變頻調(diào)速給水泵平衡盤磨損原因分析及對策

周柏成，茆亞平，姜冠軍

（江蘇國信儀征熱電有限責(zé)任公司，江蘇 揚州 225000）

0 引言

火力發(fā)電廠給水泵的主要功能是將除氧器中的飽和水增壓后送至鍋爐高壓汽包，給水泵作為火力發(fā)電廠中的重要輔機(jī)，其可靠性直接關(guān)系著電廠的安全經(jīng)濟(jì)運行[1-2]。給水泵揚程高、流量大，一般采用級數(shù)多、葉輪同一方向排列的多級離心泵，運行時轉(zhuǎn)子在葉輪前后壓差的作用下，需要承受較大的軸向推力，一般大型多級高壓給水泵運行時軸向推力可達(dá)幾萬牛頓[3-5]。為了消除給水泵中巨大的軸向推力，需采用平衡裝置來平衡轉(zhuǎn)子的軸向推力。目前，多級給水泵主要采用平衡盤和平衡鼓來平衡軸向推力[6-7]，其中平衡盤的使用更為廣泛。變頻調(diào)速給水泵節(jié)能效果明顯[8-12]，但由于設(shè)計、維護(hù)、運行等原因，在變頻調(diào)速給水泵使用過程中，平衡盤磨損是給水泵常見的故障之一。平衡盤的異常磨損將導(dǎo)致給水泵振動增大、軸承損壞、機(jī)封漏水，嚴(yán)重時甚至?xí)斐山o水泵動靜摩擦、電機(jī)燒毀等故障[13-14]，因此查明平衡盤異常磨損原因、找準(zhǔn)對策方法，對給水泵安全運行具有重要意義。本文分析了某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組變頻調(diào)速給水泵平衡盤磨損的原因，并提出相應(yīng)的解決措施。

1 設(shè)備概況

某公司2×100 MW 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，采用一拖一分軸布置。燃?xì)廨啓C(jī)為美國通用電氣公司生產(chǎn)的6F.03 燃?xì)廨啓C(jī)。汽輪機(jī)為雙壓、沖動、單缸、單排汽抽凝式汽輪機(jī)。余熱鍋爐為雙壓、無補(bǔ)燃、自然循環(huán)余熱鍋爐，鍋爐高壓蒸汽額定蒸發(fā)量為121.06 t/h、壓力為6.97 MPa、溫度為542 ℃；低壓蒸汽額定蒸發(fā)量為16.42 t/h、壓力為0.47 MPa、溫度為219.1 ℃。

1.1 高壓給水系統(tǒng)

余熱鍋爐高壓給水系統(tǒng)包括1 臺除氧器、2 臺100%容量給水泵及相應(yīng)的管道、閥門、濾網(wǎng)等附件。其中除氧器與低壓汽包采用一體化設(shè)計，即低壓汽包鍋筒作為除氧器水箱，來自低壓汽包鍋筒的飽和水，經(jīng)過給水泵增壓后送至高壓汽包，給水泵出口設(shè)有最小流量閥，最小流量閥旁路通過再循環(huán)管路回到低壓汽包鍋筒，高壓給水系統(tǒng)見圖1。

圖1 高壓給水系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of high pressure feed water system

1.2 給水泵

給水泵由上海凱士比泵有限公司生產(chǎn)制造，型號為HGC3/11，額定流量149 t/h、揚程913.5 m、額定轉(zhuǎn)速2980 r/min、進(jìn)口壓力0.52 MPa，電機(jī)驅(qū)動，軸端密封。給水泵采用平衡盤來平衡軸向推力，同時設(shè)有啟停裝置。2 臺給水泵均為調(diào)速型給水泵，采用高壓變頻器調(diào)速，給水泵典型工況對應(yīng)轉(zhuǎn)速的特性曲線（Q-H）如圖2所示。給水泵變頻啟動過程中的升速曲線由變頻器程序預(yù)設(shè)的加速時間控制，由0平均升速至額定轉(zhuǎn)速2980 r/min時間為180 s。運行人員可以通過分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）給變頻器任一頻率指令來控制給水泵轉(zhuǎn)速，但升、減速的速率只能按照變頻器設(shè)定的升、減速曲線進(jìn)行。

圖2 給水泵典型工況對應(yīng)轉(zhuǎn)速的特性（Q-H）曲線Fig.2 Characteristic (Q-H) curve of speed corresponding to typical working conditions of feed water pumps

