凝結水泵運行中出力降低故障樹診斷方法研究

宗緒東

（華電國際技術服務分公司，山東 濟南 250014）

0 引言

凝結水泵的主要作用是將凝汽器冷凝后的凝結水輸送至除氧器，為各減溫減壓器等用水設備提供冷卻水、密封水。凝結水泵的可靠性是汽輪機組穩定運行的重要保障和前提。若凝結水泵不能正常工作，熱水井內的凝結水就無法抽送至除氧器，汽水循環將無法建立或被破壞，機組將不能啟動或被迫停運［1］。國內電廠機組運行中凝結水泵出力降低的案例很多，查閱文獻［2-6］發現，目前針對凝結水泵運行中出力降低，均采取依次排除的方法進行查找，尚沒有結合故障特征進行科學的分類并形成體系化的診斷思路，診斷效率較低。結合某電廠2 臺機組凝結水泵出力降低案例進行研究，建立故障樹診斷模型和方法，以便快速、準確地查找故障原因。

1 凝結水泵故障簡介

某電廠共有4 臺300 MW 亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、高中壓合缸、凝汽式汽輪機組，每臺機組配置2 臺沈陽水泵廠制造的9LDTA-4型100%容量的凝結水泵，1 臺工頻、1 臺變頻，正常運行中保持變頻凝結水泵運行，詳見圖1。2019 年5月至6 月，1 號機組2 號凝結水泵、4 號機組1 號凝結水泵運行中先后發生出力突然降低的問題。適逢迎峰度夏期間，給機組的安全運行帶來嚴重威脅。

2 凝結水泵故障樹診斷模型及故障特征分析

2.1 凝結水泵故障樹診斷模型

故障樹診斷方法是針對特定的故障目標進行演繹推理分析，按照由總體至局部逐級細化的原則。在分析過程中，首先對最頂層故障目標進行辨識，如果異常，繼續查找造成此目標異常的直接影響因素，然后再分別對這一級影響因素進行辨識，依次類推，最終找出最基本的故障因素。

圖1 凝結水泵系統

圖2 凝結水泵出力降低故障樹診斷框圖

1 號機組2 號凝結水泵、4 號機組1 號凝結水泵均是在運行中發生出力突降，可以排除系統、設備設計方面存在的缺陷。運行中造成凝結水泵出力降低的主要故障有：變頻器或電機故障、備用凝結水泵倒轉、出口阻力增大、凝結水泵氣縛、凝結水泵汽蝕、入口流量及揚程降低、泵體機械部分故障等。每項故障象征不同，其診斷方法也不同。通過對凝結水泵各種類型的故障進行理論分析，對不同的故障象征、診斷方法進行分類，編制了故障樹診斷框圖，詳見圖2。對照故障象征及判斷步驟，能夠準確地查找原因，制定解決方案。

2.2 故障特征分析

變頻器故障、備用凝結水泵倒轉、出口阻力增大3 種故障象征比較明顯，通過比較、試驗即可準確判斷。而凝結水泵氣縛、凝結水泵汽蝕、入口流量及揚程降低、泵體機械部分故障4 種故障象征比較復雜，具有一定的相似度，需要對故障理論進行分析，并進行區分。

2.2.1 凝結水泵氣縛

氣縛是泵內吸入空氣后產生的不正常現象。如果泵及吸入管路系統密封性差或吸入管安裝位置不當，致使泵內吸入較多空氣。由于空氣密度很小，不能拋到葉輪外緣，就會堵住葉輪部分或全部流道，使排液中斷［7］。

凝結水泵運行時，熱水井至泵首級葉輪入口為負壓區。當凝結水泵備用時，熱水井至出口逆止門前均為負壓區，易漏入空氣部位包括：入口電動門盤根與閥蓋法蘭、入口濾網法蘭、入口濾網排空閥門及底部放水閥門、水泵本體與泵筒法蘭、水泵盤根及泵進口法蘭、填料函或平衡水室連接法蘭、水泵平衡水卸壓管接頭、出口逆止閥泵側法蘭。

運行中當凝結水泵中漏入的空氣量較少時，空氣可通過凝結水泵抽空氣管被吸進凝汽器，不影響泵的正常運行。當漏入空氣量較大時，空氣不能被完全抽進凝汽器，從而進入泵體形成氣縛，導致凝結水泵出力降低。

2.2.2 凝結水泵汽蝕及入口流量、揚程降低

凝結水泵汽蝕及入口流量、揚程降低2 種故障，均是由于入口凝結水異常節流造成的。由于沿程阻力的存在，首級葉輪入口壓力是最低的。入口電動門節流、入口濾網等流道堵塞均會造成凝結水節流損失增加，首級葉輪入口凝結水揚程、流量減少，流速增加。

