600MW機(jī)組電動(dòng)給水泵汽蝕原因分析及預(yù)防措施

郝曉明

成都東部集團(tuán)有限公司，中國(guó)·四川 成都 610095

1 引言

給水泵汽蝕歸根到底是給水的汽化造成，泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，液體局部壓強(qiáng)下降到等于或低于當(dāng)時(shí)溫度下的汽化壓力時(shí)，給水發(fā)生汽化，產(chǎn)生汽泡，汽泡隨液流進(jìn)入泵內(nèi)較高壓強(qiáng)處時(shí)，汽泡被壓縮而迅速變形破滅，周圍液體以高速射向汽泡中心，對(duì)流道表面產(chǎn)生高達(dá)幾百個(gè)大氣壓的沖擊，造成壁面材料剝蝕，其破壞機(jī)理可以歸納為機(jī)械作用、化學(xué)腐蝕作用、電化學(xué)作用和熱力學(xué)作用[1]。汽蝕發(fā)生后會(huì)影響泵的揚(yáng)程、流量等，達(dá)不到額定出力，汽蝕發(fā)展到一定程度后，甚至能夠堵塞流道，對(duì)泵造成較大損害。火力發(fā)電廠給水泵發(fā)生汽蝕的原因有多種，常見的原因有低壓給水管道設(shè)計(jì)缺陷[2]，出口流量大幅波動(dòng)[3]，現(xiàn)場(chǎng)安裝不合要求[4]，給水欠焓較低[5]等。

越南某622.5MW 火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)有一臺(tái)FK5F32（1）M 型電動(dòng)給水泵組，配套于機(jī)組30%負(fù)荷容量，其前置泵額定性能參數(shù)為：流量703.5m3/h，揚(yáng)程100m，必須汽蝕余量為4.09m，轉(zhuǎn)速1490rpm；電泵額定性能參數(shù)為：流量703.5m3/h，揚(yáng)程2310m，必須汽蝕余量為35.18m，轉(zhuǎn)速5486rpm。在機(jī)組啟停需要啟停電泵時(shí)，電泵給水需要走最小流量回路直至滿足壓力要求，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定切泵，最小流量回路由電泵出口至除氧器，管路上依次設(shè)置閘閥，再循環(huán)調(diào)閥，閘閥及旋啟式止回閥。在一次啟機(jī)過程中，當(dāng)汽泵已并入運(yùn)行準(zhǔn)備停電泵時(shí)，在電泵轉(zhuǎn)速下降并已切入最小流量回路后，電泵發(fā)生汽蝕，芯包嚴(yán)重?fù)p壞。論文結(jié)合此次電泵發(fā)生汽蝕的實(shí)際運(yùn)行及故障情況，對(duì)該電泵發(fā)生汽蝕的誘因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

2 電泵汽蝕現(xiàn)象

該電廠在啟機(jī)后升負(fù)荷階段，汽泵已投入，電泵降轉(zhuǎn)速切至最小流量管路后，電泵轉(zhuǎn)速維持3100rpm，出口壓力約9.59MPa，約3min 后，突然在除氧器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電泵轉(zhuǎn)速及出口壓力出現(xiàn)大幅度反向波動(dòng)，電泵轉(zhuǎn)速高峰值達(dá)到5071rpm，出口壓力同時(shí)降低至1.44MPa，電泵機(jī)封位置冒出白煙，隨即手動(dòng)停電泵。清理電泵自密封水磁棒后，重新啟動(dòng)，勺管開度開至13%時(shí)，電泵轉(zhuǎn)速仍為0，電泵已抱死無法盤車。根據(jù)轉(zhuǎn)速及壓力等參數(shù)，推斷電泵可能發(fā)生嚴(yán)重汽蝕。電泵芯包隨后被抽出送回工廠返修，經(jīng)檢查，各級(jí)葉輪與泵殼、平衡鼓與節(jié)流襯套、多級(jí)葉輪間發(fā)生咬合，如圖1所示，同時(shí)大軸彎曲，超過校正范圍，芯包整體報(bào)廢。

圖1 平衡鼓與節(jié)流襯套咬合痕跡

3 原因分析

該泵在3100rpm 穩(wěn)定運(yùn)行3min 后開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)速及出口大力的大幅波動(dòng)，以此時(shí)的參數(shù)來初步判定汽蝕發(fā)生原因。此時(shí)的參數(shù)如下：機(jī)組負(fù)荷179.95MW，除氧器抽汽壓力0.29MPa（a），除氧器出水溫度133.55℃，前置泵入口壓力0.53MPa（a），電泵出口壓力9.59MPa（a），電泵最小流量閥閥位99%。

汽蝕能否發(fā)生取決于液體局部壓強(qiáng)是否能保證始終大于汽化壓力，以水頭來考量，即泵的有效汽蝕余量（NPSHa）需不小于泵的必須汽蝕余量（NPSHr）。泵的必需汽蝕余量與泵的葉型及轉(zhuǎn)速等泵固有參數(shù)相關(guān)，確定必需汽蝕余量一般通過實(shí)驗(yàn)曲線[6]，泵的有效汽蝕余量與泵及水源的安裝高度差、泵的吸入裝置參數(shù)及給水溫度壓力等參數(shù)有關(guān)，其計(jì)算公式為：

其中，Vd、Pd為除氧器處平均給水比容（m3/kg）及抽汽壓力（Pa），HD為除氧器與電泵安裝高度差（此電廠為27m），為給水管道水頭損失（此電廠為5.3m），VI、PI為電泵入口水溫對(duì)應(yīng)的平均比容（m3/kg）及飽和壓力（Pa），g 為重力加速度。

