低壓加熱器疏水泵故障分析與選型要點(diǎn)

韓立爭(zhēng)，漆明貴

（中國(guó)成達(dá)工程有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

現(xiàn)代火力發(fā)電機(jī)組的抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)中，除了除氧器為混合式加熱器外，其余的加熱器（包括高壓加熱器、低壓加熱器等）均采用表面式加熱器。表面式加熱器的工作原理決定了用作加熱的抽汽在凝結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的疏水無(wú)法與給水或凝結(jié)水直接混合，應(yīng)及時(shí)排出以保證加熱器正常運(yùn)行。表面式加熱器疏水的排出方式不僅決定了抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，還會(huì)影響機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。高壓加熱器（簡(jiǎn)稱“高加”）的疏水以逐級(jí)自流的方式最終進(jìn)入除氧器，低壓加熱器（簡(jiǎn)稱“低加”）的疏水主要有3種方式：逐級(jí)自流、逐級(jí)自流與疏水泵、逐級(jí)自流與疏水冷卻器。有計(jì)算表明，低加3種疏水方式中，采用逐級(jí)自流與疏水泵的疏水方式節(jié)能效果最為明顯，逐級(jí)自流結(jié)合疏水冷卻器次之［1-2］，這是因?yàn)榈图邮杷脤⑹杷苯蛹訅核腿肽Y(jié)水母管，與混合式加熱器的抽汽熱量利用效果接近，不可逆損失降低。

火力發(fā)電機(jī)組中，低加疏水泵的故障率較高［3-5］，低加疏水泵運(yùn)行可靠性低、維護(hù)工作量大，有研究提出采用疏水冷卻器替換原設(shè)計(jì)的低加疏水泵，以換取更高的可靠性［6-8］，甚至有些機(jī)組在配備了低加疏水泵的條件下，為避開低加疏水泵的損壞與維護(hù)，低加長(zhǎng)期采用危急疏水至凝汽器，影響機(jī)組整體熱經(jīng)濟(jì)性。

通過分析低加疏水泵的故障原因，提出相應(yīng)的解決方案，并從設(shè)備選型角度對(duì)低加疏水泵的選型給出建議，依據(jù)低加疏水系統(tǒng)的特性與運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備選型，可有效避免低加疏水泵運(yùn)行中出現(xiàn)的故障，為類似問題的整改以及新建項(xiàng)目中低加疏水泵的選型設(shè)計(jì)提供參考。

1 故障類型與處理對(duì)策

低加疏水泵的故障類型主要分為汽蝕余量不足、運(yùn)行工況不穩(wěn)定、加工制造缺陷3類。

汽蝕余量不足是指裝置汽蝕余量NPSHa超出泵的必需汽蝕余量NPSHr余量不足，甚至出現(xiàn)NPSHa低于NPSHr。對(duì)所有泵類而言，要確保不發(fā)生汽蝕，NPSHa應(yīng)該大于NPSHr并保持一定的安全余量，美國(guó)水力學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)HI9.6.1—2012《旋轉(zhuǎn)動(dòng)力泵NPSH指南》要求火力發(fā)電廠中輸送凝結(jié)水的泵，NPSHa／NPSHr≥1.0。文獻(xiàn)［4］低加疏水泵的導(dǎo)葉與葉輪因汽蝕損壞穿孔；文獻(xiàn)［9］中，NPSHa／NPSHr=0.6顯然不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，低加疏水泵運(yùn)行時(shí)發(fā)生嚴(yán)重汽蝕問題；文獻(xiàn)［10］低加疏水泵調(diào)試過程中出現(xiàn)振動(dòng)大，噪聲異常，其NPSHa／NPSHr=0.8，說明低加疏水泵運(yùn)行時(shí)已經(jīng)發(fā)生了汽蝕。

要解決汽蝕余量不足，可以通過提高NPSHa或降低NPSHr兩種方法進(jìn)行。

NPSHa與低加疏水的汽化壓力 （與汽輪機(jī)抽汽參數(shù)、機(jī)組負(fù)荷直接相關(guān)）、低加疏水泵進(jìn)口管路布置等因素有關(guān)。低加疏水為飽和狀態(tài)的水，NPSHa只能通過低位布置低加疏水泵來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要注意進(jìn)口管路的布置，盡量減少管路長(zhǎng)度與彎頭數(shù)量，避免因阻力降過大而導(dǎo)致NPSHa不足。文獻(xiàn)［9-10］通過優(yōu)化低加疏水泵進(jìn)口管路，有效地提高了NPSHa，改善了疏水泵運(yùn)行條件。另外，當(dāng)采用臥式泵時(shí)，如果經(jīng)NPSHa核算后發(fā)現(xiàn)泵坑底標(biāo)高較低，土建開挖工作量增加，可考慮更換為立式筒袋泵，既能確保足夠的NPSHa，又可避免土建工作量的大幅增加。