1）當節流現象輕微，不影響凝結水泵的正常通流，出力不變化。

2）汽蝕是指液體內局部壓力降低時，液體內部或液固交界面上蒸氣或氣體的空穴（空泡）的形成、發展和潰滅的過程［8］。當節流造成首級葉輪入口凝結水壓力不超過入口水溫對應的飽和壓力時，凝結水汽化形成氣泡，開始只有少量氣泡，葉輪流道堵塞不嚴重，對泵的正常工作沒有明顯影響，泵的外部性能也沒有明顯變化，這種汽蝕稱為潛伏汽蝕。當汽化發展到一定程度時，氣泡大量聚集，葉輪流道被氣泡嚴重堵塞，致使汽蝕進一步發展，影響到泵的外部特性，導致泵難以維持正常運行［9］。

凝結水泵汽化壓力Pv和凝汽器壓力Pe的關系為

式中：Pe為凝汽器工作壓力；Pv為泵吸入口水的汽化壓力；Hg為泵的安裝幾何高度；V 為泵吸入口管道的平均流速；ρ 為流體密度；Δhe為有效汽蝕余量。

近似凝汽器壓力等于汽化壓力，Pe=Pv，則式（1）變為

有效汽蝕余量與泵入口法蘭前吸水管路系統的布置和液體性質有關，與泵本身無關；必需汽蝕量是表示泵本身汽蝕性能的參數，與泵進口處的流道情況有關，取決于泵本身的設計和構造。為了避免凝結水泵發生汽蝕，要求有效汽蝕余量應始終大于必須汽蝕余量。凝結水節流后壓力降低、流速增加，從式（2）可以看出，有效汽蝕余量降低。

將凝結水泵汽蝕與氣縛混為一談是不正確的，二者有著本質區別。汽蝕發生時，凝結水泵電流、出口壓力、流量突降且大幅擺動，振動聲音異常；氣縛發生時，上述參數突降但不擺動，振動聲音正常。

3）當節流造成首級葉輪入口流量、揚程降低（入口壓力未降至汽蝕壓力）至一定程度（多由首級葉輪入口堵塞造成），電流、出口壓力、流量突降但不擺動。當停運后如果堵塞現象改善，再次啟動時出力能短時增大，但堵塞加劇后出力將再次降低。

2.2.3 泵體機械部分故障

泵體機械部分故障，主要有兩種：一是葉輪等部件腐蝕、葉輪流道堵塞等，造成凝結水泵效率降低，電流、出口壓力、流量降低且不擺動，泵組振動、聲音異常，停運后再次啟動出力不變化；二是葉輪套筒、接管、級間密封等發生泄漏，部分水從葉輪出口經漏點返回凝結水泵筒體，此時電流增加，出口壓力、流量降低，泵組振動、聲音異常。

3 凝結水泵出力降低過程及分析處理

3.1 1 號機組2 號凝結水泵出力降低過程及分析處理

3.1.1 2 號凝結水泵出力降低過程

2019 年5 月11 日11∶00，1 號機負荷190 MW，凝結水流量500 t／h，出口壓力1.3 MPa，2 號變頻凝結水泵運行，電流44 A。定期工作啟動1 號凝結水泵試驗正常將其停止后，凝結水流量降至350 t／h，2 號凝結水泵電流降至39 A，出口壓力降至1.2 MPa，增加2 號凝結水泵變頻器指令，壓力流量無變化，就地檢查凝結水泵振動、聲音正常。啟動1 號工頻凝結水泵，凝結水壓力、流量恢復正常，停止2 號凝結水泵。

2019 年5 月14 日至6 月12 日，先后20 余次啟動2 號凝結水泵進行試驗檢查，運行正常停止1 號凝結水泵，但2 號凝結水泵運行一段時間后其出力均再次突降。

3.1.2 試驗分析

由圖2 可知，2 號凝結水泵出力降低符合凝結水泵氣縛、入口流量及揚程降低故障象征。由于發生在1 號凝結水泵定期啟動試驗停止后，且2 臺凝結水泵并列運行出力正常，初步懷疑啟動1 號凝結水泵填料密封磨損漏入空氣，空氣沿2 臺凝結水泵空氣聯絡管竄入2 號凝結水泵。

1）第1 次診斷試驗及處理過程。2019 年7 月11日12∶08，組織現場試驗：1 號機負荷180 MW，1 號凝結水泵電流77 A，凝結水流量400 t／h。啟動2 號凝泵工頻運行，電流77 A，關閉1 號凝結水泵空氣門、出口電動門，停運1 號凝結水泵，2 號凝結水泵電流由77 A升至99 A。增加1 號機負荷至210 MW，2 號凝結水泵出力正常。1.5 h 后，啟動1 號凝結水泵，停止2 號凝結水泵備用。判斷1 號凝結水泵填料密封磨損。