1.3 最小流量閥

最小流量閥采用德國蘇爾達(dá)帶止回功能的TDM 型自動再循環(huán)閥，型號為TDM137FUW-CS，形式為多級節(jié)流串式，主路為彈簧式止回閥，旁路為帶自動感應(yīng)啟閉功能的多節(jié)減壓機(jī)構(gòu)，主路和旁路均具有止回功能。當(dāng)給水泵無流量或流量很小時，為防止給水泵過熱和汽蝕，保證給水泵的最小流量，在給水泵出口設(shè)置最小流量閥，以保證給水泵在任何情況下出口流量均大于給水泵規(guī)定的最低安全流量，即最小流量[15]。如圖1所示，最小流量閥安裝在給水泵出口閥與泵體之間，旁路出口連接至低壓汽包鍋筒，因此又叫再循環(huán)止回閥[16]。

2 工作原理

2.1 平衡盤

平衡盤具有自動平衡軸向推力的作用，可以根據(jù)軸向推力的變化，改變平衡盤的位置，達(dá)到自動平衡軸向推力的目的[17-19]。平衡盤裝在泵軸上，是平衡裝置的轉(zhuǎn)動部件；平衡板裝在出水殼體上，是平衡裝置的靜止部件。平衡盤的工作原理如圖3所示，末級葉輪流出的一部分高壓水經(jīng)過徑向間隙b0（節(jié)流套與泵軸間隙），進(jìn)入由平衡盤和平衡板構(gòu)成的平衡室，此時高壓水進(jìn)入平衡室后壓力由P降至P’，平衡板與平衡盤之間泄露的水（壓力為Pv）流入給水泵入口，與給水泵內(nèi)壓力相近。P’遠(yuǎn)高于Pv，平衡盤在P’和Pv的壓差作用下推動整個轉(zhuǎn)子部件朝出水側(cè)方向移動，稱為平衡盤的平衡力，用來平衡進(jìn)水側(cè)方向的軸向推力[20-21]。平衡盤與平衡板之間的間隙隨軸向推力而不斷變化以實現(xiàn)動態(tài)平衡。當(dāng)平衡盤的平衡力小于軸向推力時，在剩余軸向推力的作用下轉(zhuǎn)子向進(jìn)水側(cè)移動，其間隙b減小，導(dǎo)致b處泄流量減小，使平衡室中的壓力P’逐步升高，平衡盤的平衡力增大。當(dāng)平衡盤的平衡力大于軸向推力時，平衡盤推動轉(zhuǎn)子向出水側(cè)移動，間隙b增大，導(dǎo)致b 處泄流量增大，平衡室中的壓力P’又會降低，平衡盤的平衡力減小，當(dāng)減小到小于軸向推力時，又重復(fù)上述過程。由于慣性力存在，轉(zhuǎn)子始終處于動態(tài)平衡[5]。

圖3 平衡盤工作原理Fig.3 Working principle diagram of balance disc

2.2 最小流量閥

TDM型最小流量閥由主閥和旁路閥構(gòu)成，主路和旁路均具有止回功能，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。主閥為常規(guī)彈簧式止回閥，由彈簧、主閥閥芯、閥體等組成，其作用是防止給水泵出口高壓水倒流。旁路為帶自動感應(yīng)啟閉功能的多級節(jié)流串減壓機(jī)構(gòu)，由控制桿、控制頭、泄壓軸套、泄壓桿、渦流錐套（旁路閥座）、多級渦流錐（旁路閥芯）等組成，通過與主閥相連的控制桿可以在水泵正常運行時控制旁路強(qiáng)制關(guān)閉。旁路閥芯為多級渦流錐，可實現(xiàn)多節(jié)節(jié)流減壓，防止旁路汽蝕[22]，多級渦流錐中間為通孔。

圖4 TDM型最小流量閥結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of TDM minimum flow valve

給水泵啟動初期，主路關(guān)閉，旁路在泄壓桿右側(cè)由泄壓桿、多級渦流錐和渦流錐套形成一個高壓區(qū)。因為多級渦流錐中心與旁路出口相連通，泄壓桿左側(cè)為低壓區(qū)。在壓差的作用下多級渦流錐向左移動，旁路開啟[6]。隨著給水泵出口壓力逐步升高，主閥打開，在控制桿的強(qiáng)制作用下，控制頭推動多級渦流錐向右移動，旁路被強(qiáng)制關(guān)閉。給水泵停止過程中，主閥關(guān)閉，多級渦流錐在壓差的作用下，旁路再次打開。經(jīng)過試驗，當(dāng)給水泵出口壓力低于1.5 MPa時，存在最小流量閥旁路未開啟或未完全開啟的風(fēng)險。

