺,4年的有 4臺,其余均為 3年或不足 3年,距離設(shè)計(jì)壽命還有相當(dāng)大的差距,大大增加了維修工作量和維修成本。

3 失效原因分析

綜合近 10年來爐水循環(huán)泵失效的檢查結(jié)果,可以從 3方面來分析爐水循環(huán)泵的失效原因。

3.1 爐水循環(huán)泵電動機(jī)絕緣及處理工藝方面

通過對幾次爐水循環(huán)泵運(yùn)行中燒壞、絕緣到零后的電動機(jī)解體發(fā)現(xiàn),大部分情況出現(xiàn)在定子繞組引出線及星形中性點(diǎn)上,以及中間接頭、粗細(xì)線過渡段上,表明這些部位是電動機(jī)絕緣的薄弱環(huán)節(jié)。電動機(jī)定子繞組首端的手包絕緣及引線部分的處理不合格,制造工藝和密封質(zhì)量太差;星點(diǎn)部分絕緣處理不過關(guān),星點(diǎn)的組合方式不科學(xué)及焊接工藝質(zhì)量太差,使?fàn)t水循環(huán)泵在熱態(tài)運(yùn)行中,絕緣迅速降低而導(dǎo)致?lián)舸?。另?濕繞組電動機(jī)繞組電擊穿事故統(tǒng)計(jì)表明,大多數(shù)情況發(fā)生在細(xì)線電纜上,這是一個不容忽視的部位。

3.2 檢修維護(hù)方面

高壓繞組的外絕緣約 1.7mm,外表面有一層絕緣薄膜,在嵌線過程中,薄膜損傷對繞組的絕緣有影響,高壓冷卻水從此處進(jìn)入薄膜與主絕緣內(nèi)部,容易造成絕緣降低。

近年來修理的電動機(jī)采用國產(chǎn)絕緣材料,其使用壽命比進(jìn)口絕緣材料使用壽命短,在引線處更為明顯。從多臺電動機(jī)的解體檢查看,引線處絕緣在有水和無水的情況下變化較大。

國產(chǎn)導(dǎo)線與進(jìn)口導(dǎo)線使用壽命在石橫電廠也得到了證明,1B爐水循環(huán)泵電動機(jī)原來采用的進(jìn)口導(dǎo)線,已運(yùn)行 4年多了也沒有失效,而其他幾臺采用國產(chǎn)導(dǎo)線的電動機(jī),其失效壽命要短的多,最短的只使用 1年左右即失效。

熱工定值和繼電保護(hù)定值的正確性及其保護(hù)的完好投入率,是保證爐水循環(huán)泵電動機(jī)絕緣良好的重要因素。電動機(jī)腔室溫度定值一般為 60℃跳閘,這一點(diǎn)是非常關(guān)鍵的;另外,電動機(jī)的過熱保護(hù)、速斷及堵轉(zhuǎn)保護(hù)均要可靠、正確地投入。

由于爐水循環(huán)泵電動機(jī)與泵采用螺栓聯(lián)接,其檢修工藝有嚴(yán)格規(guī)定,稍有疏忽,冷卻水滲出泵體,使熱爐水進(jìn)入電動機(jī)內(nèi)部,勢必會造成爐水循環(huán)泵電動機(jī)失效。

3.3 運(yùn)行方面

雖然運(yùn)行操作沒有直接導(dǎo)致爐水循環(huán)泵失效的記錄,但不合理的運(yùn)行參數(shù)和不規(guī)范的操作對設(shè)備的影響也是不容忽視的。由于高壓冷卻器換熱效果不佳或二次冷卻水壓力偏低,使運(yùn)行中的爐水循環(huán)泵電動機(jī)腔室溫度長期偏高,爐水循環(huán)泵電動機(jī)絕緣持續(xù)下降而失效。在鍋爐啟動點(diǎn)火階段,一般需投入連續(xù)清洗水。當(dāng)鍋爐升壓至0.5MPa時,必須及時停清洗水,否則,高壓熱爐水會進(jìn)入爐水循環(huán)泵電動機(jī)腔室而導(dǎo)致繞組過熱。一般情況下,只要爐水循環(huán)泵本體沒有檢修工作,電動機(jī)腔室通常是不放水的。在鍋爐大小修或事故搶修需停爐放水時,在鍋爐放水后,不要立即放掉電動機(jī)的一次冷卻水,因?yàn)榇藭r爐水循環(huán)泵上部下降管中的水溫還較高,足以損傷繞組的絕緣,下降管中的水溫一般控制在 70℃以下,才允許爐水循環(huán)泵電動機(jī)腔室放水。不正確的啟停方式同樣會大大降低爐水泵電動機(jī)的絕緣,尤其是在熱態(tài)方式下,頻繁地啟停爐水循環(huán)泵對爐水循環(huán)泵電動機(jī)的絕緣影響更大。另外,在熱態(tài)方式下,爐水循環(huán)泵泵殼與入口母管之間的溫差太大則會使泵體承受過大的熱應(yīng)力,嚴(yán)重時會造成泵體與電動機(jī)結(jié)合面滲漏,威脅電動機(jī)繞組的絕緣。凈有效吸入壓頭(NPSH)偏低,汽包水位低于正常值,也會對爐水循環(huán)泵的運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響。NPSH不夠則會使?fàn)t水循環(huán)泵產(chǎn)生氣蝕導(dǎo)致泵體過大的振動,嚴(yán)重時會損傷定子繞組槽口絕緣而造成失效。對多臺失效的爐水循環(huán)泵解體檢查,均發(fā)現(xiàn)電動機(jī)定子繞組表面有黑色物質(zhì),干燥后呈粉末狀,這說明冷卻水中有雜質(zhì)。高壓冷卻水的 pH值一般為 9.5,溶液中懸浮物在要求的范圍之內(nèi),冷卻水為除鹽后的凝結(jié)水。經(jīng)驗(yàn)表明,水質(zhì)對繞組的絕緣尤其是中性點(diǎn)和引線處的影響最大。

