凝结水泵运行中出力降低故障树诊断方法研究

2020-08-11宗绪东

山东电力技术 2020年7期

宗绪东

（华电国际技术服务分公司，山东济南 250014）

0 引言

凝结水泵的主要作用是将凝汽器冷凝后的凝结水输送至除氧器，为各减温减压器等用水设备提供冷却水、密封水。凝结水泵的可靠性是汽轮机组稳定运行的重要保障和前提。若凝结水泵不能正常工作，热水井内的凝结水就无法抽送至除氧器，汽水循环将无法建立或被破坏，机组将不能启动或被迫停运［1］。国内电厂机组运行中凝结水泵出力降低的案例很多，查阅文献［2-6］发现，目前针对凝结水泵运行中出力降低，均采取依次排除的方法进行查找，尚没有结合故障特征进行科学的分类并形成体系化的诊断思路，诊断效率较低。结合某电厂2 台机组凝结水泵出力降低案例进行研究，建立故障树诊断模型和方法，以便快速、准确地查找故障原因。

1 凝结水泵故障简介

某电厂共有4 台300 MW 亚临界、一次中间再热、单轴、双缸双排汽、高中压合缸、凝汽式汽轮机组，每台机组配置2 台沈阳水泵厂制造的9LDTA-4型100%容量的凝结水泵，1 台工频、1 台变频，正常运行中保持变频凝结水泵运行，详见图1。2019 年5月至6 月，1 号机组2 号凝结水泵、4 号机组1 号凝结水泵运行中先后发生出力突然降低的问题。适逢迎峰度夏期间，给机组的安全运行带来严重威胁。

2 凝结水泵故障树诊断模型及故障特征分析

2.1 凝结水泵故障树诊断模型

故障树诊断方法是针对特定的故障目标进行演绎推理分析，按照由总体至局部逐级细化的原则。在分析过程中，首先对最顶层故障目标进行辨识，如果异常，继续查找造成此目标异常的直接影响因素，然后再分别对这一级影响因素进行辨识，依次类推，最终找出最基本的故障因素。

图1 凝结水泵系统

图2 凝结水泵出力降低故障树诊断框图

1 号机组2 号凝结水泵、4 号机组1 号凝结水泵均是在运行中发生出力突降，可以排除系统、设备设计方面存在的缺陷。运行中造成凝结水泵出力降低的主要故障有：变频器或电机故障、备用凝结水泵倒转、出口阻力增大、凝结水泵气缚、凝结水泵汽蚀、入口流量及扬程降低、泵体机械部分故障等。每项故障象征不同，其诊断方法也不同。通过对凝结水泵各种类型的故障进行理论分析，对不同的故障象征、诊断方法进行分类，编制了故障树诊断框图，详见图2。对照故障象征及判断步骤，能够准确地查找原因，制定解决方案。

2.2 故障特征分析

变频器故障、备用凝结水泵倒转、出口阻力增大3 种故障象征比较明显，通过比较、试验即可准确判断。而凝结水泵气缚、凝结水泵汽蚀、入口流量及扬程降低、泵体机械部分故障4 种故障象征比较复杂，具有一定的相似度，需要对故障理论进行分析，并进行区分。

2.2.1 凝结水泵气缚

气缚是泵内吸入空气后产生的不正常现象。如果泵及吸入管路系统密封性差或吸入管安装位置不当，致使泵内吸入较多空气。由于空气密度很小，不能抛到叶轮外缘，就会堵住叶轮部分或全部流道，使排液中断［7］。

凝结水泵运行时，热水井至泵首级叶轮入口为负压区。当凝结水泵备用时，热水井至出口逆止门前均为负压区，易漏入空气部位包括：入口电动门盘根与阀盖法兰、入口滤网法兰、入口滤网排空阀门及底部放水阀门、水泵本体与泵筒法兰、水泵盘根及泵进口法兰、填料函或平衡水室连接法兰、水泵平衡水卸压管接头、出口逆止阀泵侧法兰。

运行中当凝结水泵中漏入的空气量较少时，空气可通过凝结水泵抽空气管被吸进凝汽器，不影响泵的正常运行。当漏入空气量较大时，空气不能被完全抽进凝汽器，从而进入泵体形成气缚，导致凝结水泵出力降低。

2.2.2 凝结水泵汽蚀及入口流量、扬程降低

凝结水泵汽蚀及入口流量、扬程降低2 种故障，均是由于入口凝结水异常节流造成的。由于沿程阻力的存在，首级叶轮入口压力是最低的。入口电动门节流、入口滤网等流道堵塞均会造成凝结水节流损失增加，首级叶轮入口凝结水扬程、流量减少，流速增加。

