汽動給水泵平衡裝置的磨損原因分析與處理

成宏偉

(山東兗礦國宏化工公司,山東濟寧 273512）

汽動給水泵平衡裝置的磨損原因分析與處理

成宏偉

(山東兗礦國宏化工公司,山東濟寧 273512）

給水泵是鍋爐發電機組中較重要的輔機之一,給水泵的可靠運行,直接關系到鍋爐發電機組運行的穩定與安全。平衡裝置作為給水泵的重要部件,因其精度要求高,如果在設計、裝配、運行調整中處理不當,極易發生平衡裝置被磨損的現象,磨損嚴重時,將影響給水泵的穩定運行。現以某汽動給水泵在運行中,屢次出現平衡裝置被磨損的問題,分別從給水泵啟動方式、運行方式、設計等方面分析磨損發生的原因,并提出相應的防護措施。對其他類似給水設備的選型及運行方式的優化也有一定的借鑒作用。

給水泵;汽動;平衡裝置;軸向推力;平衡力;磨損;原因;分析

1 概 述

兗礦國宏公司的2臺160 t/hCFB鍋爐,配置2臺3DGB-10DKJ型給水泵,1臺由電動機拖動,1臺采用汽輪機拖動。鍋爐給水系統采用母管制運行方式,通常情況下,汽動泵運行,電動泵作為備用。

汽動泵采用平衡盤加止推軸承來平衡軸向力,使轉子在軸向定位。正常工況下,平衡盤完全能有效地平衡軸向力,當工況在一定范圍變化時,平衡盤會應對變化作自動調整。止推軸承會承受剩余軸向力和當平衡裝置在事故狀態下的軸向力。這種平衡盤與平衡套的徑向間隙調整范圍僅為0.08～0.10 mm。汽動給水泵的技術參數見表1。

表1 汽動給水泵技術參數

2 汽動給水泵啟動時的振動

某日,在啟動汽動高壓鍋爐給水泵的過程中,當汽機轉速增加至1500 r/min時,測量給水泵驅動端軸承水平振幅為8.5mm/s,非驅動端軸承水平振幅為7mm/s,汽輪機轉速升至2000 r/m in時,經測量,發現鍋爐給水泵驅動端軸承水平振幅為 13 mm/s,非驅動端軸承水平振幅為12mm/s,同時兩端軸承溫度急劇升高,運行人員停止啟動給水泵,對給水泵進行了拆檢,發現給水泵推力瓦塊發生不同程度磨損,同時發現給水泵的平衡盤也發生輕微磨損,檢修人員更換了磨損推力瓦,并對平衡盤的損壞部位做了研磨處理。

2008年2月18日,運行人員再次啟動汽動鍋爐給水泵,啟動時,嚴格按照汽輪機啟動步驟進行操作,隨著汽輪機轉速的升高,給水泵的泵體振動逐漸增大。當汽輪機轉速升至4400 r/min時,發現給水泵驅動端軸承振幅達17mm/s,非驅動端軸承振幅為16mm/s,只能再次停止啟泵,隨后對給水泵進行拆檢,發現平衡盤、平衡套以及推力瓦發生較嚴重的磨損,見圖1所示。同時也發現給水泵的機械密封、軸瓦均有磨損現象,大軸彎曲約3.5mm,給水泵只能返廠大修。

3 軸向推力產生及平衡盤的工作原理

3.1 軸向力的產生機理

圖1 被磨損的推力瓦塊

單吸水泵在運行時,由于作用在葉輪兩側的壓力不相等,產生了一個指向泵吸入口并與軸平行的軸向推力,這個力往往可以達到很大的數值,將整個轉子壓向吸入口,這個軸向推力對泵的運行十分不利。當葉輪工作時,假設在進口處液體的壓力為p1,在出口處液體壓力增加到p2。葉輪出口處的液體經過泵殼與葉輪之間的間隙,流入環形空間A和B中,在旋轉葉輪的帶動下,在A和B的空間中,液體以葉輪轉速一半的速度旋轉。所以,在A和B空間中,液體就不能保持壓力p2,也會受到葉輪旋轉的影響,壓力沿半徑方向,按拋物線的規律分布。在密封環半徑rm以外,葉輪兩側壓力分布是對稱的,因此,力的作用保持平衡。在密封環半徑r m以內,左側是葉輪吸入口的液體壓力p1,右側是按拋物線分布的轉向的壓力。在密封環半徑r m以內,兩側的壓差與對應的投影面積的乘積,就是作用于葉輪的軸向推力,其方向是指向吸入側的。