3 平衡盤磨損故障

2×100 MW 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組在調(diào)試及商業(yè)運行初期，多次發(fā)生給水泵振動增大、機(jī)封漏水、軸承溫度高等故障。檢修時，常見的故障有軸瓦磨損、機(jī)械密封動靜摩擦副破損、啟停裝置推力軸承損壞、首級葉輪進(jìn)口處輕微汽蝕等，并且每次檢修均會發(fā)現(xiàn)平衡盤與平衡板磨損嚴(yán)重問題。檢查平衡盤與平衡板表面發(fā)現(xiàn)有松動的金屬條狀切削物，平衡盤與平衡板均存在深度不均的密集條狀溝槽，表面平整度較差，如圖5所示。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，給水泵平衡盤異常磨損發(fā)生的時間以鍋爐溫態(tài)或熱態(tài)啟動上水期間居多，另外，在機(jī)組商業(yè)運行初期發(fā)生過最小流量閥卡澀和內(nèi)漏問題。

圖5 磨損后的平衡盤Fig.5 Worn balance disc

4 原因分析

4.1 機(jī)理分析

4.1.1 低轉(zhuǎn)速運行時平衡力小于軸向力

根據(jù)給水泵平衡盤工作原理，平衡盤是利用末級葉輪出口高壓水的壓力來平衡軸向推力。當(dāng)給水泵轉(zhuǎn)速較低時，相應(yīng)的高壓水壓力也低，經(jīng)過b0節(jié)流套降壓后的壓力P’與平衡室外腔壓力Pv形成的壓差不足以平衡軸向推力，剩余軸向推力只能由給水泵的啟停裝置來平衡。由于啟停裝置僅由4根小彈簧組成，隨著軸向推力增大，啟停裝置將無法平衡，導(dǎo)致平衡盤與平衡板碰磨[23]。因此，分析認(rèn)為當(dāng)給水泵低轉(zhuǎn)速運行時末級葉輪出口水壓低，平衡盤產(chǎn)生的平衡力無法平衡軸向推力，而啟停裝置同樣無法克服此時的軸向推力，造成了平衡盤與平衡板磨損[24]。

4.1.2 低轉(zhuǎn)速運行時給水泵發(fā)生汽蝕

根據(jù)TDM型最小流量閥工作原理可知，給水泵啟動初期TDM 型最小流量閥是通過泄壓軸套兩側(cè)的壓差將旁路開啟的。當(dāng)給水泵啟動初期低轉(zhuǎn)速運行時，出口閥未打開，且出口壓力不足以使最小流量閥泄壓桿左右兩側(cè)形成足夠大的壓差將旁路打開，給水泵就會低于最低安全流量運行，甚至出現(xiàn)“打悶泵”的現(xiàn)象。尤其是余熱鍋爐熱態(tài)上水初期，給水泵進(jìn)口為熱水，若最小流量閥不動作或動作緩慢，給水泵低于最低安全流量運行，泵內(nèi)給水與葉輪摩擦產(chǎn)生的熱量不能被帶走，只能以熱能的形式傳遞至給水，使得給水泵內(nèi)水溫升高。當(dāng)水溫升至給水泵內(nèi)最低壓力處的飽和溫度，就會在最低壓力點發(fā)生汽蝕[25-26]，即在平衡盤低壓側(cè)和首級葉輪進(jìn)口處發(fā)生汽蝕。水泵的汽蝕會引起水泵轉(zhuǎn)子大幅竄動或振動，造成平衡盤和平衡板撞擊、摩擦。若給水泵長時間低于最低安全流量運行，隨著水溫持續(xù)不斷升高，經(jīng)過節(jié)流套降壓后的高溫水也會在平衡盤與平衡板之間發(fā)生汽蝕[27]，導(dǎo)致平衡盤缺水干摩擦。

4.2 原因分析

（1）給水泵變頻器預(yù)設(shè)的加速時間為180 s，即給水泵由0 r/min平均升速至額定轉(zhuǎn)速2980 r/min需180 s。給水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到最低允許轉(zhuǎn)速1000 r/min需60.5 s[28-29]，在此期間給水泵平衡盤存在持續(xù)磨損。

