低壓加熱器疏水泵故障分析與選型要點

韓立爭，漆明貴

（中國成達工程有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

現代火力發電機組的抽汽回熱系統中，除了除氧器為混合式加熱器外，其余的加熱器（包括高壓加熱器、低壓加熱器等）均采用表面式加熱器。表面式加熱器的工作原理決定了用作加熱的抽汽在凝結時所產生的疏水無法與給水或凝結水直接混合，應及時排出以保證加熱器正常運行。表面式加熱器疏水的排出方式不僅決定了抽汽回熱系統結構的復雜程度，還會影響機組的熱經濟性。高壓加熱器（簡稱“高加”）的疏水以逐級自流的方式最終進入除氧器，低壓加熱器（簡稱“低加”）的疏水主要有3種方式：逐級自流、逐級自流與疏水泵、逐級自流與疏水冷卻器。有計算表明，低加3種疏水方式中，采用逐級自流與疏水泵的疏水方式節能效果最為明顯，逐級自流結合疏水冷卻器次之［1-2］，這是因為低加疏水泵將疏水直接加壓送入凝結水母管，與混合式加熱器的抽汽熱量利用效果接近，不可逆損失降低。

火力發電機組中，低加疏水泵的故障率較高［3-5］，低加疏水泵運行可靠性低、維護工作量大，有研究提出采用疏水冷卻器替換原設計的低加疏水泵，以換取更高的可靠性［6-8］，甚至有些機組在配備了低加疏水泵的條件下，為避開低加疏水泵的損壞與維護，低加長期采用危急疏水至凝汽器，影響機組整體熱經濟性。

通過分析低加疏水泵的故障原因，提出相應的解決方案，并從設備選型角度對低加疏水泵的選型給出建議，依據低加疏水系統的特性與運行特點進行設備選型，可有效避免低加疏水泵運行中出現的故障，為類似問題的整改以及新建項目中低加疏水泵的選型設計提供參考。

1 故障類型與處理對策

低加疏水泵的故障類型主要分為汽蝕余量不足、運行工況不穩定、加工制造缺陷3類。

汽蝕余量不足是指裝置汽蝕余量NPSHa超出泵的必需汽蝕余量NPSHr余量不足，甚至出現NPSHa低于NPSHr。對所有泵類而言，要確保不發生汽蝕，NPSHa應該大于NPSHr并保持一定的安全余量，美國水力學會標準HI9.6.1—2012《旋轉動力泵NPSH指南》要求火力發電廠中輸送凝結水的泵，NPSHa／NPSHr≥1.0。文獻［4］低加疏水泵的導葉與葉輪因汽蝕損壞穿孔；文獻［9］中，NPSHa／NPSHr=0.6顯然不滿足標準要求，低加疏水泵運行時發生嚴重汽蝕問題；文獻［10］低加疏水泵調試過程中出現振動大，噪聲異常，其NPSHa／NPSHr=0.8，說明低加疏水泵運行時已經發生了汽蝕。

要解決汽蝕余量不足，可以通過提高NPSHa或降低NPSHr兩種方法進行。

NPSHa與低加疏水的汽化壓力 （與汽輪機抽汽參數、機組負荷直接相關）、低加疏水泵進口管路布置等因素有關。低加疏水為飽和狀態的水，NPSHa只能通過低位布置低加疏水泵來實現，需要注意進口管路的布置，盡量減少管路長度與彎頭數量，避免因阻力降過大而導致NPSHa不足。文獻［9-10］通過優化低加疏水泵進口管路，有效地提高了NPSHa，改善了疏水泵運行條件。另外，當采用臥式泵時，如果經NPSHa核算后發現泵坑底標高較低，土建開挖工作量增加，可考慮更換為立式筒袋泵，既能確保足夠的NPSHa，又可避免土建工作量的大幅增加。

NPSHr與外部管路系統無關，只與泵本身的吸入性能有關。在給定的操作條件下，NPSHr越低說明泵的汽蝕性能越好，但亦不可一味追求過低的NPSHr，那樣會降低泵的可靠性與效率。采用雙吸葉輪或低轉速的泵，通常是降低NPSHr的有效途徑。采用立式筒袋泵時，首級葉輪選用雙吸，在提高NPSHa的同時降低了NPSHr，可大大提高設備的抗汽蝕性能與運行可靠性，非常適合于低加疏水泵這種易于發生汽蝕的工況。圖1為首級采用雙吸葉輪的立式筒袋泵結構。

運行工況不穩定是指低加疏水泵運行工作點并非恒定不變，低加疏水量隨著主機負荷的波動而變化，對于調峰機組，負荷經常降至50%額定負荷以下，而低加疏水泵的選型點流量只能為某一固定值。根據GB 50660—2011《大中型火力發電廠設計規范》，疏水泵容量應按照在汽輪機調節閥全開工況（VWO）時接入該泵的低壓加熱器的疏水量之和計算，并應另加10%裕量。顯然，當主機處于低負荷階段，低加疏水量將遠低于疏水泵的選型點流量，對于定速控制的低加疏水泵，只能完全依靠出口調節閥節流來調整泵的運行工況點，使低加疏水泵長期處于小流量區域運行，不僅效率低，還容易引發設備故障。根據在運機組數據，330 MW機組低加疏水泵出口調節閥開度范圍為30%~70%［11］，660 MW機組低加正常運行時疏水泵出口調節閥開度僅為17%~52%［12］，可見出口調節閥的節流損失非常嚴重，泵實際運行工作點遠離選型工況點（最佳運行工況點）。另外，由于調節閥的線性度不高，經常出現低壓加熱器水位維持不穩，空泵運行等問題。對于軸封采用自沖洗的泵，一旦出現空泵運行，即失去了軸封沖洗水，軸封將首先損壞［13-14］。

