变频调速给水泵平衡盘磨损原因分析及对策

2024-01-22周柏成茆亚平姜冠军

内蒙古电力技术 2023年6期

周柏成，茆亚平，姜冠军

（江苏国信仪征热电有限责任公司，江苏扬州 225000）

0 引言

火力发电厂给水泵的主要功能是将除氧器中的饱和水增压后送至锅炉高压汽包，给水泵作为火力发电厂中的重要辅机，其可靠性直接关系着电厂的安全经济运行[1-2]。给水泵扬程高、流量大，一般采用级数多、叶轮同一方向排列的多级离心泵，运行时转子在叶轮前后压差的作用下，需要承受较大的轴向推力，一般大型多级高压给水泵运行时轴向推力可达几万牛顿[3-5]。为了消除给水泵中巨大的轴向推力，需采用平衡装置来平衡转子的轴向推力。目前，多级给水泵主要采用平衡盘和平衡鼓来平衡轴向推力[6-7]，其中平衡盘的使用更为广泛。变频调速给水泵节能效果明显[8-12]，但由于设计、维护、运行等原因，在变频调速给水泵使用过程中，平衡盘磨损是给水泵常见的故障之一。平衡盘的异常磨损将导致给水泵振动增大、轴承损坏、机封漏水，严重时甚至会造成给水泵动静摩擦、电机烧毁等故障[13-14]，因此查明平衡盘异常磨损原因、找准对策方法，对给水泵安全运行具有重要意义。本文分析了某燃气-蒸汽联合循环机组变频调速给水泵平衡盘磨损的原因，并提出相应的解决措施。

1 设备概况

某公司2×100 MW 燃气-蒸汽联合循环发电机组，采用一拖一分轴布置。燃气轮机为美国通用电气公司生产的6F.03 燃气轮机。汽轮机为双压、冲动、单缸、单排汽抽凝式汽轮机。余热锅炉为双压、无补燃、自然循环余热锅炉，锅炉高压蒸汽额定蒸发量为121.06 t/h、压力为6.97 MPa、温度为542 ℃；低压蒸汽额定蒸发量为16.42 t/h、压力为0.47 MPa、温度为219.1 ℃。

1.1 高压给水系统

余热锅炉高压给水系统包括1 台除氧器、2 台100%容量给水泵及相应的管道、阀门、滤网等附件。其中除氧器与低压汽包采用一体化设计，即低压汽包锅筒作为除氧器水箱，来自低压汽包锅筒的饱和水，经过给水泵增压后送至高压汽包，给水泵出口设有最小流量阀，最小流量阀旁路通过再循环管路回到低压汽包锅筒，高压给水系统见图1。

图1 高压给水系统图Fig.1 Diagram of high pressure feed water system

1.2 给水泵

给水泵由上海凯士比泵有限公司生产制造，型号为HGC3/11，额定流量149 t/h、扬程913.5 m、额定转速2980 r/min、进口压力0.52 MPa，电机驱动，轴端密封。给水泵采用平衡盘来平衡轴向推力，同时设有启停装置。2 台给水泵均为调速型给水泵，采用高压变频器调速，给水泵典型工况对应转速的特性曲线（Q-H）如图2所示。给水泵变频启动过程中的升速曲线由变频器程序预设的加速时间控制，由0平均升速至额定转速2980 r/min时间为180 s。运行人员可以通过分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）给变频器任一频率指令来控制给水泵转速，但升、减速的速率只能按照变频器设定的升、减速曲线进行。

图2 给水泵典型工况对应转速的特性（Q-H）曲线Fig.2 Characteristic (Q-H) curve of speed corresponding to typical working conditions of feed water pumps

1.3 最小流量阀

最小流量阀采用德国苏尔达带止回功能的TDM 型自动再循环阀，型号为TDM137FUW-CS，形式为多级节流串式，主路为弹簧式止回阀，旁路为带自动感应启闭功能的多节减压机构，主路和旁路均具有止回功能。当给水泵无流量或流量很小时，为防止给水泵过热和汽蚀，保证给水泵的最小流量，在给水泵出口设置最小流量阀，以保证给水泵在任何情况下出口流量均大于给水泵规定的最低安全流量，即最小流量[15]。如图1所示，最小流量阀安装在给水泵出口阀与泵体之间，旁路出口连接至低压汽包锅筒，因此又叫再循环止回阀[16]。

