600 MW機組循環水泵故障分析及改造

王　勇, 趙新利

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

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600 MW機組循環水泵故障分析及改造

王勇1, 趙新利2

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

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

循環水泵; 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臺循環水泵，兩用一備。由于循環水泵設計工況和實際運行工況差別較大，自2013年4月投運以來，循環水泵多次出現振動嚴重超標、軸斷裂、軸彎曲等故障，特別是2013年7—12月，循環水泵相繼出現4次軸斷裂、軸彎曲等故障，已嚴重威脅到2臺機組的安全穩定運行。筆者經過分析討論并總結以往設計、制造、安裝、檢修等方面的經驗，確定了改進優化方案。通過對循環水泵軸系以及葉輪部件的技術改造，目前6臺循環水泵運行平穩。

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水泵的型號為YJG56-45，主要設計性能參數見表1。

表1　循環水泵主要設計性能參數

2013年7月9日16：00：00， 2號機組2號循環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，發現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號循環水泵電流擺動，立即啟用備用的2號循環水泵，停運3號循環水泵。就地檢查確認2號機組3號循環水泵軸斷裂。

2013年11月23日15：00：00，1號機組3號循環水泵泵體內有異音。16：30：00，3號循環水泵電流突然由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號循環水泵。21：45：00，啟動3號循環水泵跳泵(電氣保護“過流三段動作”)，退出備用并停電。解體檢查3號循環水泵發現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，泵體內有異音且振動增大，緊急停運2號循環水泵，解體檢查發現盤根襯套碎成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

根據故障現象進行多次分析、總結，基本確定故障主要是由五方面原因導致的。

2.1 偏離設計工況運行

該型號循環水泵性能曲線見圖1。

圖1　循環水泵原設計性能曲線圖

三泵并聯運行的設計流量Q=6.5 m3/s、揚程H=21.7 m(見圖2)；兩泵并聯運行時Q=7.3 m3/s、H=17.0 m(見圖3)。現場實際三泵并聯運行揚程、流量、效率分別為18 m、7.2 m3/s、83%。現場實際兩泵并聯運行揚程、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　原葉輪三泵并聯運行性能曲線圖

圖3　原葉輪兩泵并聯運行性能曲線圖

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生的徑向力可表示為：

F=KrHD2B2γ

(1)

從徑向力系數公式中可以看出：最高效率點時徑向力系數最小，大流量點與小流量點的徑向力系數應相對于最高效率點成對應關系。從圖1可知：循環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運行時實際流量，即Q=8.44 m3/s。蝸殼泵在設計點的徑向力相互平衡， 為最小，偏離設計工況時的流量點與徑向力關系見圖4和表2。從圖4可知：工況點8與工況點2對應，Kr=0.213，最大流量工況徑向力F=3 950 kg。

圖4　流量點與徑向力關系圖

工況描述流量/(m3·s-1)Q/QnKr徑向力/kg1關死點000.36074852與序號8相對應點3.900.6400.21339503與序號7相對應點5.100.8230.11617974與序號6相對應點5.900.9520.0344625最高效率點Qn6.201.0000.0303776三泵并聯運行點6.501.0480.0344627兩泵并聯運行點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。

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

通過以上計算得知：循環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, 偏離設計工況運行時軸的撓度偏大，運行時極易引起口環處的摩擦，產生振動和噪聲，進而引起軸的疲勞破壞而斷裂。這是導致循環水泵軸斷裂、軸彎曲的主要原因。

2.2 循環水泵軸強度偏低

該泵軸因設計和制造的原因導致強度偏低，3臺循環水泵先后發生過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)，表明泵軸設計存在應力集中的問題，且設計安全系數偏小，極易產生軸疲勞斷裂。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　循環水泵軸斷裂位置示意圖

2.3 泵電聯軸器同心度不合格

從泵電聯軸器結構來看，兩只聯軸器及調整墊端面的平行度、垂直度、同心度如果加工精度達不到標準，將會對軸系晃度產生很大的影響。3臺循環水泵的檢修中均發現了此問題的存在。

2.4 吸入流道進水流態不好

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，避免進水流態對葉輪的不良影響。因為不良的進水流態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致泵組振動超標。

3　故障處理對策

為解決循環水泵偏離設計工況問題，保證泵長期安全、經濟運行，根據現場運行情況對循環水泵進行改造。

(1) 重新設計安全、高效的新型葉輪并提高制造和加工工藝。新葉輪設計加工完成后，與原葉輪相比，其安全、經濟性均有提高。現場三泵、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、兩泵數據分別代入公式求得K值，見表3。

表3　三泵、兩泵并聯運行系數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在高效區時，效率為 83%。因此更換新型葉輪是比較理想又經濟的方法。更換新葉輪后泵的性能參數見表4。

H—設計揚程；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，重新設計了泵軸，提高了泵軸的強度，同時解決了泵軸應力集中的問題。

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

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

(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 經濟性分析

循環水泵改造完成以后，從性能曲線分析，三泵和兩泵并聯時運行在高效區效率分別為86.9%和83.0%，提高了工作效率。更換新葉輪方案是根據雙泵和三泵并聯運行時的流量，在管路裝置管阻曲線上找到雙泵和三泵對應的揚程，以三泵并聯工況點為設計點。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臺循環水泵并聯運行循環水流量仍不能滿足需求，需要3臺循環水泵并聯運行；改造后，機組額定負荷運行時，2臺循環水泵就可滿足要求(夏季高溫時除外)，實現了2臺運轉1臺備用，大幅度降低了機組的廠用電。

循環水泵改造后，節能效果明顯，取得了良好的經濟效益。

4.2 可靠性分析

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

表5　循環水泵運行參數

5　結語

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

今后電廠將在運行、檢查、檢修、安裝工藝等方面持續改進，最終實現循環水泵的長周期安全、經濟運行，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. 機械設計實用手冊[M]. 2版. 北京: 化學工業出版社, 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應用、節能以及可靠性研究。

E-mail: wangyong01976@163.com

運行與改造

TK264.1

A

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