1）当节流现象轻微，不影响凝结水泵的正常通流，出力不变化。

2）汽蚀是指液体内局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸气或气体的空穴（空泡）的形成、发展和溃灭的过程［8］。当节流造成首级叶轮入口凝结水压力不超过入口水温对应的饱和压力时，凝结水汽化形成气泡，开始只有少量气泡，叶轮流道堵塞不严重，对泵的正常工作没有明显影响，泵的外部性能也没有明显变化，这种汽蚀称为潜伏汽蚀。当汽化发展到一定程度时，气泡大量聚集，叶轮流道被气泡严重堵塞，致使汽蚀进一步发展，影响到泵的外部特性，导致泵难以维持正常运行［9］。

凝结水泵汽化压力Pv和凝汽器压力Pe的关系为

式中：Pe为凝汽器工作压力；Pv为泵吸入口水的汽化压力；Hg为泵的安装几何高度；V 为泵吸入口管道的平均流速；ρ 为流体密度；Δhe为有效汽蚀余量。

近似凝汽器压力等于汽化压力，Pe=Pv，则式（1）变为

有效汽蚀余量与泵入口法兰前吸水管路系统的布置和液体性质有关，与泵本身无关；必需汽蚀量是表示泵本身汽蚀性能的参数，与泵进口处的流道情况有关，取决于泵本身的设计和构造。为了避免凝结水泵发生汽蚀，要求有效汽蚀余量应始终大于必须汽蚀余量。凝结水节流后压力降低、流速增加，从式（2）可以看出，有效汽蚀余量降低。

将凝结水泵汽蚀与气缚混为一谈是不正确的，二者有着本质区别。汽蚀发生时，凝结水泵电流、出口压力、流量突降且大幅摆动，振动声音异常；气缚发生时，上述参数突降但不摆动，振动声音正常。

3）当节流造成首级叶轮入口流量、扬程降低（入口压力未降至汽蚀压力）至一定程度（多由首级叶轮入口堵塞造成），电流、出口压力、流量突降但不摆动。当停运后如果堵塞现象改善，再次启动时出力能短时增大，但堵塞加剧后出力将再次降低。

2.2.3 泵体机械部分故障

泵体机械部分故障，主要有两种：一是叶轮等部件腐蚀、叶轮流道堵塞等，造成凝结水泵效率降低，电流、出口压力、流量降低且不摆动，泵组振动、声音异常，停运后再次启动出力不变化；二是叶轮套筒、接管、级间密封等发生泄漏，部分水从叶轮出口经漏点返回凝结水泵筒体，此时电流增加，出口压力、流量降低，泵组振动、声音异常。

3 凝结水泵出力降低过程及分析处理

3.1 1 号机组2 号凝结水泵出力降低过程及分析处理

3.1.1 2 号凝结水泵出力降低过程

2019 年5 月11 日11∶00，1 号机负荷190 MW，凝结水流量500 t／h，出口压力1.3 MPa，2 号变频凝结水泵运行，电流44 A。定期工作启动1 号凝结水泵试验正常将其停止后，凝结水流量降至350 t／h，2 号凝结水泵电流降至39 A，出口压力降至1.2 MPa，增加2 号凝结水泵变频器指令，压力流量无变化，就地检查凝结水泵振动、声音正常。启动1 号工频凝结水泵，凝结水压力、流量恢复正常，停止2 号凝结水泵。

2019 年5 月14 日至6 月12 日，先后20 余次启动2 号凝结水泵进行试验检查，运行正常停止1 号凝结水泵，但2 号凝结水泵运行一段时间后其出力均再次突降。

3.1.2 试验分析

由图2 可知，2 号凝结水泵出力降低符合凝结水泵气缚、入口流量及扬程降低故障象征。由于发生在1 号凝结水泵定期启动试验停止后，且2 台凝结水泵并列运行出力正常，初步怀疑启动1 号凝结水泵填料密封磨损漏入空气，空气沿2 台凝结水泵空气联络管窜入2 号凝结水泵。

