600 MW機組循環(huán)水泵故障分析及改造

王　勇, 趙新利

(1. 中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司, 上海 200086；　2. 中電神頭發(fā)電廠, 山西朔州 036018)

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600 MW機組循環(huán)水泵故障分析及改造

王勇1, 趙新利2

(1. 中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司, 上海 200086；2. 中電神頭發(fā)電廠, 山西朔州 036018)

某600 MW機組循環(huán)水泵由于設(shè)計、安裝、運行等原因，自投運以來相繼出現(xiàn)軸彎曲、軸斷裂等故障，通過對循環(huán)水泵葉輪和軸的優(yōu)化設(shè)計改造，消除了循環(huán)水泵長期存在的安全隱患，從而提高了循環(huán)水泵運行的安全性、經(jīng)濟性和可靠性。

循環(huán)水泵; 葉輪; 軸; 改造; 可靠性

某電廠2臺600 MW超臨界燃煤機組，每臺機組配置3臺循環(huán)水泵，兩用一備。由于循環(huán)水泵設(shè)計工況和實際運行工況差別較大，自2013年4月投運以來，循環(huán)水泵多次出現(xiàn)振動嚴重超標、軸斷裂、軸彎曲等故障，特別是2013年7—12月，循環(huán)水泵相繼出現(xiàn)4次軸斷裂、軸彎曲等故障，已嚴重威脅到2臺機組的安全穩(wěn)定運行。筆者經(jīng)過分析討論并總結(jié)以往設(shè)計、制造、安裝、檢修等方面的經(jīng)驗，確定了改進優(yōu)化方案。通過對循環(huán)水泵軸系以及葉輪部件的技術(shù)改造，目前6臺循環(huán)水泵運行平穩(wěn)。

1　故障情況

該電廠2臺600 MW超臨界燃煤機組的立式單級單吸蝸殼式循環(huán)水泵的型號為YJG56-45，主要設(shè)計性能參數(shù)見表1。

表1　循環(huán)水泵主要設(shè)計性能參數(shù)

2013年7月9日16：00：00， 2號機組2號循環(huán)水泵下部支持軸套處噴水嚴重，檢查填料并準備加潤滑油時，發(fā)現(xiàn)泵盤根軸套處軸斷裂。

2013年11月7日4：00：00，2號機組3號循環(huán)水泵軸承振動，X、Y向均突增至200 μm左右且亂擺。就地測振：X向48 μm，Y向63 μm，軸承及電動機溫度均正常，且無其他異常。6：00：00，2號機組3號循環(huán)水泵電流擺動，立即啟用備用的2號循環(huán)水泵，停運3號循環(huán)水泵。就地檢查確認2號機組3號循環(huán)水泵軸斷裂。

2013年11月23日15：00：00，1號機組3號循環(huán)水泵泵體內(nèi)有異音。16：30：00，3號循環(huán)水泵電流突然由180 A升至210 A，X向軸振動由204 μm下降至126 μm、Y向軸振動由142 μm下降至51 μm，就地檢查正常。17：25：00，3號循環(huán)水泵上軸承溫度1和下軸承溫度2同時快速由30 ℃上升至78 ℃，緊急停運3號循環(huán)水泵。21：45：00，啟動3號循環(huán)水泵跳泵(電氣保護“過流三段動作”)，退出備用并停電。解體檢查3號循環(huán)水泵發(fā)現(xiàn)泵軸從盤根套處斷裂。

2013年12月6日10：00：00，2號機組2號循環(huán)水泵電流突然由175 A升至195 A，X向軸振動由86 μm升至204 μm、Y向軸振動204 μm，泵體內(nèi)有異音且振動增大，緊急停運2號循環(huán)水泵，解體檢查發(fā)現(xiàn)盤根襯套碎成5塊，盤根套處軸彎曲，盤根室盤根襯套處有裂紋。

