循環(huán)水泵超功率的原因分析與處理

任競(jìng)

摘 要：某電站循環(huán)水泵在首次啟動(dòng)時(shí)，測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果表明循環(huán)水泵存在超功率、超流量的現(xiàn)象。在排除記錄儀表故障、精度等誤差后，對(duì)前述情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，最終確定了三點(diǎn)原因，文章綜合對(duì)比了五種處理方案，最終決定采用切割葉輪的方法，鑒定后確認(rèn)泵的性能曲線基本滿足合同要求的性能曲線。

關(guān)鍵詞：循環(huán)水泵；超功率；詳細(xì)分析；處理方案；葉輪切割；再鑒定

中圖分類(lèi)號(hào)：TM623 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）15-0161-02

前期某電站早在建設(shè)階段部分設(shè)備曾出現(xiàn)過(guò)一些技術(shù)問(wèn)題，最終均得到順利解決。筆者近期負(fù)責(zé)了循環(huán)水泵的采購(gòu)與參與了部分合同執(zhí)行工作，為此對(duì)前期項(xiàng)目曾出現(xiàn)的部分技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了整理與歸納，以期對(duì)后續(xù)項(xiàng)目有所借鑒與參考。

電站循環(huán)水泵（以下簡(jiǎn)稱“循泵”）功能為向凝汽器提供冷卻水，某電站（以下簡(jiǎn)稱“P項(xiàng)目”）每臺(tái)機(jī)組配置兩臺(tái)循環(huán)水泵，供應(yīng)商為國(guó)外廠家（以下簡(jiǎn)稱A），泵型為混流式、混凝土蝸殼循環(huán)水泵，齒輪箱與電機(jī)分包商也均為國(guó)外廠家。

在安裝工作及靜態(tài)試驗(yàn)完成，確認(rèn)具備啟動(dòng)條件后，便對(duì)該電站第一臺(tái)機(jī)組2號(hào)循泵（002PO）進(jìn)行了首次性能試驗(yàn)，數(shù)據(jù)顯示，在設(shè)計(jì)入口壓力下，循泵流量與電機(jī)功率均比系統(tǒng)要求的設(shè)計(jì)值高。隨后對(duì)該機(jī)組1號(hào)循泵（001PO）也進(jìn)行了首次啟動(dòng)，得到了相同的結(jié)果。

該電站建設(shè)承包方邀請(qǐng)循泵供貨A廠家現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工程師到現(xiàn)場(chǎng)，親自啟動(dòng)了001PO性能試驗(yàn)，并更加精確地測(cè)量了相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確認(rèn)此問(wèn)題真實(shí)存在，各方隨即展開(kāi)了原因分析及落實(shí)最終的處理方案。

1 合同中規(guī)定的性能參數(shù)

原約定的參數(shù)見(jiàn)表1。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

在首次啟動(dòng)發(fā)現(xiàn)循環(huán)水泵存在超功率問(wèn)題后，為了得到更準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨后又分別于6月19日、6月23日兩次啟動(dòng)了001PO，持續(xù)時(shí)間分別為5 h與3 h。

在此過(guò)程中收集了系統(tǒng)、設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)泵性能試驗(yàn)特性曲線如圖1所示。

從上述圖表中的數(shù)據(jù)可看出，電機(jī)的輸入功率為6 950 kW，比電機(jī)的額定功率6 500 kW超出7%，比電機(jī)的最大消耗功率6 233 kW超過(guò)約11.5%，電機(jī)穩(wěn)定電流在710 A左右，比額定電流633 A超出了約12%，流量36.7 m3/s比設(shè)計(jì)的額定流量32.165 m3/s超出約14%，從上述結(jié)果可知，該泵的Q-H性能曲線較大程度上偏離了合同要求的性能曲線，對(duì)此展開(kāi)如下原因分析。

3 原因分析

在確認(rèn)循環(huán)水泵超功率的問(wèn)題后，根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)及認(rèn)真分析，鎖定導(dǎo)致該問(wèn)題的原因有系統(tǒng)阻力偏低、泵實(shí)際轉(zhuǎn)速偏高與泵幾何尺寸偏大三個(gè)，具體描述如下。