NPSHr與外部管路系統(tǒng)無(wú)關(guān)，只與泵本身的吸入性能有關(guān)。在給定的操作條件下，NPSHr越低說明泵的汽蝕性能越好，但亦不可一味追求過低的NPSHr，那樣會(huì)降低泵的可靠性與效率。采用雙吸葉輪或低轉(zhuǎn)速的泵，通常是降低NPSHr的有效途徑。采用立式筒袋泵時(shí)，首級(jí)葉輪選用雙吸，在提高NPSHa的同時(shí)降低了NPSHr，可大大提高設(shè)備的抗汽蝕性能與運(yùn)行可靠性，非常適合于低加疏水泵這種易于發(fā)生汽蝕的工況。圖1為首級(jí)采用雙吸葉輪的立式筒袋泵結(jié)構(gòu)。

運(yùn)行工況不穩(wěn)定是指低加疏水泵運(yùn)行工作點(diǎn)并非恒定不變，低加疏水量隨著主機(jī)負(fù)荷的波動(dòng)而變化，對(duì)于調(diào)峰機(jī)組，負(fù)荷經(jīng)常降至50%額定負(fù)荷以下，而低加疏水泵的選型點(diǎn)流量只能為某一固定值。根據(jù)GB 50660—2011《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》，疏水泵容量應(yīng)按照在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥全開工況（VWO）時(shí)接入該泵的低壓加熱器的疏水量之和計(jì)算，并應(yīng)另加10%裕量。顯然，當(dāng)主機(jī)處于低負(fù)荷階段，低加疏水量將遠(yuǎn)低于疏水泵的選型點(diǎn)流量，對(duì)于定速控制的低加疏水泵，只能完全依靠出口調(diào)節(jié)閥節(jié)流來(lái)調(diào)整泵的運(yùn)行工況點(diǎn)，使低加疏水泵長(zhǎng)期處于小流量區(qū)域運(yùn)行，不僅效率低，還容易引發(fā)設(shè)備故障。根據(jù)在運(yùn)機(jī)組數(shù)據(jù)，330 MW機(jī)組低加疏水泵出口調(diào)節(jié)閥開度范圍為30%~70%［11］，660 MW機(jī)組低加正常運(yùn)行時(shí)疏水泵出口調(diào)節(jié)閥開度僅為17%~52%［12］，可見出口調(diào)節(jié)閥的節(jié)流損失非常嚴(yán)重，泵實(shí)際運(yùn)行工作點(diǎn)遠(yuǎn)離選型工況點(diǎn)（最佳運(yùn)行工況點(diǎn)）。另外，由于調(diào)節(jié)閥的線性度不高，經(jīng)常出現(xiàn)低壓加熱器水位維持不穩(wěn)，空泵運(yùn)行等問題。對(duì)于軸封采用自沖洗的泵，一旦出現(xiàn)空泵運(yùn)行，即失去了軸封沖洗水，軸封將首先損壞［13-14］。

要解決運(yùn)行工況不穩(wěn)定的問題，可通過改變轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)低加疏水泵的能力。改變轉(zhuǎn)速的方式通常有電氣調(diào)速（變頻調(diào)節(jié)）與機(jī)械調(diào)速（液力耦合器）。變頻調(diào)節(jié)適用于各種規(guī)格的泵組，但對(duì)于大功率高壓電機(jī)選用變頻控制將增加較高成本；液力耦合器的采購(gòu)成本低于變頻調(diào)節(jié)，但需要配套工作油、潤(rùn)滑油管路，系統(tǒng)配置較為煩瑣，占地空間大，而低加疏水泵布置于泵坑內(nèi)，空間有限，不便于布置油管路等附屬設(shè)備，因此，液力耦合器對(duì)小型低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵組優(yōu)勢(shì)不明顯。綜合考慮電機(jī)容量、安裝布置空間與采購(gòu)成本等因素，低加疏水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)優(yōu)選變頻控制。

加工制造缺陷在低加疏水泵故障中占有一定比例［5，15-17］，軸向力不平衡、關(guān)鍵部套的裝配 工藝差是存在的典型問題，應(yīng)在注意設(shè)備品牌選擇的同時(shí)，加強(qiáng)廠內(nèi)監(jiān)造與出廠檢驗(yàn)，將存在問題解決在設(shè)備出廠前。

2 疏水泵選型要點(diǎn)

2.1 泵型選擇

某125 MW燃煤機(jī)組，共設(shè)有7級(jí)回?zé)嵯到y(tǒng)（2臺(tái)高加+1臺(tái)除氧器+4臺(tái)低加），在6號(hào)低加設(shè)置有2臺(tái)100%容量低加疏水泵，將低加疏水注入5號(hào)低加水側(cè)進(jìn)口。