2　故障原因分析

根據(jù)故障現(xiàn)象進行多次分析、總結(jié)，基本確定故障主要是由五方面原因?qū)е碌摹?/p>

2.1 偏離設(shè)計工況運行

該型號循環(huán)水泵性能曲線見圖1。

圖1　循環(huán)水泵原設(shè)計性能曲線圖

三泵并聯(lián)運行的設(shè)計流量Q=6.5 m3/s、揚程H=21.7 m(見圖2)；兩泵并聯(lián)運行時Q=7.3 m3/s、H=17.0 m(見圖3)。現(xiàn)場實際三泵并聯(lián)運行揚程、流量、效率分別為18 m、7.2 m3/s、83%。現(xiàn)場實際兩泵并聯(lián)運行揚程、流量、效率分別為11 m、8.44 m3/s、58%。因此實際運行工況嚴重偏向大流量、低揚程。大流量、低揚程工況運行會引起泵內(nèi)圓周方向的徑向力不平衡，大大增加泵葉輪處的徑向力。徑向力增加使軸的綜合受力增加，撓度增大。

圖2　原葉輪三泵并聯(lián)運行性能曲線圖

圖3　原葉輪兩泵并聯(lián)運行性能曲線圖

為了對軸進行定性分析，對偏工況運行時軸的徑向力和葉輪處軸的最大撓度進行了計算。

2.1.1 兩泵運行的實際工況徑向力計算

由葉輪外緣壓力分布不均產(chǎn)生的徑向力可表示為：

F=KrHD2B2γ

(1)

從徑向力系數(shù)公式中可以看出：最高效率點時徑向力系數(shù)最小，大流量點與小流量點的徑向力系數(shù)應(yīng)相對于最高效率點成對應(yīng)關(guān)系。從圖1可知：循環(huán)水泵最高效率點流量Qn=6.2 m3/s，最大工況流量為兩泵并聯(lián)運行時實際流量，即Q=8.44 m3/s。蝸殼泵在設(shè)計點的徑向力相互平衡， 為最小，偏離設(shè)計工況時的流量點與徑向力關(guān)系見圖4和表2。從圖4可知：工況點8與工況點2對應(yīng)，Kr=0.213，最大流量工況徑向力F=3 950 kg。

圖4　流量點與徑向力關(guān)系圖

工況描述流量/(m3·s-1)Q/QnKr徑向力/kg1關(guān)死點000.36074852與序號8相對應(yīng)點3.900.6400.21339503與序號7相對應(yīng)點5.100.8230.11617974與序號6相對應(yīng)點5.900.9520.0344625最高效率點Qn6.201.0000.0303776三泵并聯(lián)運行點6.501.0480.0344627兩泵并聯(lián)運行點7.301.1770.11617978偏大工況點8.441.3600.2133950

注：最高效率點流量Qn=6.20 m2/s，揚程H=23.7 m。

由葉輪不平衡引起的徑向力可表示為：

C=mω2r

(2)

式中：m為葉輪允許不平衡重，kg；ω為角速度，rad/s；r為葉輪出口半徑。因此由葉輪不平衡引起的徑向力C=46 kg。

總徑向力G=F+C=3 950+46=3 996 kg。

2.1.2 最大撓度計算

葉輪重心位置軸的撓度y可表示為[1]：

(3)

式中：G為總徑向力，kg；a為葉輪重心位置至下軸承的距離，cm；l為軸承的跨距，cm；E為彈性模量，N/mm2；J為轉(zhuǎn)動慣量，N·m。

偏離工況大流量點時葉輪重心位置的最大撓度y=2.72 mm。

設(shè)計工況下，雙泵并聯(lián)運行時所受的徑向力比三泵并聯(lián)時的大，以雙泵并聯(lián)運行時所受的徑向力來核算此時設(shè)計工況下軸的最大撓度y=1.25 mm。

通過以上計算得知：循環(huán)水泵偏離工況運行時葉輪重心位置軸的撓度最大為 2.72 mm，正常運行工況時軸的最大撓度為 1.25 mm, 偏離設(shè)計工況運行時軸的撓度偏大，運行時極易引起口環(huán)處的摩擦，產(chǎn)生振動和噪聲，進而引起軸的疲勞破壞而斷裂。這是導(dǎo)致循環(huán)水泵軸斷裂、軸彎曲的主要原因。

