國產(chǎn)600 MW機(jī)組汽動給水泵前置泵泵殼改造

和永濤， 王兆利

(江蘇國信揚(yáng)州發(fā)電有限公司， 江蘇揚(yáng)州 225131)

汽動給水泵前置泵作為燃煤電廠的重要輔機(jī)設(shè)備，其運(yùn)行的可靠穩(wěn)定性直接影響整套發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。筆者針對當(dāng)前國產(chǎn)600 MW燃煤機(jī)組所配套的汽動給水泵前置泵泵殼中分面易泄漏的問題進(jìn)行研究，從殼體的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性等方面，探究中開離心式前置泵長期以來發(fā)生泄漏的根本原因，同時提出具有針對性的改造措施，并且分析其實(shí)際的應(yīng)用效果。

1 設(shè)備概況

某電廠3號、4號機(jī)組為600 MW超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)組。機(jī)組給水系統(tǒng)由2臺50%容量的汽動給水泵和1臺30%容量的電動給水泵給鍋爐供水，每臺汽動給水泵進(jìn)口管路各串聯(lián)1臺前置泵，前置泵為FAID67型水平中開式單蝸殼泵。前置泵的進(jìn)出水方向均為水平方向，由位于中心線下方300 mm處的軸承支撐，傳動端為滑動軸承，自由端為單列圓柱滾子軸承和滑動軸承。

前置泵的主要零部件包括葉輪、泵軸、泵體和泵殼。葉輪的材料為ZG1Cr13(鑄件)，泵軸的材料為40Cr(鍛件)，泵體和泵殼的材料為ZG230-450(鑄件)。前置泵采用集裝機(jī)械密封。前置泵的主要性能參數(shù)見表1。

表1 前置泵性能參數(shù)

2 存在的問題及分析

該電廠3號、4號機(jī)組自運(yùn)行以來，汽動給水泵前置泵在運(yùn)行中，始終存在泵殼中分面易泄漏的問題。泵體嚴(yán)重漏水和軸承箱進(jìn)水容易引起軸承溫度升高。當(dāng)軸承溫度升至報警值或跳閘值后，會引起前置泵及汽動給水泵組強(qiáng)制退出運(yùn)行，嚴(yán)重影響機(jī)組的可靠性。

當(dāng)汽動給水泵組強(qiáng)制退出運(yùn)行后，必須開啟電動給水泵，以替代汽動給水泵，這將增加機(jī)組的廠用電，造成機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益下降。如未及時處理泵殼中分面泄漏，泄漏的水汽沖刷中分面會形成難以修復(fù)的溝槽，必須由專業(yè)的水泵廠家維修泵體和泵殼。在機(jī)組運(yùn)行的情況下，現(xiàn)場只能采取在中分面注入密封膠的方式臨時堵漏，以保證泵的運(yùn)行，額外增加了檢修費(fèi)用，使經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)一步下降。

當(dāng)前電廠汽動給水泵前置泵出現(xiàn)最多的問題就是泄漏問題，其中汽動給水泵采用水平中開結(jié)構(gòu)的泵型居多。引起泵殼中分面泄漏的原因主要有材料選擇不當(dāng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。

2.1 材料選擇不當(dāng)

前置泵制造技術(shù)被引入我國時，泵體和泵殼的材料為403馬氏體不銹鋼(相當(dāng)于中國牌號ZG1Cr13)。制造廠家為降低制造成本，將前置泵的泵體和泵殼材料從ZG1Cr13改為ZG230-450。表2為ZG1Cr13和ZG230-450在常溫下的性能對比。

表2 ZG1Cr13和ZG230-450在常溫下的性能對比

由表2可得：在常溫下，ZG1Cr13的力學(xué)性能優(yōu)于ZG230-450。當(dāng)溫度增加到175 ℃時，ZG1Cr13的力學(xué)性能變化不大，但是ZG230-450的力學(xué)性能有約15%的下降。2種材料的焊接和鑄造性能都較好，但是前置泵泵體和泵殼在鑄造時熱節(jié)處材料易產(chǎn)生疏松。因此，在高溫下，ZG230-450力學(xué)性能較差的缺陷更容易顯現(xiàn)出來，并且ZG230-450不耐腐蝕，在使用一段時間后容易腐蝕，表現(xiàn)為不耐熱水沖刷，容易發(fā)生泄漏。

