淺談水環(huán)式真空泵轉子斷裂問題

吳炯 劉振華 尹忠廣

【摘 要】針對某電廠2BE1-353-OMY4型水環(huán)式真空泵出現的葉片斷裂問題，文章從設計選型、材料分析、葉輪受力、系統(tǒng)工況等多個維度進行分析，確定了工況不匹配是葉片斷裂的根本原因。為改善泵組運行工況，在泵入口加裝大氣噴射器，提高真空入口壓力，改善壓縮比。經驗證，該方案實施后泵組運行良好，同時取得了較好的經濟效益。

【關鍵詞】水環(huán)式真空泵;葉片斷裂;合理工況點;大氣噴射器;經濟效益

【中圖分類號】TB752 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）08-0081-04

0 引言

汽輪機真空度直接影響發(fā)電機組的經濟性。真空度越高，排氣壓力越低，有效焓降相應就會增大，從而減少被循環(huán)水帶走的熱量，機組效率也將隨之提高。汽輪機的真空度由真空泵保證。真空泵運行出現問題，會導致汽輪機真空度降低，使有效焓降減少，循環(huán)水帶走熱量增加，提高蒸汽排汽焓值，降低有效焓降，最終會造成汽輪機蒸汽循環(huán)效率下降。因此，現代化大電網對真空泵的選型及結構提出了較高的要求。

1 概述

某電廠2×300 MW機組系哈爾濱汽輪機廠生產的汽輪機，采用型號為N-17400-1的單背壓、對分雙流程表面式凝汽器，其冷卻面積為17 400 m2，冷卻水流量為36 800 t/h，設計背壓為6.5 kPa，管材為ASTMB337Gr2，其配套的水環(huán)式真空泵型號為2BE1-353-OMY4，轉速為590 r/min，電機功率為160 kW，為納西姆公司生產的單級水環(huán)水環(huán)式真空泵。

水環(huán)式真空泵冬季運行參數如下：真空度為-94～-95 kPa，泵體振動為18.9～20 mm/s，噪音為98 dB（泵體內經常出現爆破的聲音），運行電流為220～225 A，泵體溫度為30～39 ℃。

該電廠1號、2號機組投產發(fā)電運行至今，水環(huán)式真空泵轉子出現故障達7次，對其中1臺泵進行解體檢查發(fā)現葉輪出現裂紋共計8處，其中2處立筋斷裂，2片葉片裂紋長達200 mm（如圖1所示）。

2 故障診斷

該故障純屬突發(fā)性故障，毫無前奏，毫無征兆，振動值、電流、運行音聲、真空度均無變化，事故無法提前控制。（現場運行參數記錄）自由端軸承振動曲線如圖2所示;驅動端軸承振動曲線如圖3所示;兩端軸承溫度值曲線如圖4所示。

3 原因分析

3.1 專業(yè)知識簡介

該真空泵為液環(huán)式真空泵，主要由轉子、泵殼、進出口分配器、錐面體等部件組成，其工作原理為在轉子與泵殼（圖中黑圈表示）之間設計一個偏心距，轉子旋轉時，會在泵殼內形成一個同樣偏心的旋轉液環(huán)，在此過程中對凝汽器內的空氣進行吸入、壓縮和排出，從而達到抽出凝汽器內空氣的目的。

具體工作原理如圖5所示，在AB段中，液環(huán)向外運動，殼體與轉子之間的體積逐漸變大，使轉子葉片內的體積增大，產生吸氣功能;在BC段中，液環(huán)對葉片內空間進行壓縮（空間體積減?。瑢⑽氲臍怏w壓縮;在CD段中，受壓空氣被從出口處排出。整個過程泵組完成了對凝汽器內多余氣體的吸入、壓縮和排出3個過程，從而將凝汽器的多余氣體吸出并維持凝汽器的真空狀態(tài)。