2.2 循環(huán)水泵軸強度偏低

該泵軸因設(shè)計和制造的原因?qū)е聫姸绕停?臺循環(huán)水泵先后發(fā)生過4次軸斷裂、軸彎曲，從解體情況來看軸斷裂的位置多為盤根軸套處(見圖5)，表明泵軸設(shè)計存在應(yīng)力集中的問題，且設(shè)計安全系數(shù)偏小，極易產(chǎn)生軸疲勞斷裂。如再因為動靜部分不同心引起的偏磨必將會加快斷裂速度。

圖5　循環(huán)水泵軸斷裂位置示意圖

2.3 泵電聯(lián)軸器同心度不合格

從泵電聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)來看，兩只聯(lián)軸器及調(diào)整墊端面的平行度、垂直度、同心度如果加工精度達不到標準，將會對軸系晃度產(chǎn)生很大的影響。3臺循環(huán)水泵的檢修中均發(fā)現(xiàn)了此問題的存在。

2.4 吸入流道進水流態(tài)不好

吸入流道的作用是為了使水流在流向葉輪室的過程中均勻收縮，為葉輪提供良好的進水流態(tài)，避免進水流態(tài)對葉輪的不良影響。因為不良的進水流態(tài)不僅會影響葉輪的效率，也會引起泵組的振動。

2.5 葉輪自身的平衡性較差

葉輪制造工藝不佳，靜平衡試驗標準偏低，出廠安裝運行后，因靜平衡性能較差導(dǎo)致泵組振動超標。

3　故障處理對策

為解決循環(huán)水泵偏離設(shè)計工況問題，保證泵長期安全、經(jīng)濟運行，根據(jù)現(xiàn)場運行情況對循環(huán)水泵進行改造。

(1) 重新設(shè)計安全、高效的新型葉輪并提高制造和加工工藝。新葉輪設(shè)計加工完成后，與原葉輪相比，其安全、經(jīng)濟性均有提高。現(xiàn)場三泵、兩泵實際運行揚程分別為18 m、11 m，查試驗曲線得三泵、兩泵實際運行時的單泵流量分別為7.2 m3/s、8.44 m3/s。代入管路裝置管阻公式H=HB+KQ2，其中HB=0，將三泵、兩泵數(shù)據(jù)分別代入公式求得K值，見表3。

表3　三泵、兩泵并聯(lián)運行系數(shù)K值匯總表

畫出泵站管路裝置管阻曲線圖；同時把泵的流量揚程運行曲線畫在同一圖上，泵的流量揚程曲線與管路管阻曲線的相交點即為工況運行點，兩泵并聯(lián)的流量揚程曲線是單泵的揚程不變，流量乘以2得到的曲線。 泵的舊葉輪和新葉輪方案的兩泵的并聯(lián)運行性能曲線比較，見圖6。從圖6中可以看出：更換新葉輪方案兩泵并聯(lián)在高效區(qū)時，效率為 83%。因此更換新型葉輪是比較理想又經(jīng)濟的方法。更換新葉輪后泵的性能參數(shù)見表4。

H—設(shè)計揚程；H1—舊葉輪揚程；H2—新葉輪揚程；η1—舊葉輪

效率；η2—新葉輪效率。

(2) 對泵軸強度進行了校核計算，重新設(shè)計了泵軸，提高了泵軸的強度，同時解決了泵軸應(yīng)力集中的問題。

(3) 現(xiàn)場對泵電聯(lián)軸器的平行度、垂直度、同心度進行檢測和修復(fù)。泵組部件安裝完畢后，檢查調(diào)整電動機水平度≤0.000 03。電動機水平度調(diào)整好后與水泵聯(lián)軸器同心≤0.03 mm，通過水泵聯(lián)軸器和電動機聯(lián)軸器外圓打跳動，跳動誤差不超過0.05 mm。

(4) 對進水喇叭管重新設(shè)計加工，對流道型線進行了優(yōu)化。改型后的進水喇叭管有效過流面增大，進水流速減小，喇叭管內(nèi)流速變化均勻，進水喇叭管內(nèi)水力損失小，從而減少流體對葉輪產(chǎn)生的外擾力。