前置泵入口水溫可通過除氧器出口溫度近似得到，此時(shí)需要注意除氧器壓力突然下降或定壓運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)故障、汽輪機(jī)甩負(fù)荷等暫態(tài)工況下，給水泵入口水溫相比除氧器溫度變化存在滯后，具體滯后時(shí)間為[7]：

其中，Ms為下降管水容量（kg），Ws為給水泵流量（kg/s）。此次事故發(fā)生時(shí)，機(jī)組負(fù)荷略有下降，相應(yīng)的除氧器水溫也有下降，除氧器下降管水容量經(jīng)測(cè)算為6327kg 左右，最小回路流量在200t/h 左右，則前置泵入口溫度滯后時(shí)間為113s，這個(gè)時(shí)間為估算時(shí)間，經(jīng)查DCS 記錄，此時(shí)前置泵入口水溫應(yīng)為134.33℃，略高于除氧器出水溫度133.55℃。在得知前置泵入口壓力、溫度及除氧器參數(shù)后就可以根據(jù)公式計(jì)算，得到在前置泵入口處，前置泵有效汽蝕余量為19.84m，大于前置泵必需汽蝕余量4.09m，前置泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

通俗而言，作為電泵吸入裝置的前置泵正常運(yùn)行則電泵入口壓力一定大于對(duì)應(yīng)的飽和壓力，此時(shí)電泵發(fā)生汽蝕則可能是因?yàn)榱黧w在電泵內(nèi)溫升過高，造成流體在泵內(nèi)汽化。給水在吸入裝置或電泵內(nèi)的溫升原因主要分為兩部分：一是由于機(jī)械摩擦造成的給水溫升；二是設(shè)計(jì)有平衡管的水泵。平衡管自泵出口至泵入口平衡鼓處，部分高溫給水流過節(jié)流襯套進(jìn)入泵入口后造成回流現(xiàn)象引發(fā)溫升。由于摩擦及平衡管回流導(dǎo)致的給水溫升高計(jì)算公式為[8]：

對(duì)于該廠電泵，由于電泵吸入裝置運(yùn)轉(zhuǎn)正常，電泵汽蝕的誘因不太可能是給水壓力過低，而應(yīng)是給水溫升過高，即最小流量條件未能滿足?？紤]到電泵轉(zhuǎn)速正常，則最可能造成最小流量條件不滿足的原因就是管路堵塞，經(jīng)檢查該電泵最小流量回路調(diào)閥籠套發(fā)生堵塞，調(diào)閥后止回閥閥板掉落，堵塞管道。經(jīng)分析，在電泵升負(fù)荷切汽泵時(shí)，止回閥閥板掉落堵塞流道，最小流量管路通流能力急劇下降，流體在經(jīng)過前置泵及電泵后溫升過高，造成汽蝕，汽蝕影響泵的性能進(jìn)而加劇汽蝕現(xiàn)象，最終發(fā)展成汽體堵塞流道，流量降至零，電泵在此過程中持續(xù)受到水沖擊，各級(jí)之間存在著較大作用力，發(fā)生咬死，平衡鼓與節(jié)流襯套因過熱及較大作用力而失效，芯包報(bào)廢。

4 處理及預(yù)防措施

現(xiàn)場(chǎng)工程師隨后組織把損壞的給水泵芯包抽出，運(yùn)回工廠檢修，判定芯包報(bào)廢后，更換了新的芯包。隨后對(duì)管路進(jìn)行了細(xì)致檢查，發(fā)現(xiàn)電泵最小流量閥籠套堵塞后，對(duì)籠套及附近管線進(jìn)行了清理。拆卸止回閥發(fā)現(xiàn)了閥板脫落后，制作了新的轉(zhuǎn)軸，將脫落的止回閥閥板重新安裝并加固。新的芯包到場(chǎng)后，重新對(duì)電泵進(jìn)行了試轉(zhuǎn)。此次事故中，不可否認(rèn)給水流量計(jì)不穩(wěn)定對(duì)運(yùn)行監(jiān)護(hù)造成了一定障礙，但電泵從出現(xiàn)汽蝕到停泵持續(xù)二十分鐘之久，在此期間，從集控室DCS 畫面上可明顯看出，電泵轉(zhuǎn)速及出口壓力出現(xiàn)大幅波動(dòng)，直至電泵機(jī)封處冒煙，運(yùn)行人員未作出任何操作，運(yùn)行監(jiān)護(hù)的缺失也是導(dǎo)致此次事故擴(kuò)大化的重要原因。

為預(yù)防此類事件再次發(fā)生，提出以下幾點(diǎn)建議：

①更換高精度的給水流量計(jì)，使在小流量狀態(tài)下，能夠?qū)﹄姳媒o水流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過DCS 組態(tài)，對(duì)小流量時(shí)，特別是電泵走最小流量回路時(shí)，進(jìn)行監(jiān)控，流量低于最小流量值則自動(dòng)停機(jī)。

②對(duì)損壞的止回閥，建議更換新的旋啟式帶緩閉裝置的止回閥，避免因?yàn)楣苈穳毫ρ杆僮兓瘜?dǎo)致閥門損壞。

5 結(jié)語

越南某622.5MW 電廠在升負(fù)荷切汽泵過程中，電泵發(fā)生嚴(yán)重汽蝕，經(jīng)判定屬于止回閥閥板脫落導(dǎo)致的給水在電泵內(nèi)溫升過高造成汽蝕。回裝加固止回閥后，新電泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常。電泵汽蝕歸根到底是因?yàn)榻o水發(fā)生汽化，為保證不發(fā)生汽蝕，應(yīng)盡量使給水壓力高于給水溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力，同時(shí)給水流量應(yīng)大于廠家要求的最小流量，避免電泵汽蝕。