1 號凝結水泵入口電動門關閉不嚴，運行中無法隔離處理。2019 年8 月28 日，利用1 號機組調停機會對1 號凝結水泵盤根進行了檢查，發現5 道盤根填料均存在不同程度磨損（見圖3），全部進行更換。2019 年9 月7 日02∶00，1 號機組啟動后凝結水流量在500～700 t／h 區間，2 號變頻凝結水泵運行正常。

圖3 1 號凝結水泵磨損的盤根填料

2）第2 次診斷試驗及處理過程。2019 年9 月7日12∶47 負荷226 MW，2 號凝結水泵電流由47.8 A突降至38 A，出口壓力由1.28 MPa 降至1.0 MPa，凝結水流量降至322 t／h，1 號凝結水泵聯啟，就地檢查2 號凝結水泵振動聲音正常，停止做備用。

9 月16 日11∶22，啟動2 號凝結水泵，關閉1號凝結水泵空氣門、入出口電動門將其停運，2 號凝結水泵電流由77 A 升至99.8 A。14∶45，凝結水流量由520 t／h 降至118 t／h，出口壓力由2.4 MPa 降至0.9 MPa，電流由100 A 降至49 A，聯啟1 號凝結水泵，停2 號凝結水泵備用。試驗排除1 號凝結水泵盤根漏入空氣。

11 月15 日，1 號機停運解體2 號凝結水泵，發現筒體底部、葉輪入口位置有一段40 號角鐵（為凝結水泵大修時封堵筒口用的蓋板背面加固框架配件），長度約400 mm，角鐵中部已彎曲變形，見圖4。機組啟動后，2 號凝結水泵出力恢復正常。

圖4 2 號凝結水泵流道脫落角鐵及安裝位置

3.1.3 2 號凝結水泵兩次出力降低原因

第1 次出力降低原因是備用1 號凝結水泵盤根密封填料損壞，密封不嚴漏入的空氣沿空氣管竄入2 號凝結水泵入口，導致2 號凝結水泵發生氣縛。

凝結水泵第2 次出力降低原因是2 號凝結水泵固定角鐵斷裂堵塞首級葉輪入口腔室，導致2 號凝結水泵入口流量及揚程降低。當停泵后，角鐵落入筒體下部，啟泵后出力正常，但負荷波動后角鐵再次被吸入。固定角鐵斷裂原因：一是施工工藝不良；二是2019 年5 月至7 月2 號凝結水泵進行了二十多次啟停試驗，角鐵受水沖擊松動，在機組啟動變工況過程中，角鐵連接補位疲勞斷裂。

3.2 4 號機組1 號凝結水泵出力降低過程及原因分析

3.2.1 1 號凝結水泵出力降低過程

2019 年6 月26 日21∶50，4 號機組大修后啟動。啟動1 號變頻凝結水泵上水過程中，發現1 號凝結水泵達不到滿出力，切換至工頻運行出力仍不足。6 月28 日，負荷180 MW，1 號凝結水泵電流由37 A降至31 A，出口壓力由1.5 MPa 降至1.24 MPa，流量由220 t／h 降至200 t／h，就地檢查凝結水泵振動、聲音正常。啟動2 號工頻凝結水泵，停運1 號凝結水泵。

2019 年7 月1 日至7 月5 日，先后數次啟動1號凝結水泵進行試驗，運行正常停2 號凝結水泵，但1 號凝結水泵運行一段時間后其出力均再次突降。

3.2.2 試驗及處理過程

查閱圖2 可知，1 號凝結水泵出力降低象征符合凝結水泵氣縛、入口流量及揚程降低故障。

7 月11 日13∶29，4 號機負荷245 MW，2 號凝結水泵運行。啟動1 號凝結水泵，電流61 A，母管壓力由2.58 MPa 升至2.95 MPa。13∶32 關閉2 號凝結水泵空氣門后，在關閉2 號凝結水泵出口電動門過程中，1 號凝結水泵電流無變化，凝結水流量快速下降，立即全開2 號出口電動門，停運1 號凝結水泵。試驗排除了2 號凝結水泵漏入空氣造成出力不足原因。

7 月24 日，將1 號凝結水泵隔離解體發現其入口軸上纏繞1.8 m 膠皮管，詳見圖5。將膠皮管拆除，復裝凝結水泵。機組啟動后，1 號凝結水泵出力恢復正常。

圖5 1 號凝結水泵泵軸纏繞雜物

3.2.3 1 號凝結水泵出力降低原因

檢修人員施工工藝控制不嚴格，泵大修后復裝過程中，在清理臺面時誤將膠皮管碰入筒體。啟泵后膠皮管被吸附纏繞大軸，堵塞葉輪入口腔室，造成入口流量及揚程降低。

4 結語

針對運行中凝結水泵出力降低問題，采用故障樹診斷方法進行研究，建立了標準化的診斷流程及體系，并結合兩臺機組凝結水泵出力降低案例進行分析、驗證。采用該故障診斷方法，能夠快捷判斷凝結水泵出力降低的故障類型及原因，為運行調整和檢修提供可靠依據。