(5) 提高制造工藝水平，嚴格控制葉輪鑄造、葉片型線打磨工藝和靜平衡試驗標準。

4　改造后的效果

4.1 經(jīng)濟性分析

循環(huán)水泵改造完成以后，從性能曲線分析，三泵和兩泵并聯(lián)時運行在高效區(qū)效率分別為86.9%和83.0%，提高了工作效率。更換新葉輪方案是根據(jù)雙泵和三泵并聯(lián)運行時的流量，在管路裝置管阻曲線上找到雙泵和三泵對應(yīng)的揚程，以三泵并聯(lián)工況點為設(shè)計點。從曲線上看出：改造后不僅雙泵、三泵運行流量能滿足要求，而且因泵的運行效率提高，解決了泵大幅偏離設(shè)計工況引起的徑向力過大的問題，軸功率比改造前降低近 130 kW。改造前， 1號機組額定負荷運行時，2臺循環(huán)水泵并聯(lián)運行循環(huán)水流量仍不能滿足需求，需要3臺循環(huán)水泵并聯(lián)運行；改造后，機組額定負荷運行時，2臺循環(huán)水泵就可滿足要求(夏季高溫時除外)，實現(xiàn)了2臺運轉(zhuǎn)1臺備用，大幅度降低了機組的廠用電。

循環(huán)水泵改造后，節(jié)能效果明顯，取得了良好的經(jīng)濟效益。

4.2 可靠性分析

循環(huán)水泵改造完成一年以來，再沒有出現(xiàn)軸斷裂、軸彎曲等嚴重故障；同時循環(huán)水泵雙泵并聯(lián)運行時，電動機軸承、泵軸承的振動都達到了優(yōu)秀值(見表5)，循環(huán)水泵運行穩(wěn)定性和可靠性大幅提高。

表5　循環(huán)水泵運行參數(shù)

5　結(jié)語

通過循環(huán)水泵軸強度的加強改進、葉輪的優(yōu)化設(shè)計和高標準的制造加工，以及現(xiàn)場檢修、安裝工藝的改進，消除了循環(huán)水泵原有軸斷裂、軸彎曲、振動大等安全隱患，提高了循環(huán)水泵運行的可靠性。目前，該循環(huán)水泵已連續(xù)運行一年多，運行穩(wěn)定。更換新葉輪后，提高了循環(huán)水泵的工作效率；同時，1號機組額定負荷運行，實現(xiàn)了循環(huán)水泵兩用一備，降低了廠用電耗，取得了良好的經(jīng)濟效益。

今后電廠將在運行、檢查、檢修、安裝工藝等方面持續(xù)改進，最終實現(xiàn)循環(huán)水泵的長周期安全、經(jīng)濟運行，可為同類型水泵問題的處理提供了行之有效的思路和方法。

[1] 吳宗澤. 機械設(shè)計實用手冊[M]. 2版. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2001.

Fault Analysis and Retrofit of a Circulating Water Pump for 600 MW units

Wang Yong1, Zhao Xinli2

(1. Zhongdian Huachuang Electric Power Technology Research Co., Ltd., Shanghai 200086, China;2. Zhongdian Shentou Power Plant, Shuozhou 036018, Shanxi Province, China)

The circulating water pump of a 600 MW unit has successively been troubled by major faults like shaft bending and breaking due to reasons lying in the design, installation and operation, etc., since its formal operation. Through optimal design and retrofit on the impeller and shaft, the long-standing safety problems related to the circulating water pump are solved, resulting in greatly improved safety, economical efficiency and reliability of the circulating water pump in operation.

circulating water pump; impeller; shaft; retrofit; reliability

2015-12-22

王勇(1976—)，男，高級工程師，主要從事汽輪機主輔機新技術(shù)應(yīng)用、節(jié)能以及可靠性研究。

E-mail: wangyong01976@163.com

運行與改造

TK264.1

A

1671-086X(2016)04-0260-05