浅谈水环式真空泵转子断裂问题

吴炯 刘振华 尹忠广

【摘 要】针对某电厂2BE1-353-OMY4型水环式真空泵出现的叶片断裂问题，文章从设计选型、材料分析、叶轮受力、系统工况等多个维度进行分析，确定了工况不匹配是叶片断裂的根本原因。为改善泵组运行工况，在泵入口加装大气喷射器，提高真空入口压力，改善压缩比。经验证，该方案实施后泵组运行良好，同时取得了较好的经济效益。

【关键词】水环式真空泵;叶片断裂;合理工况点;大气喷射器;经济效益

【中图分类号】TB752 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）08-0081-04

0 引言

汽轮机真空度直接影响发电机组的经济性。真空度越高，排气压力越低，有效焓降相应就会增大，从而减少被循环水带走的热量，机组效率也将随之提高。汽轮机的真空度由真空泵保证。真空泵运行出现问题，会导致汽轮机真空度降低，使有效焓降减少，循环水带走热量增加，提高蒸汽排汽焓值，降低有效焓降，最终会造成汽轮机蒸汽循环效率下降。因此，现代化大电网对真空泵的选型及结构提出了较高的要求。

1 概述

某电厂2×300 MW机组系哈尔滨汽轮机厂生产的汽轮机，采用型号为N-17400-1的单背压、对分双流程表面式凝汽器，其冷却面积为17 400 m2，冷却水流量为36 800 t/h，设计背压为6.5 kPa，管材为ASTMB337Gr2，其配套的水环式真空泵型号为2BE1-353-OMY4，转速为590 r/min，电机功率为160 kW，为纳西姆公司生产的单级水环水环式真空泵。

水环式真空泵冬季运行参数如下：真空度为-94～-95 kPa，泵体振动为18.9～20 mm/s，噪音为98 dB（泵体内经常出现爆破的声音），运行电流为220～225 A，泵体温度为30～39 ℃。

该电厂1号、2号机组投产发电运行至今，水环式真空泵转子出现故障达7次，对其中1台泵进行解体检查发现叶轮出现裂纹共计8处，其中2处立筋断裂，2片叶片裂纹长达200 mm（如图1所示）。

2 故障诊断

该故障纯属突发性故障，毫无前奏，毫无征兆，振动值、电流、运行音声、真空度均无变化，事故无法提前控制。（现场运行参数记录）自由端轴承振动曲线如图2所示;驱动端轴承振动曲线如图3所示;两端轴承温度值曲线如图4所示。

3 原因分析

3.1 专业知识简介

该真空泵为液环式真空泵，主要由转子、泵壳、进出口分配器、锥面体等部件组成，其工作原理为在转子与泵壳（图中黑圈表示）之间设计一个偏心距，转子旋转时，会在泵壳内形成一个同样偏心的旋转液环，在此过程中对凝汽器内的空气进行吸入、压缩和排出，从而达到抽出凝汽器内空气的目的。

具体工作原理如图5所示，在AB段中，液环向外运动，壳体与转子之间的体积逐渐变大，使转子叶片内的体积增大，产生吸气功能;在BC段中，液环对叶片内空间进行压缩（空间体积减小），将吸入的气体压缩;在CD段中，受压空气被从出口处排出。整个过程泵组完成了对凝汽器内多余气体的吸入、压缩和排出3个过程，从而将凝汽器的多余气体吸出并维持凝汽器的真空状态。

3.2 性能分析

该类型单级水环式真空泵的基本原理和性能是一样的，其工作条件是由汽轮机的凝汽器设计背压6.5 kPa决定，根据某厂的运行参数发现，凝汽器真空度高达5 kPa，此时该单级水环式真空泵在3～8 kPa工况区处于B-A区段，该区段属于泵组的不稳定区段，且根据扬程分析计算，该区段泵承担的最高压缩比达33（101.3/3=33）;泵处于B-A区段工作时，会产生产生高频振动，泵组的运行参数振动值也体现了该现象（振动值高达18.9 mm/s），因此发现泵组的实际工作工况与最近工况偏移，对叶片断裂有较大的贡献因素。该泵设计性能曲线如图6所示。

3.3 泵组的工况条件分析

某电厂凝汽器背压为6.5 kPa，尾气的排气压力范围为3～8 kPa，查阅凝汽器真空度，2台机组的冬季真空度最高达5 kPa（在该压力下工作液对应的汽化温度为25 ℃），该泵组取用的水环工质液温度一般为30 ℃左右，因此导致真空泵运行时产生汽蚀的情况，泵组吸入端叶片长期受到汽蚀危害，对叶片的断裂有严重的影响。

3.4 材料选择规范

根据采购技术规格书要求，此泵叶轮材质选用Z6CNU17-04，材质强度及参数见表1。

3.5 叶轮受力分析

为验证设计上叶片强度是否满足要求，制造厂对真空泵叶轮的额定流量工况进行有限元计算，通过ANSYS软件对叶轮进行建模，考虑叶轮内部流场压力分布，综合考虑叶轮在转速下承受的离心力，采用流-固耦合计算分析方法，并结合结构强度应力变形等方面，综合各因素对真空泵泵叶轮的强度进行分析和计算得出小流量、额定流量、大流量下其所承受的最大许用应力在叶片出口处，为79.082 MPa，远小于叶轮材质Z6CNU17-04基本许用应力225 MPa，而葉轮裂纹开裂处最大应力为54.435 MPa，远小于叶轮材质Z6CNU17-04基本许用应力225 MPa。对比计算，得出叶轮受力远小于基本许用应力。由此分析可知，叶轮运行受力导致裂纹产生的可能性低。