軸向力可用下式計算,即:

式中 F1——作用在葉輪上的軸向推力,N;

p1—— 葉輪進口壓力,N/m2;

p2—— 葉輪出口壓力,N/m2;

r m—— 葉輪密封環半徑,m;

r1—— 葉輪輪轂半徑,m。

3.2 平衡盤的工作原理

平衡盤是鍋爐給水泵平衡裝置中的一種,一般裝在末級葉輪的后面,平衡盤與轉軸一同旋轉,在平衡盤前的殼體上裝有平衡套,平衡盤后的空間與離心泵第一級葉輪吸入室相連,使之保持低壓 p0,在平衡盤與平衡套之間形成一軸向間隙b0,在末級葉輪與平衡室之間有一徑向間隙b,如圖2所示。當離心泵正常工作時,末級葉輪出口處的壓力為p,通過徑向間隙b泄露后,由于阻力損失,壓力降到p′,p′就是平衡盤前的壓力,液體在經過軸向間隙b0泄露,壓力降到p0,在平衡盤前后由于兩側由于壓差(p′-p0）的存在,作用在相應的有效面積上,便產生一個平衡力,它的方向與軸向力的方向相反。當

圖2 平衡盤裝置

31平衡盤的有效面積適當,徑向間隙b和軸向間隙b0配合良好,那么作用在平衡盤上的平衡力就能與軸向推力自動平衡。同時,平衡盤能夠根據泵運行時負荷自動平衡軸向推力。

4 平衡盤磨損的原因

4.1 汽輪機與給水泵啟動不相匹配

3DGB-10DKJ型鍋爐給水泵采用汽機拖動,但汽輪機啟動過程有一定的時間差,汽輪機不同于電機,電機啟動后轉速在很短時間內達到額定轉速。汽輪機啟動過程中,需要進行充分暖機、低速運轉,然后才逐漸提升轉速至額定轉速。

國宏公司N 2.3-2.35型拖動汽輪機啟動前,先投入盤車裝置運行,然后分別在1 000 r/min、2500 r/min、4200 r/m in、5264 r/min四個轉速段進行暖機運轉,最后才能升速至額定轉速,汽輪機從冷態啟動到正常運轉所需時間約90min,而在汽輪機啟動過程中約1h內,通過減速機后給水泵的轉速僅在535 r/min～1000 r/m in范圍內,在這個啟動過程中,給水泵的平衡力還沒有完全建立,即 F軸向力＞F平衡力,平衡盤與平衡套之間沒有形成可靠水膜,二者之間間隙也沒有達到設計規定值,造成了平衡盤與平衡套發生摩擦,這種摩擦會造成兩者之間的間隙變化,必然影響平衡盤與平衡套徑向間隙的調整,正常值在0.08～0.10mm之間,由于摩擦使得該處的間隙數值超過正常范圍。從平衡盤的工作原理可知,如平衡盤與平衡套的徑向間隙增大,將使通過這一間隙的給水泄漏量也隨之增大,會造成p′的降低,而給水泵入口壓力p0不變,所以平衡盤前后兩側壓差減小,平衡力克服不了軸向力而發生磨損事故。動靜平衡盤磨損后的結果,將使平衡力減小甚至使平衡裝置失效,在這種情況下,推力軸承已不能承受過大的軸向力,就會發生燒瓦事故。

4.2 運行方式及管道系統

4.2.1 運行方式的缺陷

國宏公司鍋爐給水系統采用母管制運行方式,通常情況下,都是汽動給水泵運行,電動給水泵作為備用。但如果發生汽動給水泵停車,造成電動泵聯鎖啟動或者2臺泵同時運行情況下,如發生汽泵跳車,系統母管中的高壓給水會迅速倒流,進入汽動給水泵出口管道引起汽動泵反轉,在這種情況下,給水泵所承受軸向力在瞬間會增加數倍,僅依靠運行人員關閉出口閥門或止回閥進行防護,在操作時間上還是很滯后,從而會引發更嚴重的鍋爐給水泵平衡裝置的磨損事故。