該電廠3號、4號機(jī)組汽動給水泵前置泵的泵體和泵殼材料均為ZG230-450。在腐蝕、高溫和流體沖刷的聯(lián)合作用下，通流部位的尺寸精度得不到保證，造成配合面損壞從而發(fā)生泄漏。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理

目前，電廠汽動給水泵前置泵的結(jié)構(gòu)主要有2種：水平中開結(jié)構(gòu)和徑向剖分結(jié)構(gòu)。圖1為泵的2種形式密封面。

圖1 泵的2種形式密封面

徑向剖分結(jié)構(gòu)的泵安裝較為簡單，密封面為圓環(huán)，面積較小，密封面使用橡膠O形圈密封，不易泄漏。相比于徑向剖分結(jié)構(gòu)的泵，水平中開結(jié)構(gòu)的泵安裝較為簡單，但是密封面為整個中分面，密封面較大且形狀復(fù)雜；密封面使用石棉板密封，密封性相對較差。當(dāng)溫度升高時，水平中分結(jié)構(gòu)泵的密封面由于各部位厚度不均，在高溫狀態(tài)下容易變形[1]。因此，由于結(jié)構(gòu)原因，采用水平中開結(jié)構(gòu)的泵更容易發(fā)生泄漏問題。

3 前置泵改造方案

3.1 材料改進(jìn)

采用ZG230-450作為前置泵泵殼的材料，在運(yùn)行中易產(chǎn)生泄漏問題。因此，將通流部位承壓件(泵體和泵殼)材料改為ZG1Cr13。ZG1Cr13是國外前置泵制造商的常用材料，其在高溫下的力學(xué)性能優(yōu)于ZG230-450。

3.2 結(jié)構(gòu)改造

原前置泵除泵殼中分面易泄漏外，其他的性能指標(biāo)優(yōu)秀，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好。為節(jié)約成本，改造只更換泵殼、泵殼端蓋，以及相連接的零部件，保留原前置泵的軸、葉輪、機(jī)械密封、軸承體、聯(lián)軸器等主要零部件，從而降低改造成本。原前置泵的泵體流道設(shè)計緊湊，改造時考慮優(yōu)化流道設(shè)計，使泵進(jìn)出口渦室與原葉輪相匹配，保證前置泵的流量、揚(yáng)程不變，并且適當(dāng)加大進(jìn)出口的通流部分尺寸，減少損失，提高效率。

采用水平中開結(jié)構(gòu)的前置泵的中分面易泄漏；另外，前置泵的支撐位置位于泵軸中心線以下約300 mm處，前置泵在運(yùn)行時材料受熱膨脹會使泵軸中心上升。為使熱態(tài)時電動機(jī)軸中心線與泵軸中心線吻合，冷態(tài)時需要使泵軸中心線比電動機(jī)軸中心線低約0.13 mm，而這會導(dǎo)致前置泵在冷態(tài)運(yùn)行時不穩(wěn)定。采用徑向剖分結(jié)構(gòu)的前置泵的支撐位置在泵軸中心線，熱膨脹不會造成泵軸中心線偏移。因此，改造中將泵殼從水平中開式更換為徑向剖分式。

不同制造商的徑向剖分式前置泵有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主流廠家徑向剖分式前置泵的泵殼結(jié)構(gòu)有以下2種設(shè)計方案[2]：

(1)方案1。端蓋插入泵體，將泵吸入腔(低壓腔)和吐出腔(高壓腔)的密封口設(shè)置在低壓腔側(cè)，高壓腔端蓋和泵體有間隙，采用纏繞墊密封，具體見圖2。

圖2 方案1密封面結(jié)構(gòu)

在方案1中，泵體與泵殼高壓腔到低壓腔的密封纏繞墊設(shè)置在軸向，安裝時需要嚴(yán)格控制泵體和泵殼接觸面的軸向尺寸。纏繞墊壓縮量過小，易造成高壓腔向低壓腔泄漏；壓縮量過大，則產(chǎn)生靜不定，易引起泵體泵殼結(jié)合面泄漏。采用方案1時，在泵體和泵殼的低、高壓腔結(jié)合面處會有間隙，而此處正是葉輪出口，流體的流速較高。在圓周方向，流體在間隙位置高速旋轉(zhuǎn)，形成水力摩擦，易造成該處磨損。