3.2 性能分析

該類型單級水環(huán)式真空泵的基本原理和性能是一樣的，其工作條件是由汽輪機的凝汽器設計背壓6.5 kPa決定，根據某廠的運行參數發(fā)現，凝汽器真空度高達5 kPa，此時該單級水環(huán)式真空泵在3～8 kPa工況區(qū)處于B-A區(qū)段，該區(qū)段屬于泵組的不穩(wěn)定區(qū)段，且根據揚程分析計算，該區(qū)段泵承擔的最高壓縮比達33（101.3/3=33）;泵處于B-A區(qū)段工作時，會產生產生高頻振動，泵組的運行參數振動值也體現了該現象（振動值高達18.9 mm/s），因此發(fā)現泵組的實際工作工況與最近工況偏移，對葉片斷裂有較大的貢獻因素。該泵設計性能曲線如圖6所示。

3.3 泵組的工況條件分析

某電廠凝汽器背壓為6.5 kPa，尾氣的排氣壓力范圍為3～8 kPa，查閱凝汽器真空度，2臺機組的冬季真空度最高達5 kPa（在該壓力下工作液對應的汽化溫度為25 ℃），該泵組取用的水環(huán)工質液溫度一般為30 ℃左右，因此導致真空泵運行時產生汽蝕的情況，泵組吸入端葉片長期受到汽蝕危害，對葉片的斷裂有嚴重的影響。

3.4 材料選擇規(guī)范

根據采購技術規(guī)格書要求，此泵葉輪材質選用Z6CNU17-04，材質強度及參數見表1。

3.5 葉輪受力分析

為驗證設計上葉片強度是否滿足要求，制造廠對真空泵葉輪的額定流量工況進行有限元計算，通過ANSYS軟件對葉輪進行建模，考慮葉輪內部流場壓力分布，綜合考慮葉輪在轉速下承受的離心力，采用流-固耦合計算分析方法，并結合結構強度應力變形等方面，綜合各因素對真空泵泵葉輪的強度進行分析和計算得出小流量、額定流量、大流量下其所承受的最大許用應力在葉片出口處，為79.082 MPa，遠小于葉輪材質Z6CNU17-04基本許用應力225 MPa，而葉輪裂紋開裂處最大應力為54.435 MPa，遠小于葉輪材質Z6CNU17-04基本許用應力225 MPa。對比計算，得出葉輪受力遠小于基本許用應力。由此分析可知，葉輪運行受力導致裂紋產生的可能性低。

3.6 葉片理化分析

對葉輪制造記錄進行核查，并對失效葉輪進行理化檢驗分析，對比及分析見表2。

3.6.1 化學成分

實驗室使用便攜式光譜分析儀對葉輪葉片進行化學成分分析（見表3）發(fā)現，葉輪內外表面化學成分滿足設計要求。 3.6.2 力學性能

實驗室對葉輪葉片進行解剖并使用布洛維硬度計對基體進行硬度測量，硬度值為29 HRC，滿足設計選型要求（見表4）。

3.7 切樣實驗室分析

分別對該泵斷裂葉片裂紋部位及一片葉輪根部進行金相分析，金相觀察發(fā)現葉輪基體組織馬氏體形態(tài)較尖銳，接近針狀馬氏體（正常組織為板條狀馬氏體），無夾雜、無疏松等缺陷（如圖7所示）。

綜合上述分析，得出結論如下：{1}葉輪的材料選型、葉輪的鑄造、葉輪的受力分析、成分報告均滿足要求。{2}發(fā)現泵組的合理工況點與凝汽器實際需求的工況點不匹配，使得泵處于不穩(wěn)定的工況區(qū)運行。{3}泵組設計時未考慮到系統(tǒng)真空度高時，該壓力下的工作液汽化會導致泵組汽蝕情況。

4 處理方案

根據葉片斷裂的根本原因，制訂改善泵組工作點的方案，具體措施是在泵入口加裝大氣噴射器，提高真空入口壓力，改善壓縮比;提高單級水環(huán)式真空泵的可靠性（運行壽命）、經濟性（效率及真空）及環(huán)保性能（汽蝕和噪音）等。

4.1 改造的機理

為了改善單級水環(huán)泵工作點不在穩(wěn)定區(qū)的選型缺陷，在不影響凝汽器真空的前提條件下，采取提高真空泵入口壓力的措施，將泵組的工作點調整到正常工況區(qū)。為了達到此目的，在真空泵入口加裝1套噴射抽氣設備。