1）第1 次诊断试验及处理过程。2019 年7 月11日12∶08，组织现场试验：1 号机负荷180 MW，1 号凝结水泵电流77 A，凝结水流量400 t／h。启动2 号凝泵工频运行，电流77 A，关闭1 号凝结水泵空气门、出口电动门，停运1 号凝结水泵，2 号凝结水泵电流由77 A升至99 A。增加1 号机负荷至210 MW，2 号凝结水泵出力正常。1.5 h 后，启动1 号凝结水泵，停止2 号凝结水泵备用。判断1 号凝结水泵填料密封磨损。

1 号凝结水泵入口电动门关闭不严，运行中无法隔离处理。2019 年8 月28 日，利用1 号机组调停机会对1 号凝结水泵盘根进行了检查，发现5 道盘根填料均存在不同程度磨损（见图3），全部进行更换。2019 年9 月7 日02∶00，1 号机组启动后凝结水流量在500～700 t／h 区间，2 号变频凝结水泵运行正常。

图3 1 号凝结水泵磨损的盘根填料

2）第2 次诊断试验及处理过程。2019 年9 月7日12∶47 负荷226 MW，2 号凝结水泵电流由47.8 A突降至38 A，出口压力由1.28 MPa 降至1.0 MPa，凝结水流量降至322 t／h，1 号凝结水泵联启，就地检查2 号凝结水泵振动声音正常，停止做备用。

9 月16 日11∶22，启动2 号凝结水泵，关闭1号凝结水泵空气门、入出口电动门将其停运，2 号凝结水泵电流由77 A 升至99.8 A。14∶45，凝结水流量由520 t／h 降至118 t／h，出口压力由2.4 MPa 降至0.9 MPa，电流由100 A 降至49 A，联启1 号凝结水泵，停2 号凝结水泵备用。试验排除1 号凝结水泵盘根漏入空气。

11 月15 日，1 号机停运解体2 号凝结水泵，发现筒体底部、叶轮入口位置有一段40 号角铁（为凝结水泵大修时封堵筒口用的盖板背面加固框架配件），长度约400 mm，角铁中部已弯曲变形，见图4。机组启动后，2 号凝结水泵出力恢复正常。

图4 2 号凝结水泵流道脱落角铁及安装位置

3.1.3 2 号凝结水泵两次出力降低原因

第1 次出力降低原因是备用1 号凝结水泵盘根密封填料损坏，密封不严漏入的空气沿空气管窜入2 号凝结水泵入口，导致2 号凝结水泵发生气缚。

凝结水泵第2 次出力降低原因是2 号凝结水泵固定角铁断裂堵塞首级叶轮入口腔室，导致2 号凝结水泵入口流量及扬程降低。当停泵后，角铁落入筒体下部，启泵后出力正常，但负荷波动后角铁再次被吸入。固定角铁断裂原因：一是施工工艺不良；二是2019 年5 月至7 月2 号凝结水泵进行了二十多次启停试验，角铁受水冲击松动，在机组启动变工况过程中，角铁连接补位疲劳断裂。

3.2 4 号机组1 号凝结水泵出力降低过程及原因分析

3.2.1 1 号凝结水泵出力降低过程

2019 年6 月26 日21∶50，4 号机组大修后启动。启动1 号变频凝结水泵上水过程中，发现1 号凝结水泵达不到满出力，切换至工频运行出力仍不足。6 月28 日，负荷180 MW，1 号凝结水泵电流由37 A降至31 A，出口压力由1.5 MPa 降至1.24 MPa，流量由220 t／h 降至200 t／h，就地检查凝结水泵振动、声音正常。启动2 号工频凝结水泵，停运1 号凝结水泵。

2019 年7 月1 日至7 月5 日，先后数次启动1号凝结水泵进行试验，运行正常停2 号凝结水泵，但1 号凝结水泵运行一段时间后其出力均再次突降。

3.2.2 试验及处理过程

查阅图2 可知，1 号凝结水泵出力降低象征符合凝结水泵气缚、入口流量及扬程降低故障。

7 月11 日13∶29，4 号机负荷245 MW，2 号凝结水泵运行。启动1 号凝结水泵，电流61 A，母管压力由2.58 MPa 升至2.95 MPa。13∶32 关闭2 号凝结水泵空气门后，在关闭2 号凝结水泵出口电动门过程中，1 号凝结水泵电流无变化，凝结水流量快速下降，立即全开2 号出口电动门，停运1 号凝结水泵。试验排除了2 号凝结水泵漏入空气造成出力不足原因。

7 月24 日，将1 号凝结水泵隔离解体发现其入口轴上缠绕1.8 m 胶皮管，详见图5。将胶皮管拆除，复装凝结水泵。机组启动后，1 号凝结水泵出力恢复正常。