2 工作原理

2.1 平衡盘

平衡盘具有自动平衡轴向推力的作用，可以根据轴向推力的变化，改变平衡盘的位置，达到自动平衡轴向推力的目的[17-19]。平衡盘装在泵轴上，是平衡装置的转动部件；平衡板装在出水壳体上，是平衡装置的静止部件。平衡盘的工作原理如图3所示，末级叶轮流出的一部分高压水经过径向间隙b0（节流套与泵轴间隙），进入由平衡盘和平衡板构成的平衡室，此时高压水进入平衡室后压力由P降至P’，平衡板与平衡盘之间泄露的水（压力为Pv）流入给水泵入口，与给水泵内压力相近。P’远高于Pv，平衡盘在P’和Pv的压差作用下推动整个转子部件朝出水侧方向移动，称为平衡盘的平衡力，用来平衡进水侧方向的轴向推力[20-21]。平衡盘与平衡板之间的间隙随轴向推力而不断变化以实现动态平衡。当平衡盘的平衡力小于轴向推力时，在剩余轴向推力的作用下转子向进水侧移动，其间隙b减小，导致b处泄流量减小，使平衡室中的压力P’逐步升高，平衡盘的平衡力增大。当平衡盘的平衡力大于轴向推力时，平衡盘推动转子向出水侧移动，间隙b增大，导致b 处泄流量增大，平衡室中的压力P’又会降低，平衡盘的平衡力减小，当减小到小于轴向推力时，又重复上述过程。由于惯性力存在，转子始终处于动态平衡[5]。

图3 平衡盘工作原理Fig.3 Working principle diagram of balance disc

2.2 最小流量阀

TDM型最小流量阀由主阀和旁路阀构成，主路和旁路均具有止回功能，结构如图4 所示。主阀为常规弹簧式止回阀，由弹簧、主阀阀芯、阀体等组成，其作用是防止给水泵出口高压水倒流。旁路为带自动感应启闭功能的多级节流串减压机构，由控制杆、控制头、泄压轴套、泄压杆、涡流锥套（旁路阀座）、多级涡流锥（旁路阀芯）等组成，通过与主阀相连的控制杆可以在水泵正常运行时控制旁路强制关闭。旁路阀芯为多级涡流锥，可实现多节节流减压，防止旁路汽蚀[22]，多级涡流锥中间为通孔。

图4 TDM型最小流量阀结构图Fig.4 Structure diagram of TDM minimum flow valve

给水泵启动初期，主路关闭，旁路在泄压杆右侧由泄压杆、多级涡流锥和涡流锥套形成一个高压区。因为多级涡流锥中心与旁路出口相连通，泄压杆左侧为低压区。在压差的作用下多级涡流锥向左移动，旁路开启[6]。随着给水泵出口压力逐步升高，主阀打开，在控制杆的强制作用下，控制头推动多级涡流锥向右移动，旁路被强制关闭。给水泵停止过程中，主阀关闭，多级涡流锥在压差的作用下，旁路再次打开。经过试验，当给水泵出口压力低于1.5 MPa时，存在最小流量阀旁路未开启或未完全开启的风险。

3 平衡盘磨损故障

2×100 MW 燃气-蒸汽联合循环发电机组在调试及商业运行初期，多次发生给水泵振动增大、机封漏水、轴承温度高等故障。检修时，常见的故障有轴瓦磨损、机械密封动静摩擦副破损、启停装置推力轴承损坏、首级叶轮进口处轻微汽蚀等，并且每次检修均会发现平衡盘与平衡板磨损严重问题。检查平衡盘与平衡板表面发现有松动的金属条状切削物，平衡盘与平衡板均存在深度不均的密集条状沟槽，表面平整度较差，如图5所示。统计发现，给水泵平衡盘异常磨损发生的时间以锅炉温态或热态启动上水期间居多，另外，在机组商业运行初期发生过最小流量阀卡涩和内漏问题。