要解決運行工況不穩定的問題，可通過改變轉速來調節低加疏水泵的能力。改變轉速的方式通常有電氣調速（變頻調節）與機械調速（液力耦合器）。變頻調節適用于各種規格的泵組，但對于大功率高壓電機選用變頻控制將增加較高成本；液力耦合器的采購成本低于變頻調節，但需要配套工作油、潤滑油管路，系統配置較為煩瑣，占地空間大，而低加疏水泵布置于泵坑內，空間有限，不便于布置油管路等附屬設備，因此，液力耦合器對小型低壓電機驅動的泵組優勢不明顯。綜合考慮電機容量、安裝布置空間與采購成本等因素，低加疏水泵的轉速調節優選變頻控制。

加工制造缺陷在低加疏水泵故障中占有一定比例［5，15-17］，軸向力不平衡、關鍵部套的裝配 工藝差是存在的典型問題，應在注意設備品牌選擇的同時，加強廠內監造與出廠檢驗，將存在問題解決在設備出廠前。

2 疏水泵選型要點

2.1 泵型選擇

某125 MW燃煤機組，共設有7級回熱系統（2臺高加+1臺除氧器+4臺低加），在6號低加設置有2臺100%容量低加疏水泵，將低加疏水注入5號低加水側進口。

吸取以往項目中的經驗教訓，低加疏水泵的選型首先考慮到汽蝕余量問題。根據汽輪機熱力平衡圖，VWO工況下的低加疏水參數為：疏水量42.1 m3／h，6號低加進汽壓力0.088 MPa，疏水溫度94.7℃。低加疏水泵安裝在泵坑內，6號低加最低液位與低加疏水泵進口中心線高差為3.35 m，通過計算得NPSHa為2.18 m，計算過程見表1。

表1 有效汽蝕余量計算 m

對于NPSHa較低的工況，可優先選擇雙吸葉輪、低轉速的泵，以盡可能降低NPSHr。選型過程發現，因低加疏水泵為低位布置，進口管路系統的NPSHa較為充足，選用臥式單級懸臂式離心泵配2極轉速電機即可同時滿足流量、揚程與汽蝕余量的要求，較兩端支撐離心泵省去一套機械密封，降低了運行維護成本，2極轉速的泵與電機從體量上小于4極轉速，降低了采購成本。

低加疏水泵的操作條件與設備選型參數見表2。

表2 低加疏水泵操作條件與設備選型參數

為了更好地實現低加疏水泵在不同主機負荷下的靈活控制，采用變頻控制的同時，保留低加疏水泵出口母管的調節閥。低加疏水泵基本的控制邏輯為：通過6號低加的液位信號調整調節閥開度，根據凝結水母管壓力調整泵轉速。根據實際運行情況，變頻控制與出口調節閥的組合使低加疏水泵在不同工況下均可平穩運行，達到預期效果。機組實際運行負荷為117 MW，低加疏水溫度為91.3℃，A泵運行轉速為2 250 r／min，出口壓力為1.06 MPa，疏水量為34.2 t／h，出口調節閥開度為 98.1%。

2.2 軸封型式與沖洗方案的選擇

軸封型式與沖洗方案的確定是低加疏水泵選型另一個關鍵點，以往項目中低加疏水泵的軸封多采用填料密封或機械密封配自沖洗方案，存在較高的故障率，原因歸結為：

1）工藝參數決定了低加疏水泵要將疏水注入凝結水母管，須提供足夠的揚程，即泵需要較高轉速。通過調研發現，單級與多級型式低加疏水泵的轉速大多不低于2 900 r／min，否則將增加較多泵的級數。高轉速將加速填料磨損，使其過早失效。另外，在主機低負荷與事故狀態下，定速泵容易將低加疏水排空，自沖洗液隨之消失，干轉會使填料因過度發熱而失效。

2）對于采用機械密封的低加疏水泵，其故障主要為機械密封過早泄漏，泄漏原因與定轉速運行、自沖洗方案有直接關系，即一旦低加疏水排空，引自泵出口的沖洗液隨即消失，干轉將導致機械密封損壞。

鑒于以上兩點，本項目低加疏水泵的軸封選用機械密封，沖洗液引自外部凝結水母管，使軸封沖洗液與低加疏水相互獨立。設備投運后，軸封沖洗效果良好，有效保證了機械密封的使用壽命。外部沖洗液系統見圖2。

圖2 低加疏水泵軸封沖洗系統

3 結語

低加疏水泵的運行工況惡劣，在以往項目中故障率較高，選型設計時應務必注意泵型、軸封型式與沖洗方案的確定，并加強設備的廠內監造與出廠檢驗。本文工程低加疏水泵選用臥式單級懸臂式離心泵，變頻調節與出口調節閥相結合，軸封選用機械密封配外部沖洗液，避開了引起設備故障的幾方面關鍵因素，實際運行效果良好。如因NPSHa不足，選用臥式離心泵無法滿足汽蝕要求，可考慮降低泵基礎標高或選用立式筒袋泵。