(2)方案2。端蓋插入泵體，將泵吸入腔(低壓腔)和吐出腔(高壓腔)密封口設(shè)置在高壓腔側(cè)，將端蓋和泵體的間隙設(shè)置在低壓腔，采用耐熱O形圈密封，具體見圖3。

圖3 方案2泵殼結(jié)構(gòu)

相比于方案1，方案2安裝更加方便，可靠性高，避免了葉輪出口流體沖刷密封口間隙而造成磨損。同時，采用的O形圈密封避免了纏繞墊壓縮量不易控制的問題，提高前置泵的運(yùn)行可靠性。綜合考慮，前置泵的泵殼結(jié)構(gòu)改造方案采用方案2。

3.3 其他改造

泵體和泵殼的緊合螺栓受熱膨脹時會影響緊合力，因此改造將螺栓更換為耐熱的高強(qiáng)度緊合螺栓并采用高強(qiáng)度彈簧墊片，防止螺栓受熱膨脹后緊合力下降[3]。

泵腳與泵體的結(jié)合部位在鑄造時會形成熱節(jié)，冷卻收縮會使此處質(zhì)地疏松，在熱態(tài)環(huán)境下使用一段時間后此處易泄漏。改造在泵體與泵腳采用焊接，避免了鑄造應(yīng)力集中處因鑄造過程產(chǎn)生疏松而發(fā)生泄漏的問題。

在機(jī)械密封腔室設(shè)置冷卻腔，可以滿足不同的密封沖洗設(shè)計。

4 改造效果及分析

在機(jī)組調(diào)停期間，按上述方案對前置泵進(jìn)行改造，改造后前置泵運(yùn)行情況良好，未再出現(xiàn)泄漏問題。

圖4為改造前后的現(xiàn)場照片。表3為在額定負(fù)荷(600 MW)、80%額定負(fù)荷(480 MW)、60%額定負(fù)荷(360 MW)工況下，改造前后前置泵參數(shù)對比。

圖4 改造前后前置泵的現(xiàn)場圖對比

表3 改造前后前置泵的參數(shù)對比

由表3可得：在3種工況下，驅(qū)動端軸承溫度均下降了4～7 K，前置泵進(jìn)出口壓力、流量均未發(fā)生較大變化，保證了前置泵的出力。

電動機(jī)節(jié)約電功率為：

(1)

式中：ΔP為電動機(jī)節(jié)約的電功率；U為電壓；ΔI為電流差；cosφ為電動機(jī)功率因數(shù)，取0.86。

在3種工況下，改造后的前置泵電動機(jī)電流相比改造前均減小了約10 A，3 000 V電動機(jī)節(jié)約電功率為44.68 kW。按機(jī)組年利用時間為300 d計算，每臺前置泵每年可節(jié)省的廠用電量為321 696 kW·h。

5 結(jié)語

某電廠汽動給水泵前置泵自投運(yùn)以來一直存在運(yùn)行可靠性差的問題，運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生泵殼中分面和機(jī)械密封泄漏的現(xiàn)象，給設(shè)備的正常運(yùn)行帶來較嚴(yán)重的影響。從泵殼材料和結(jié)構(gòu)的角度分析了前置泵在運(yùn)行中易泄漏的原因，針對原泵殼材料選擇不當(dāng)、殼體結(jié)構(gòu)不合理等設(shè)計缺陷，通過升級殼體材料，將原水平中開式泵殼改為徑向剖分式，同時采用更換螺栓鎖緊形式等改進(jìn)手段，有效解決了原泵泵殼中分面易泄漏、運(yùn)行可靠性差的問題。

前置泵改造后，運(yùn)行情況良好，未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。在相同的運(yùn)行工況下，改造后前置泵電動機(jī)電流相比改造前減小了約10 A，每臺前置泵每年可節(jié)約廠用電量約32萬kW·h，并且改造后前置泵的運(yùn)行穩(wěn)定性得到提高，同時也降低了設(shè)備檢修與維護(hù)成本，進(jìn)一步提高了經(jīng)濟(jì)性。