图5 磨损后的平衡盘Fig.5 Worn balance disc

4 原因分析

4.1 机理分析

4.1.1 低转速运行时平衡力小于轴向力

根据给水泵平衡盘工作原理，平衡盘是利用末级叶轮出口高压水的压力来平衡轴向推力。当给水泵转速较低时，相应的高压水压力也低，经过b0节流套降压后的压力P’与平衡室外腔压力Pv形成的压差不足以平衡轴向推力，剩余轴向推力只能由给水泵的启停装置来平衡。由于启停装置仅由4根小弹簧组成，随着轴向推力增大，启停装置将无法平衡，导致平衡盘与平衡板碰磨[23]。因此，分析认为当给水泵低转速运行时末级叶轮出口水压低，平衡盘产生的平衡力无法平衡轴向推力，而启停装置同样无法克服此时的轴向推力，造成了平衡盘与平衡板磨损[24]。

4.1.2 低转速运行时给水泵发生汽蚀

根据TDM型最小流量阀工作原理可知，给水泵启动初期TDM 型最小流量阀是通过泄压轴套两侧的压差将旁路开启的。当给水泵启动初期低转速运行时，出口阀未打开，且出口压力不足以使最小流量阀泄压杆左右两侧形成足够大的压差将旁路打开，给水泵就会低于最低安全流量运行，甚至出现“打闷泵”的现象。尤其是余热锅炉热态上水初期，给水泵进口为热水，若最小流量阀不动作或动作缓慢，给水泵低于最低安全流量运行，泵内给水与叶轮摩擦产生的热量不能被带走，只能以热能的形式传递至给水，使得给水泵内水温升高。当水温升至给水泵内最低压力处的饱和温度，就会在最低压力点发生汽蚀[25-26]，即在平衡盘低压侧和首级叶轮进口处发生汽蚀。水泵的汽蚀会引起水泵转子大幅窜动或振动，造成平衡盘和平衡板撞击、摩擦。若给水泵长时间低于最低安全流量运行，随着水温持续不断升高，经过节流套降压后的高温水也会在平衡盘与平衡板之间发生汽蚀[27]，导致平衡盘缺水干摩擦。

4.2 原因分析

（1）给水泵变频器预设的加速时间为180 s，即给水泵由0 r/min平均升速至额定转速2980 r/min需180 s。给水泵转速达到最低允许转速1000 r/min需60.5 s[28-29]，在此期间给水泵平衡盘存在持续磨损。

（2）在机组启动时，运行人员进行锅炉上水时一般采用给水泵变频上水的方式。操作步骤为将变频器输出调至25%，随后60 s 内缓慢增加给水泵转速至1500 r/min，再手动缓慢开启给水泵出口阀向系统注水，期间保持再循环手动阀开启。当变频器输出设定为25%时，对应给水泵转速仅为745 r/min，低于给水泵最低允许转速。按照给水泵的升速曲线，升速至745 r/min需要45 s，此期间平衡盘无法正常工作，最小流量阀未打开，给水泵平衡盘与平衡板存在摩擦。当给水泵转速升至745 r/min 后，60 s内转速才缓慢升速至1500 r/min，升速率太慢，进一步增加了给水泵低转速运行和平衡盘磨损时间。另外，因电网调峰需要，给水泵启停频繁也是平衡盘磨损的原因之一。

（3）在检修中发现给水泵最小流量阀中存在大量杂质，基建时施工验收不到位，系统洁净度差，给水中所含杂质进入平衡盘系统也会导致平衡盘磨损。

5 处理措施

（1）优化变频给水泵升速曲线，最短时间内使给水泵转速升至1000 r/min、出口压力达1.5 MPa，减少启动过程中的低转速运行时间，保证最小流量阀旁路及时开启。同时需要防止给水泵转速升至1000 r/min 后，升速变化太快、轴向推力变动大，导致平衡盘左右窜动，造成平衡盘磨损。

结合变频器和给水泵特性，优化变频给水泵升速曲线，在变频器内设定两种加速时间，即设定两种给水泵升速曲线，第一种升速曲线转速为0～2980 r/min，时间为15 s；对应的0～1000 r/min升速时间为5 s。第二种升速曲线为0 ～2980 r/min，时间为180 s。给水泵启动时DCS 首先自动选择第一种升速曲线，5 s内给水泵转速升至1000 r/min后，DCS自动切换至第二种升速曲线，从而实现1000 r/min 至2980 r/min 的稳定升速，图6 为变频给水泵升速曲线。