低压加热器疏水泵故障分析与选型要点

韩立争，漆明贵

（中国成达工程有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

现代火力发电机组的抽汽回热系统中，除了除氧器为混合式加热器外，其余的加热器（包括高压加热器、低压加热器等）均采用表面式加热器。表面式加热器的工作原理决定了用作加热的抽汽在凝结时所产生的疏水无法与给水或凝结水直接混合，应及时排出以保证加热器正常运行。表面式加热器疏水的排出方式不仅决定了抽汽回热系统结构的复杂程度，还会影响机组的热经济性。高压加热器（简称“高加”）的疏水以逐级自流的方式最终进入除氧器，低压加热器（简称“低加”）的疏水主要有3种方式：逐级自流、逐级自流与疏水泵、逐级自流与疏水冷却器。有计算表明，低加3种疏水方式中，采用逐级自流与疏水泵的疏水方式节能效果最为明显，逐级自流结合疏水冷却器次之［1-2］，这是因为低加疏水泵将疏水直接加压送入凝结水母管，与混合式加热器的抽汽热量利用效果接近，不可逆损失降低。

火力发电机组中，低加疏水泵的故障率较高［3-5］，低加疏水泵运行可靠性低、维护工作量大，有研究提出采用疏水冷却器替换原设计的低加疏水泵，以换取更高的可靠性［6-8］，甚至有些机组在配备了低加疏水泵的条件下，为避开低加疏水泵的损坏与维护，低加长期采用危急疏水至凝汽器，影响机组整体热经济性。

通过分析低加疏水泵的故障原因，提出相应的解决方案，并从设备选型角度对低加疏水泵的选型给出建议，依据低加疏水系统的特性与运行特点进行设备选型，可有效避免低加疏水泵运行中出现的故障，为类似问题的整改以及新建项目中低加疏水泵的选型设计提供参考。

1 故障类型与处理对策

低加疏水泵的故障类型主要分为汽蚀余量不足、运行工况不稳定、加工制造缺陷3类。

汽蚀余量不足是指装置汽蚀余量NPSHa超出泵的必需汽蚀余量NPSHr余量不足，甚至出现NPSHa低于NPSHr。对所有泵类而言，要确保不发生汽蚀，NPSHa应该大于NPSHr并保持一定的安全余量，美国水力学会标准HI9.6.1—2012《旋转动力泵NPSH指南》要求火力发电厂中输送凝结水的泵，NPSHa／NPSHr≥1.0。文献［4］低加疏水泵的导叶与叶轮因汽蚀损坏穿孔；文献［9］中，NPSHa／NPSHr=0.6显然不满足标准要求，低加疏水泵运行时发生严重汽蚀问题；文献［10］低加疏水泵调试过程中出现振动大，噪声异常，其NPSHa／NPSHr=0.8，说明低加疏水泵运行时已经发生了汽蚀。

要解决汽蚀余量不足，可以通过提高NPSHa或降低NPSHr两种方法进行。

NPSHa与低加疏水的汽化压力 （与汽轮机抽汽参数、机组负荷直接相关）、低加疏水泵进口管路布置等因素有关。低加疏水为饱和状态的水，NPSHa只能通过低位布置低加疏水泵来实现，需要注意进口管路的布置，尽量减少管路长度与弯头数量，避免因阻力降过大而导致NPSHa不足。文献［9-10］通过优化低加疏水泵进口管路，有效地提高了NPSHa，改善了疏水泵运行条件。另外，当采用卧式泵时，如果经NPSHa核算后发现泵坑底标高较低，土建开挖工作量增加，可考虑更换为立式筒袋泵，既能确保足够的NPSHa，又可避免土建工作量的大幅增加。

NPSHr与外部管路系统无关，只与泵本身的吸入性能有关。在给定的操作条件下，NPSHr越低说明泵的汽蚀性能越好，但亦不可一味追求过低的NPSHr，那样会降低泵的可靠性与效率。采用双吸叶轮或低转速的泵，通常是降低NPSHr的有效途径。采用立式筒袋泵时，首级叶轮选用双吸，在提高NPSHa的同时降低了NPSHr，可大大提高设备的抗汽蚀性能与运行可靠性，非常适合于低加疏水泵这种易于发生汽蚀的工况。图1为首级采用双吸叶轮的立式筒袋泵结构。

运行工况不稳定是指低加疏水泵运行工作点并非恒定不变，低加疏水量随着主机负荷的波动而变化，对于调峰机组，负荷经常降至50%额定负荷以下，而低加疏水泵的选型点流量只能为某一固定值。根据GB 50660—2011《大中型火力发电厂设计规范》，疏水泵容量应按照在汽轮机调节阀全开工况（VWO）时接入该泵的低压加热器的疏水量之和计算，并应另加10%裕量。显然，当主机处于低负荷阶段，低加疏水量将远低于疏水泵的选型点流量，对于定速控制的低加疏水泵，只能完全依靠出口调节阀节流来调整泵的运行工况点，使低加疏水泵长期处于小流量区域运行，不仅效率低，还容易引发设备故障。根据在运机组数据，330 MW机组低加疏水泵出口调节阀开度范围为30%~70%［11］，660 MW机组低加正常运行时疏水泵出口调节阀开度仅为17%~52%［12］，可见出口调节阀的节流损失非常严重，泵实际运行工作点远离选型工况点（最佳运行工况点）。另外，由于调节阀的线性度不高，经常出现低压加热器水位维持不稳，空泵运行等问题。对于轴封采用自冲洗的泵，一旦出现空泵运行，即失去了轴封冲洗水，轴封将首先损坏［13-14］。