3.6 叶片理化分析

对叶轮制造记录进行核查，并对失效叶轮进行理化检验分析，对比及分析见表2。

3.6.1 化学成分

实验室使用便携式光谱分析仪对叶轮叶片进行化学成分分析（见表3）发现，叶轮内外表面化学成分满足设计要求。 3.6.2 力学性能

实验室对叶轮叶片进行解剖并使用布洛维硬度计对基体进行硬度测量，硬度值为29 HRC，满足设计选型要求（见表4）。

3.7 切样实验室分析

分别对该泵断裂叶片裂纹部位及一片叶轮根部进行金相分析，金相观察发现叶轮基体组织马氏体形态较尖锐，接近针状马氏体（正常组织为板条状马氏体），无夹杂、无疏松等缺陷（如图7所示）。

綜合上述分析，得出结论如下：{1}叶轮的材料选型、叶轮的铸造、叶轮的受力分析、成分报告均满足要求。{2}发现泵组的合理工况点与凝汽器实际需求的工况点不匹配，使得泵处于不稳定的工况区运行。{3}泵组设计时未考虑到系统真空度高时，该压力下的工作液汽化会导致泵组汽蚀情况。

4 处理方案

根据叶片断裂的根本原因，制订改善泵组工作点的方案，具体措施是在泵入口加装大气喷射器，提高真空入口压力，改善压缩比;提高单级水环式真空泵的可靠性（运行寿命）、经济性（效率及真空）及环保性能（汽蚀和噪音）等。

4.1 改造的机理

为了改善单级水环泵工作点不在稳定区的选型缺陷，在不影响凝汽器真空的前提条件下，采取提高真空泵入口压力的措施，将泵组的工作点调整到正常工况区。为了达到此目的，在真空泵入口加装1套喷射抽气设备。

喷射器的工作原理：利用大气压作为工作动力源，当大气经过喷嘴渐缩管时，由于截面积变小，从而使得气体的速度提高至400～450 m/s，同样由于体积变化喷嘴后的压力降到3～4 kPa，同时对凝汽的抽气也产生了抽吸能力，将凝汽器系统中的抽气与工作气体相混合，经扩散管压缩将混合气体的压力提高10～13 kPa，水环泵的压缩比得到了明显的降低（泵出口压力/入口压力=101 kPa/10 kPa=10），达到改善泵入口压力的效果，泵的运行工况点也调整至A0-A稳定区段。

当水环泵的进气压力达到10～13 kPa时，对应工作水的饱和温度得到了大幅度的提高（饱和温度为46 ℃），根据现场冷却装置提供的冷源能力计算，能将泵的工质温度维持在35 ℃左右，有10 ℃的富裕空间。有效地避开了泵叶片的汽蚀侵害，延长泵叶片的寿命，提高真空泵的可靠性。增加喷射器改善了泵组的运行状态，泵组的效果如下：{1}能有效地降低真空泵的入口压力，大幅度降低它的压缩比（由33降至10），降低了真空泵的振动。{2}使水环泵避开高真空的不稳定区段运行，改善汽蚀性能，延长设备运行寿命，提高设备可靠性。{3}增加喷射器装置，同时增加了对凝汽器的抽气能力，对凝汽器的真空度有一定的提升，实现抽气设备高效、低能耗地运行。

4.2 改造后系统示意图

改造后系统示意图如图8所示。

5 改造后经济效益计算

（1）经过增设喷射装置后，可将凝汽器的真空提高1 kPa左右。某厂机组的装机容量为2×300 MW，机组的利用小时数为4 800 h，按1 kPa真空度节约发电煤耗2.5～3.3（依据西安热工研究院统计数据），标煤单价按每吨900元计算，一年中由于真空度提高而带来的经济效益如下：

（2）本厂每年真空泵的维修费用约10万元。经过增加喷射器，经济效益比较显著，每年每台机组产生的经济效益约310万元。

6 改造后试泵组运报告

试运条件：①关闭水环式真空泵入口母管进口手动门。②水环式真空泵冷却器投用闭式冷却水温度（22 ℃）。③水环式真空泵入口母管压力表更换高精度压力表。水环式真空泵试运对比见表5。

机组配大气喷射器运行时，当泵体工作液温度由34 ℃增加到36 ℃时，入口真空度-92 kPa未发生改变，但此时停运大气喷射器后入口真空度变为-90.6 kPa。加装大器喷射器后，泵组运行效果是显著的，其他运行参数明显变好，例如噪音降低、泵体运行平稳。各项振动大幅度减小，且泵体振动振速明显降低，真空度受工作液的温度影响不大，系统真空度也有了大幅度的提高。

7 结语

水环式真空泵组加装大气喷射器改造后，经1年多运行实况验证，叶片断裂问题得到解决，泵组的运行相当稳定，保持了良好的经济性能（效率及真空）及环保性能，以及优质高效的自动化程度和良好的可控状态。当然，改造方案不是唯一的，本优化方案也可能不是最佳方案，但其成功经验可供参考。

参 考 文 献

[1]吴忠亮.佶缔纳士机械有限公司真空泵设备运行与维修手册[Z].2012.

[2]许琦.国产300 MW机组高再抽汽供热改造[C].电力工业企业节能减排学术研讨会，2008.

[3]陈睿，刘新灵，蔡显新，等.离心泵叶片裂纹产生原因分析[J].理化检验，2011（1）.

[责任编辑：钟声贤]