4 爐水循環(huán)泵失效的預(yù)防措施

4.1 改進(jìn)絕緣結(jié)構(gòu)

(1)由于濕繞組電動機(jī)繞組電擊穿事故大多發(fā)生在細(xì)線纜上,因此,應(yīng)在電動機(jī)上采取粗細(xì)合一的接線方式。

(2)引出線連接結(jié)構(gòu)。原引出線連線結(jié)構(gòu)是復(fù)合式結(jié)構(gòu),改進(jìn)后采用模塑料壓制件的復(fù)合型絕緣結(jié)構(gòu)。

(3)改進(jìn)定子繞組中性點(diǎn)接頭的絕緣工藝,提高接頭的密封性能。Y形接頭絕緣及特殊工藝,在高壓、高溫中密封性好,具有自密性,壓力越高密封性越好,因此,可保證在高溫高壓下絕緣電阻不下降,在很大程度上提高了中性點(diǎn)接頭的絕緣可靠性及耐久性。

4.2 改進(jìn)絕緣工藝

加裝固定定子繞組端部的機(jī)械裝置,防止繞組因水流沖擊引起的絕緣摩擦和絕緣損傷。

改善繞組星點(diǎn)件的結(jié)構(gòu),提高可靠性及加強(qiáng)其焊接工藝。增加手包絕緣材料的纏繞層數(shù)和絕緣介質(zhì)的厚度。

4.3 運(yùn)行維護(hù)方面

要提高對爐水循環(huán)泵運(yùn)行參數(shù)的重視程度,把影響爐水循環(huán)泵絕緣的幾個重要參數(shù)做到一幅畫面上并連續(xù)監(jiān)視(如電機(jī)腔室溫度、爐水循環(huán)泵電流、差壓和高壓冷卻水濾網(wǎng)差壓等),并做出了這些參數(shù)的歷史趨勢匯總,以便比較、分析,從而對爐水循環(huán)泵的健康水平做出全面及時的評價(jià)。

經(jīng)常檢查爐水循環(huán)泵電動機(jī)外殼,仔細(xì)觀察法蘭盤聯(lián)接處有無滲漏水現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn),哪怕是極其微小的滲點(diǎn),也要給予足夠的重視。利用每次機(jī)組調(diào)停機(jī)會測量爐水循環(huán)泵電動機(jī)絕緣,在發(fā)現(xiàn)電動機(jī)絕緣 ＜100MΩ時,應(yīng)考慮更換電動機(jī)。

爐水循環(huán)泵檢修后啟動時,一定排凈電動機(jī)及泵殼的空氣;對于熱態(tài)工況下爐水循環(huán)泵的啟動,更應(yīng)特別慎重。為了減小熱態(tài)啟動時的熱應(yīng)力,應(yīng)保證泵殼與入口母管的溫差低于28℃,且 2次啟動的間隔不小于 15min。

鍋爐啟動階段汽包水位盡量維持在正常偏高的位置(+100mm),以避免泵產(chǎn)生氣蝕;嚴(yán)格控制鍋爐升溫升壓率,以防止升溫過快造成泵體承受過大的熱應(yīng)力。

經(jīng)常校驗(yàn)保護(hù)定值是否正確,保證爐水循環(huán)泵熱工及電氣保護(hù)的完好投入率,這是保證爐水循環(huán)泵電動機(jī)不失效的重要防范措施。