4.2.2原管道系統

給水泵出口管道的改進設計如圖3所示,給水泵在啟動過程中,通過調整再循環保證給水泵最小流量(該泵設計要求最小流量為70m3/h）,而在調整過程中,再循環調整過大,會增大給水泵啟動負荷,再循環調整過小,不能保證給水泵允許最小流量,容易引起給水的汽化,使給水泵工作在不穩定狀態下,在這種情況下,增加給水泵的軸向力,也會造成平衡裝置的磨損。

圖3 給水泵出口管道改造前后對比

5 改進方法

5.1 選用自平衡高壓給水泵

根據對上述原因分析,采取更換給水泵類型及加裝空排止回閥等措施。

采用多級離心泵,這種類型的給水泵具有對稱布置葉輪的轉子部件,即除氧水通過給水泵入口管道進入一級葉輪,依次加壓至第五級葉輪,然后將中壓水引出泵體轉而從泵非驅動端進入第六級葉輪,然后繼續加壓,給水最后從泵體中部第十級葉輪后引出,各級葉輪所產生的軸向力相互抵消,不需要平衡盤或平衡鼓結構就能實現轉子部件軸向力平衡,而泵在啟動、停車及工況突變時產生的少量軸向力,將由止推軸承進行平衡。這種類型的給水泵克服了汽動給水泵啟動時受汽輪機啟動方式的制約,從而大大減少了平衡裝置磨損幾率。

5.2 加裝空排止回閥

加裝空排止回閥,這種閥門類似一聯成閥,能可靠防止介質倒流及起空排作用,一方面可以保證給水泵啟動時的最小流量,保證給水不發生汽化,同時有效防止了給水倒流引發的給水泵反轉磨損,對鍋爐給水泵平衡裝置起到一定的保護作用。

6 改進后效果

2009年8月13日,對改造后的汽動泵進行試車,汽輪機啟動嚴格按照規程進行升速,啟動過程中分別在 1000 r/m in 、2500 r/min 、4200 r/min 、5264 r/min四個轉速段進行泵體軸承振動測量,同時查看DCS上振動趨勢,測量結果顯示,泵體驅動端水平振動最大值為2.3mm/s,非驅動端軸承水平振動值最大為1.6mm/s,給水泵的各項工況參數均顯正常,這說明管道系統改造取得了成功。

7 結束語

鍋爐發電機組的汽動給水泵的平衡裝置較易產生磨損,一旦出現平衡裝置故障時,應根據產生磨損的主要原因進行逐項分析,給水泵的設計不匹配,以及運行方式不當,就會造成給水泵在運行中出現平衡裝置被磨損現象,通過設計改造及運行方式的調整,可以有效減小磨損,降低給水泵運行時的振動。

[1]王國清.汽輪機設備運行[M].北京:中國電力出版社,2005.

[2]趙青松,等.多級離心泵平衡盤磨損的原因分析及處理措施[J].河南化工,2005,22:40-45.

[3]李景和,齊兵.6×14CBS-4型鍋爐給水泵平衡盤磨損處理措施[J].電力安全技術,2007,9(4）:45-46.

Analysis on the Abrasion of the Balance Device of Steam-driven Pump and its Countermeasures

CHENG Hongwei
(Shandong Guohong Chemical Company,Yanzhou M ining Industry Company,Jining,Shangdong,273512,China）

Feed-w ater pump is one of important auxiliary equipment in a boiler generation unit.Its reliable operation w ill have a direct bearing on the stab le&safe operation of the power generating unit.As an important com ponent,the balance device is easy to occur with the abrasion because of its requirement of high accuracy if the balance device fails in its design,assemb ly and operation,which w ill affect the stable operation of pump if its abrasion is serious.The reasons of abrasion on the balance device have been analyzed in the paper from the w ays of start-over,operation and design of steam-d riven pump and corresponding countermeasures have been put forw ard which is usefu l to the selection of sim ilar feedwater equipment and optim ization of operating way.

feed-w ater pump;steam-driven;balance unit;axial thrust;balance force;abrasion;reason;analysis

TK264.1+2

B

1672-0210(2010）01-0030-04

2009-06-03

2010-03-09

成宏偉(1981-）,男,本科,助理工程師,熱能與動力工程專業畢業,現從事熱電廠鍋爐與汽輪機運行方面的技術管理工作。

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