吸取以往項(xiàng)目中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，低加疏水泵的選型首先考慮到汽蝕余量問題。根據(jù)汽輪機(jī)熱力平衡圖，VWO工況下的低加疏水參數(shù)為：疏水量42.1 m3／h，6號(hào)低加進(jìn)汽壓力0.088 MPa，疏水溫度94.7℃。低加疏水泵安裝在泵坑內(nèi)，6號(hào)低加最低液位與低加疏水泵進(jìn)口中心線高差為3.35 m，通過計(jì)算得NPSHa為2.18 m，計(jì)算過程見表1。

表1 有效汽蝕余量計(jì)算 m

對(duì)于NPSHa較低的工況，可優(yōu)先選擇雙吸葉輪、低轉(zhuǎn)速的泵，以盡可能降低NPSHr。選型過程發(fā)現(xiàn)，因低加疏水泵為低位布置，進(jìn)口管路系統(tǒng)的NPSHa較為充足，選用臥式單級(jí)懸臂式離心泵配2極轉(zhuǎn)速電機(jī)即可同時(shí)滿足流量、揚(yáng)程與汽蝕余量的要求，較兩端支撐離心泵省去一套機(jī)械密封，降低了運(yùn)行維護(hù)成本，2極轉(zhuǎn)速的泵與電機(jī)從體量上小于4極轉(zhuǎn)速，降低了采購(gòu)成本。

低加疏水泵的操作條件與設(shè)備選型參數(shù)見表2。

表2 低加疏水泵操作條件與設(shè)備選型參數(shù)

為了更好地實(shí)現(xiàn)低加疏水泵在不同主機(jī)負(fù)荷下的靈活控制，采用變頻控制的同時(shí)，保留低加疏水泵出口母管的調(diào)節(jié)閥。低加疏水泵基本的控制邏輯為：通過6號(hào)低加的液位信號(hào)調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度，根據(jù)凝結(jié)水母管壓力調(diào)整泵轉(zhuǎn)速。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，變頻控制與出口調(diào)節(jié)閥的組合使低加疏水泵在不同工況下均可平穩(wěn)運(yùn)行，達(dá)到預(yù)期效果。機(jī)組實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷為117 MW，低加疏水溫度為91.3℃，A泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速為2 250 r／min，出口壓力為1.06 MPa，疏水量為34.2 t／h，出口調(diào)節(jié)閥開度為 98.1%。

2.2 軸封型式與沖洗方案的選擇

軸封型式與沖洗方案的確定是低加疏水泵選型另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，以往項(xiàng)目中低加疏水泵的軸封多采用填料密封或機(jī)械密封配自沖洗方案，存在較高的故障率，原因歸結(jié)為：

1）工藝參數(shù)決定了低加疏水泵要將疏水注入凝結(jié)水母管，須提供足夠的揚(yáng)程，即泵需要較高轉(zhuǎn)速。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，單級(jí)與多級(jí)型式低加疏水泵的轉(zhuǎn)速大多不低于2 900 r／min，否則將增加較多泵的級(jí)數(shù)。高轉(zhuǎn)速將加速填料磨損，使其過早失效。另外，在主機(jī)低負(fù)荷與事故狀態(tài)下，定速泵容易將低加疏水排空，自沖洗液隨之消失，干轉(zhuǎn)會(huì)使填料因過度發(fā)熱而失效。

2）對(duì)于采用機(jī)械密封的低加疏水泵，其故障主要為機(jī)械密封過早泄漏，泄漏原因與定轉(zhuǎn)速運(yùn)行、自沖洗方案有直接關(guān)系，即一旦低加疏水排空，引自泵出口的沖洗液隨即消失，干轉(zhuǎn)將導(dǎo)致機(jī)械密封損壞。

鑒于以上兩點(diǎn)，本項(xiàng)目低加疏水泵的軸封選用機(jī)械密封，沖洗液引自外部凝結(jié)水母管，使軸封沖洗液與低加疏水相互獨(dú)立。設(shè)備投運(yùn)后，軸封沖洗效果良好，有效保證了機(jī)械密封的使用壽命。外部沖洗液系統(tǒng)見圖2。

圖2 低加疏水泵軸封沖洗系統(tǒng)

3 結(jié)語(yǔ)

低加疏水泵的運(yùn)行工況惡劣，在以往項(xiàng)目中故障率較高，選型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)務(wù)必注意泵型、軸封型式與沖洗方案的確定，并加強(qiáng)設(shè)備的廠內(nèi)監(jiān)造與出廠檢驗(yàn)。本文工程低加疏水泵選用臥式單級(jí)懸臂式離心泵，變頻調(diào)節(jié)與出口調(diào)節(jié)閥相結(jié)合，軸封選用機(jī)械密封配外部沖洗液，避開了引起設(shè)備故障的幾方面關(guān)鍵因素，實(shí)際運(yùn)行效果良好。如因NPSHa不足，選用臥式離心泵無(wú)法滿足汽蝕要求，可考慮降低泵基礎(chǔ)標(biāo)高或選用立式筒袋泵。