4.4 技術(shù)改造

(1)電動機(jī)高壓改低壓。石橫電廠#2爐 2C爐水循環(huán)泵 2002年4月份電動機(jī)失效后,經(jīng)過技術(shù)論證,決定由高壓改低壓。增加了 1臺 6kV變 400V的干式變壓器,原 6kV電源間隔不變,將電動機(jī)側(cè)電纜接至變壓器低壓側(cè)。改低壓后,由于爐水循環(huán)泵電動機(jī)定子繞組的絕緣層較厚(一般在 2.1mm左右),提高了繞組的耐高溫能力,即使繞組短時間過熱,對繞組絕緣影響不大,能延長繞組的使用壽命。因?yàn)?U1/U2=N1/N2,當(dāng)采用低壓繞組后,相應(yīng)的匝數(shù)要減少,但是通過繞組的電流將大大增加,可在槽內(nèi)的空間內(nèi)增加冷卻水支路,使其均勻地分布在繞組的中間,利于將熱量帶走。而且改低壓后,對絕緣的要求大大降低(＞0.5MΩ即可),大大提高了電動機(jī)的使用壽命。其總投資約 116萬元,作為一項(xiàng)技術(shù)嘗試是有進(jìn)步意義的。

(2)采用半屏蔽電動機(jī)。半屏蔽電動機(jī)是近年來出現(xiàn)的新型電動機(jī)。其定子繞組封閉在腔室內(nèi),定子繞組可采用干繞組形式,而且電動機(jī)腔室溫度上限可增至 95℃。根據(jù)設(shè)計(jì)說明,采用半屏蔽電動機(jī)后,電動機(jī)的設(shè)計(jì)壽命可由5年增加至 8～10年。電動機(jī)采用半屏蔽結(jié)構(gòu)后,也使得爐水循環(huán)泵的檢修變得簡單、方便,大大提高了工作效率。石橫電廠4A爐水循環(huán)泵 2005年11月份在改為半屏蔽電動機(jī)后,各項(xiàng)參數(shù)都很正常。當(dāng)然其具體效果還有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。其缺點(diǎn)是一次性投資偏高,約 150萬元。

(3)備用爐水循環(huán)泵裝設(shè)輔助冷卻水泵。為了解決爐水循環(huán)泵在熱備用狀態(tài)下絕緣下降快的問題,在高壓冷卻水系統(tǒng)串入 1臺輔助冷卻水泵。當(dāng)電動機(jī)停運(yùn)備用時,輔助冷卻水泵自動投入運(yùn)行,形成電動機(jī)內(nèi)部的強(qiáng)制小循環(huán),將爐水循環(huán)泵傳過來的熱量帶走。這就解決了停運(yùn)爐水循環(huán)泵節(jié)約廠用電與電動機(jī)絕緣下降快的矛盾。石橫電廠#1爐 1B、#4爐 4B爐水循環(huán)泵已先后采用了該技術(shù)。從目前情況看,1B爐水循環(huán)泵運(yùn)行已 4年,4B爐水循環(huán)泵運(yùn)行近 2年,絕緣良好。該改造方案投資 25萬元,從實(shí)際運(yùn)行效果看,值得推廣。

對爐水循環(huán)泵電動機(jī)絕緣失效的分析,不僅要關(guān)注爐水循環(huán)泵電動機(jī)絕緣的質(zhì)變即電動機(jī)燒壞,更要重視爐水循環(huán)泵電動機(jī)絕緣的量變即緩降。分析掌握電動機(jī)絕緣的緩降原因并采取相應(yīng)的措施,對于延長泵的使用壽命,提高設(shè)備健康水平,具有重要的意義。圖 1是近 10年間爐水循環(huán)泵失效次數(shù)的走勢圖。

圖1 石橫電廠爐水循環(huán)泵失效次數(shù)統(tǒng)計(jì)

由圖 1可以看出,石橫電廠爐水循環(huán)泵的失效次數(shù)在 2000年達(dá)到頂峰,共有 7臺次,而在 2001年,石橫電廠把防止?fàn)t水循環(huán)泵電動機(jī)失效作為一個研究課題進(jìn)行技術(shù)攻關(guān),增加了人員和資金方面的投入,采取了很多有針對性的措施,取得了比較明顯的效果。除在 2003年存在一個設(shè)備失效壽命的周期外,其余年份均有明顯的下降,2004和 2006年更是達(dá)到了零失效,這表明石橫電廠在這方面的措施、方法及技術(shù)改進(jìn)是正確、有效的。

5 結(jié)論

通過長期對失效爐水循環(huán)泵電動機(jī)的跟蹤分析,可以比較清晰地找出爐水循環(huán)泵電動機(jī)失效的主要因素及其他次要因素,進(jìn)而采取相應(yīng)的預(yù)防措施,有效地避免了爐水循環(huán)泵電動機(jī)的非正常失效,延長了爐水循環(huán)泵的運(yùn)行壽命,提高了設(shè)備的可靠性,保證了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。以每年減少 2臺次爐水循環(huán)泵失效計(jì)算,至少能夠避免 220萬元的直接經(jīng)濟(jì)損失。石橫電廠在預(yù)防爐水循環(huán)泵失效方面的探索是成功的,可為同類問題的處理提供參考實(shí)例。