噴射器的工作原理：利用大氣壓作為工作動力源，當大氣經過噴嘴漸縮管時，由于截面積變小，從而使得氣體的速度提高至400～450 m/s，同樣由于體積變化噴嘴后的壓力降到3～4 kPa，同時對凝汽的抽氣也產生了抽吸能力，將凝汽器系統(tǒng)中的抽氣與工作氣體相混合，經擴散管壓縮將混合氣體的壓力提高10～13 kPa，水環(huán)泵的壓縮比得到了明顯的降低（泵出口壓力/入口壓力=101 kPa/10 kPa=10），達到改善泵入口壓力的效果，泵的運行工況點也調整至A0-A穩(wěn)定區(qū)段。

當水環(huán)泵的進氣壓力達到10～13 kPa時，對應工作水的飽和溫度得到了大幅度的提高（飽和溫度為46 ℃），根據現場冷卻裝置提供的冷源能力計算，能將泵的工質溫度維持在35 ℃左右，有10 ℃的富?？臻g。有效地避開了泵葉片的汽蝕侵害，延長泵葉片的壽命，提高真空泵的可靠性。增加噴射器改善了泵組的運行狀態(tài)，泵組的效果如下：{1}能有效地降低真空泵的入口壓力，大幅度降低它的壓縮比（由33降至10），降低了真空泵的振動。{2}使水環(huán)泵避開高真空的不穩(wěn)定區(qū)段運行，改善汽蝕性能，延長設備運行壽命，提高設備可靠性。{3}增加噴射器裝置，同時增加了對凝汽器的抽氣能力，對凝汽器的真空度有一定的提升，實現抽氣設備高效、低能耗地運行。

4.2 改造后系統(tǒng)示意圖

改造后系統(tǒng)示意圖如圖8所示。

5 改造后經濟效益計算

（1）經過增設噴射裝置后，可將凝汽器的真空提高1 kPa左右。某廠機組的裝機容量為2×300 MW，機組的利用小時數為4 800 h，按1 kPa真空度節(jié)約發(fā)電煤耗2.5～3.3（依據西安熱工研究院統(tǒng)計數據），標煤單價按每噸900元計算，一年中由于真空度提高而帶來的經濟效益如下：

（2）本廠每年真空泵的維修費用約10萬元。經過增加噴射器，經濟效益比較顯著，每年每臺機組產生的經濟效益約310萬元。

6 改造后試泵組運報告

試運條件：①關閉水環(huán)式真空泵入口母管進口手動門。②水環(huán)式真空泵冷卻器投用閉式冷卻水溫度（22 ℃）。③水環(huán)式真空泵入口母管壓力表更換高精度壓力表。水環(huán)式真空泵試運對比見表5。

機組配大氣噴射器運行時，當泵體工作液溫度由34 ℃增加到36 ℃時，入口真空度-92 kPa未發(fā)生改變，但此時停運大氣噴射器后入口真空度變?yōu)?90.6 kPa。加裝大器噴射器后，泵組運行效果是顯著的，其他運行參數明顯變好，例如噪音降低、泵體運行平穩(wěn)。各項振動大幅度減小，且泵體振動振速明顯降低，真空度受工作液的溫度影響不大，系統(tǒng)真空度也有了大幅度的提高。

7 結語

水環(huán)式真空泵組加裝大氣噴射器改造后，經1年多運行實況驗證，葉片斷裂問題得到解決，泵組的運行相當穩(wěn)定，保持了良好的經濟性能（效率及真空）及環(huán)保性能，以及優(yōu)質高效的自動化程度和良好的可控狀態(tài)。當然，改造方案不是唯一的，本優(yōu)化方案也可能不是最佳方案，但其成功經驗可供參考。

參 考 文 獻

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[2]許琦.國產300 MW機組高再抽汽供熱改造[C].電力工業(yè)企業(yè)節(jié)能減排學術研討會，2008.

[3]陳睿，劉新靈，蔡顯新，等.離心泵葉片裂紋產生原因分析[J].理化檢驗，2011（1）.

[責任編輯：鐘聲賢]