（2）在機(jī)組啟動時，運行人員進(jìn)行鍋爐上水時一般采用給水泵變頻上水的方式。操作步驟為將變頻器輸出調(diào)至25%，隨后60 s 內(nèi)緩慢增加給水泵轉(zhuǎn)速至1500 r/min，再手動緩慢開啟給水泵出口閥向系統(tǒng)注水，期間保持再循環(huán)手動閥開啟。當(dāng)變頻器輸出設(shè)定為25%時，對應(yīng)給水泵轉(zhuǎn)速僅為745 r/min，低于給水泵最低允許轉(zhuǎn)速。按照給水泵的升速曲線，升速至745 r/min需要45 s，此期間平衡盤無法正常工作，最小流量閥未打開，給水泵平衡盤與平衡板存在摩擦。當(dāng)給水泵轉(zhuǎn)速升至745 r/min 后，60 s內(nèi)轉(zhuǎn)速才緩慢升速至1500 r/min，升速率太慢，進(jìn)一步增加了給水泵低轉(zhuǎn)速運行和平衡盤磨損時間。另外，因電網(wǎng)調(diào)峰需要，給水泵啟停頻繁也是平衡盤磨損的原因之一。

（3）在檢修中發(fā)現(xiàn)給水泵最小流量閥中存在大量雜質(zhì)，基建時施工驗收不到位，系統(tǒng)潔凈度差，給水中所含雜質(zhì)進(jìn)入平衡盤系統(tǒng)也會導(dǎo)致平衡盤磨損。

5 處理措施

（1）優(yōu)化變頻給水泵升速曲線，最短時間內(nèi)使給水泵轉(zhuǎn)速升至1000 r/min、出口壓力達(dá)1.5 MPa，減少啟動過程中的低轉(zhuǎn)速運行時間，保證最小流量閥旁路及時開啟。同時需要防止給水泵轉(zhuǎn)速升至1000 r/min 后，升速變化太快、軸向推力變動大，導(dǎo)致平衡盤左右竄動，造成平衡盤磨損。

結(jié)合變頻器和給水泵特性，優(yōu)化變頻給水泵升速曲線，在變頻器內(nèi)設(shè)定兩種加速時間，即設(shè)定兩種給水泵升速曲線，第一種升速曲線轉(zhuǎn)速為0～2980 r/min，時間為15 s；對應(yīng)的0～1000 r/min升速時間為5 s。第二種升速曲線為0 ～2980 r/min，時間為180 s。給水泵啟動時DCS 首先自動選擇第一種升速曲線，5 s內(nèi)給水泵轉(zhuǎn)速升至1000 r/min后，DCS自動切換至第二種升速曲線，從而實現(xiàn)1000 r/min 至2980 r/min 的穩(wěn)定升速，圖6 為變頻給水泵升速曲線。

圖6 變頻給水泵升速曲線Fig.6 Speed-up curves of feed water pump with variable frequency drives

（2）完善給水泵運行方式。鍋爐上水時變頻器輸出開度最低要求為35%，保證5 s內(nèi)給水泵轉(zhuǎn)速升至1000 r/min 以上。當(dāng)進(jìn)行熱態(tài)上水時，給水泵出口流量維持在30 t/h以上，避免小流量運行。

（3）利用機(jī)組調(diào)停及時對給水泵入口濾網(wǎng)進(jìn)行檢查清理，同時在機(jī)組檢修期間堅持做好清潔凈化施工。

（4）完善變頻給水泵的報警邏輯，給水泵啟動后，當(dāng)給水泵轉(zhuǎn)速低于1200 r/min 時，DCS 發(fā)出低轉(zhuǎn)速報警，提醒運行人員及時調(diào)整，避免給水泵低轉(zhuǎn)速運行[16]。

6 結(jié)束語

通過優(yōu)化給水泵變頻升速曲線，完善運行控制措施，縮短了給水泵啟動過程中小于安全流量和最低轉(zhuǎn)速的運行時間，降低了給水泵平衡盤的磨損。采用本文提出的處理措施后，給水泵運行穩(wěn)定，未再發(fā)生平衡盤磨損故障，有效提高了給水泵運行可靠性，可為處理同類給水泵平衡盤磨損提供參考。