要解决运行工况不稳定的问题，可通过改变转速来调节低加疏水泵的能力。改变转速的方式通常有电气调速（变频调节）与机械调速（液力耦合器）。变频调节适用于各种规格的泵组，但对于大功率高压电机选用变频控制将增加较高成本；液力耦合器的采购成本低于变频调节，但需要配套工作油、润滑油管路，系统配置较为烦琐，占地空间大，而低加疏水泵布置于泵坑内，空间有限，不便于布置油管路等附属设备，因此，液力耦合器对小型低压电机驱动的泵组优势不明显。综合考虑电机容量、安装布置空间与采购成本等因素，低加疏水泵的转速调节优选变频控制。

加工制造缺陷在低加疏水泵故障中占有一定比例［5，15-17］，轴向力不平衡、关键部套的装配 工艺差是存在的典型问题，应在注意设备品牌选择的同时，加强厂内监造与出厂检验，将存在问题解决在设备出厂前。

2 疏水泵选型要点

2.1 泵型选择

某125 MW燃煤机组，共设有7级回热系统（2台高加+1台除氧器+4台低加），在6号低加设置有2台100%容量低加疏水泵，将低加疏水注入5号低加水侧进口。

吸取以往项目中的经验教训，低加疏水泵的选型首先考虑到汽蚀余量问题。根据汽轮机热力平衡图，VWO工况下的低加疏水参数为：疏水量42.1 m3／h，6号低加进汽压力0.088 MPa，疏水温度94.7℃。低加疏水泵安装在泵坑内，6号低加最低液位与低加疏水泵进口中心线高差为3.35 m，通过计算得NPSHa为2.18 m，计算过程见表1。

表1 有效汽蚀余量计算 m

对于NPSHa较低的工况，可优先选择双吸叶轮、低转速的泵，以尽可能降低NPSHr。选型过程发现，因低加疏水泵为低位布置，进口管路系统的NPSHa较为充足，选用卧式单级悬臂式离心泵配2极转速电机即可同时满足流量、扬程与汽蚀余量的要求，较两端支撑离心泵省去一套机械密封，降低了运行维护成本，2极转速的泵与电机从体量上小于4极转速，降低了采购成本。

低加疏水泵的操作条件与设备选型参数见表2。

表2 低加疏水泵操作条件与设备选型参数

为了更好地实现低加疏水泵在不同主机负荷下的灵活控制，采用变频控制的同时，保留低加疏水泵出口母管的调节阀。低加疏水泵基本的控制逻辑为：通过6号低加的液位信号调整调节阀开度，根据凝结水母管压力调整泵转速。根据实际运行情况，变频控制与出口调节阀的组合使低加疏水泵在不同工况下均可平稳运行，达到预期效果。机组实际运行负荷为117 MW，低加疏水温度为91.3℃，A泵运行转速为2 250 r／min，出口压力为1.06 MPa，疏水量为34.2 t／h，出口调节阀开度为 98.1%。

2.2 轴封型式与冲洗方案的选择

轴封型式与冲洗方案的确定是低加疏水泵选型另一个关键点，以往项目中低加疏水泵的轴封多采用填料密封或机械密封配自冲洗方案，存在较高的故障率，原因归结为：

1）工艺参数决定了低加疏水泵要将疏水注入凝结水母管，须提供足够的扬程，即泵需要较高转速。通过调研发现，单级与多级型式低加疏水泵的转速大多不低于2 900 r／min，否则将增加较多泵的级数。高转速将加速填料磨损，使其过早失效。另外，在主机低负荷与事故状态下，定速泵容易将低加疏水排空，自冲洗液随之消失，干转会使填料因过度发热而失效。

2）对于采用机械密封的低加疏水泵，其故障主要为机械密封过早泄漏，泄漏原因与定转速运行、自冲洗方案有直接关系，即一旦低加疏水排空，引自泵出口的冲洗液随即消失，干转将导致机械密封损坏。

鉴于以上两点，本项目低加疏水泵的轴封选用机械密封，冲洗液引自外部凝结水母管，使轴封冲洗液与低加疏水相互独立。设备投运后，轴封冲洗效果良好，有效保证了机械密封的使用寿命。外部冲洗液系统见图2。

图2 低加疏水泵轴封冲洗系统

3 结语

低加疏水泵的运行工况恶劣，在以往项目中故障率较高，选型设计时应务必注意泵型、轴封型式与冲洗方案的确定，并加强设备的厂内监造与出厂检验。本文工程低加疏水泵选用卧式单级悬臂式离心泵，变频调节与出口调节阀相结合，轴封选用机械密封配外部冲洗液，避开了引起设备故障的几方面关键因素，实际运行效果良好。如因NPSHa不足，选用卧式离心泵无法满足汽蚀要求，可考虑降低泵基础标高或选用立式筒袋泵。