3.1 系統(tǒng)阻力偏低

泵工作點(diǎn)為系統(tǒng)阻力曲線與泵性能曲線（流量-揚(yáng)程）的交點(diǎn)，經(jīng)過(guò)仔細(xì)核查，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水泵系統(tǒng)的實(shí)際阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)阻力，在性能曲線不變的情況下，交點(diǎn)沿著性能曲線向右下方移動(dòng)，致使泵的揚(yáng)程降低、流量增大。

3.2 泵實(shí)際轉(zhuǎn)速偏高

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，泵的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為160 rpm，但電機(jī)和齒輪箱的設(shè)計(jì)輸入?yún)s為161 rpm，由于實(shí)際制造過(guò)程中存在一定允許的偏差，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的循泵實(shí)際轉(zhuǎn)速為161.8 rpm，與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速存在約1.13%的偏差。根據(jù)比例定律公式：

Q2/Q1=n2/n1

H2/H1=（n2/n1）2

P2/P1=（n2/n1）3

致使流量、揚(yáng)程、軸功率都增加，但據(jù)計(jì)算僅轉(zhuǎn)速增加不會(huì)導(dǎo)致功率的大幅上漲。

3.3 泵葉輪的幾何尺寸偏大

除本文討論的P項(xiàng)目外，廠家A在本次供貨前也曾為其他電站項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱Q項(xiàng)目）提供過(guò)循環(huán)水泵，二者使用了相同的水力模型。

鑒于Q項(xiàng)目循泵運(yùn)行良好，A廠家在Q項(xiàng)目原型泵基礎(chǔ)上，考慮一定線性比例因子后設(shè)計(jì)了P項(xiàng)目循泵，據(jù)A廠家反饋該比例因子為1.236；當(dāng)發(fā)現(xiàn)P項(xiàng)目循環(huán)水泵的超功率問(wèn)題后，A廠家經(jīng)過(guò)重新核算，得出上述線性比例因子應(yīng)為1.212（誤差值為2.4%）。

根據(jù)相似定律，流量與線性比例因子的立方成正比，揚(yáng)程與線性比例因子的平方成正比，而功率與該因子的五次方成正比，目前該比例因子的誤差值為2.4%，則該誤差將導(dǎo)致循泵流量、揚(yáng)程與功率的顯著增大。

4 解決方案分析

針對(duì)前述三種原因，制定如下四種解決方案。

4.1 切割葉輪，減小葉輪直徑

循泵為混流泵，滿足切削定律，相應(yīng)公式如下：

對(duì)循環(huán)水泵葉輪進(jìn)行切割，根據(jù)上述公式可知，葉輪直徑減小，其它幾何尺寸不變（忽略出口處葉片寬度的微小變化），可減小泵的流量，降低電機(jī)功率，但會(huì)使泵的揚(yáng)程降低。

為達(dá)到合同規(guī)定的技術(shù)性能要求，廠家A計(jì)算原循泵葉輪半徑需車(chē)削掉51.5 mm，車(chē)削后水泵性能曲線將向下平移，可基本與合同要求的特性曲線重合，相關(guān)比較見(jiàn)表2。

另外，由于循環(huán)水流量增加，根據(jù)汽輪機(jī)組輸出功率和循環(huán)水流量的關(guān)系曲線，輸出功率可提高近0.08%（約800 kW），但實(shí)際能否增加機(jī)組的輸出功率以及增加多少還與凝汽器是否能達(dá)到該流量下對(duì)應(yīng)的真空值有關(guān)。

綜上，該方法可以達(dá)到降低循泵流量與電機(jī)功率的目標(biāo)；但所需工作量較大、實(shí)施難度也較大，預(yù)計(jì)4臺(tái)循環(huán)水泵全部車(chē)削葉輪，以及拆卸、安裝與調(diào)試共需5個(gè)月以上，無(wú)法滿足工程進(jìn)度。

4.2 更換齒輪箱

不對(duì)電機(jī)進(jìn)行更換，僅更換齒輪箱，在電機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下改變齒輪箱太陽(yáng)輪和行星輪的轉(zhuǎn)速比，以降低水泵轉(zhuǎn)速。

根據(jù)比例定律公式，轉(zhuǎn)速下降，流量、揚(yáng)程和功率均可得到降低：

為達(dá)到合同規(guī)定的技術(shù)性能要求，廠家A計(jì)算轉(zhuǎn)速需由原來(lái)的161.8 rpm降低至155.3 rpm，齒輪箱變比將由原來(lái)的1：4.6降低為1：4.8，轉(zhuǎn)速降低后水泵性能曲線將向下平移，可基本與合同要求的特性曲線重合。

綜上，該方法可以達(dá)到降低循泵流量與電機(jī)功率的目標(biāo)，且較葉輪車(chē)削，工期短、工作量小；但由于需重新設(shè)計(jì)、制造齒輪箱，成本較高，且齒輪箱的制造工期較長(zhǎng)（約1 a）。

4.3 增加循環(huán)水泵系統(tǒng)阻力

由于循環(huán)水泵系統(tǒng)的實(shí)際阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)阻力，則可修改循泵蝸殼和涵道結(jié)構(gòu)，或在凝汽器出水側(cè)管路中增加節(jié)流孔板，增大系統(tǒng)阻力，從而改變循泵工作點(diǎn)，達(dá)到提高揚(yáng)程與減少流量的目的，但功率會(huì)稍有增加。在現(xiàn)有循泵嚴(yán)重超功率的情況下，該種方法不可取。

4.4 更換大功率的電機(jī)

現(xiàn)有循泵嚴(yán)重超功率，可考慮更換更大功率電機(jī)，但該種方案所需工期較長(zhǎng)（2 a），不滿足工程進(jìn)度；而且更換的電機(jī)功率將達(dá)到8 000 kW，成本較高，經(jīng)濟(jì)型較差。

5 最終采取的處理方案

根據(jù)前述幾種方案的對(duì)比分析，在綜合考慮各種因素后，各方最終決定采用第一種解決方案，且根據(jù)計(jì)算切削后的性能參數(shù)：

Q=126 000 m3/h，H=15 m，P=5 800 kW

可以滿足循環(huán)水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行工況要求，同時(shí)，為保證葉輪切割質(zhì)量，電站總承包方要求切削后的葉輪要單獨(dú)進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)。

5.1 葉輪切削后以及性能試驗(yàn)結(jié)果

確定方案后，在各方的通力合作下，4臺(tái)循泵均進(jìn)行了切削（葉輪直徑從2 879 mm減少到2 776 mm），在動(dòng)平衡試驗(yàn)合格后，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了回裝，并對(duì)1、2號(hào)循泵進(jìn)行了再鑒定性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果基本與預(yù)期相同，見(jiàn)表3。

5.2 結(jié)論及安全性評(píng)價(jià)

綜上，葉輪切削后，循泵流量、揚(yáng)程和功率均得到了明顯下降，基本滿足了系統(tǒng)運(yùn)行要求，雖然軸功率上漲較多，且電機(jī)輸入功率（6 550 kW）稍微超過(guò)了電機(jī)額定功率（6 500 kW），但據(jù)測(cè)試?yán)@組溫升很低，電機(jī)廠家通過(guò)分析計(jì)算，認(rèn)為即使在特殊工況下電機(jī)輸入功率短時(shí)達(dá)到6 700 kW，也不會(huì)對(duì)電機(jī)壽命造成影響。

此外，循環(huán)水泵由LGD/LGE中壓盤(pán)供電，不影響LHA/LHB應(yīng)急母線的負(fù)載，因此不影響應(yīng)急柴油機(jī)的帶載能力，因此供電系統(tǒng)也是安全的。最終，電站營(yíng)運(yùn)者經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、計(jì)算與分析，也認(rèn)可了循泵葉輪切削方案，認(rèn)為最終試驗(yàn)結(jié)果可以保證循泵的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

至此，循環(huán)水泵超功率問(wèn)題得到滿意的處理，同時(shí)也為后續(xù)其它項(xiàng)目提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭立君.泵與風(fēng)機(jī)[M].北京：中國(guó)電力工業(yè)出版社，1982.