成宏偉

(山東兗礦國宏化工公司,山東濟(jì)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(jì)寧 273512）

給水泵是鍋爐發(fā)電機(jī)組中較重要的輔機(jī)之一,給水泵的可靠運(yùn)行,直接關(guān)系到鍋爐發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)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(shè)計(jì)、裝配、運(yùn)行調(diào)整中處理不當(dāng),極易發(fā)生平衡裝置被磨損的現(xiàn)象,磨損嚴(yán)重時,將影響給水泵的穩(wěn)定運(yùn)行。現(xiàn)以某汽動給水泵在運(yùn)行中,屢次出現(xiàn)平衡裝置被磨損的問題,分別從給水泵啟動方式、運(yùn)行方式、設(shè)計(jì)等方面分析磨損發(fā)生的原因,并提出相應(yīng)的防護(hù)措施。對其他類似給水設(shè)備的選型及運(yùn)行方式的優(yōu)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(jī)拖動,1臺采用汽輪機(jī)拖動。鍋爐給水系統(tǒng)采用母管制運(yùn)行方式,通常情況下,汽動泵運(yùn)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(zhuǎn)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(dāng)工況在一定范圍變化時,平衡盤會應(yīng)對變化作自動調(diào)整。止推軸承會承受剩余軸向力和當(dāng)平衡裝置在事故狀態(tài)下的軸向力。這種平衡盤與平衡套的徑向間隙調(diào)整范圍僅為0.08～0.10 mm。汽動給水泵的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 汽動給水泵技術(shù)參數(shù)

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(dāng)汽機(jī)轉(zhuǎn)速增加至1500 r/min時,測量給水泵驅(qū)動端軸承水平振幅為8.5mm/s,非驅(qū)動端軸承水平振幅為7mm/s,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升至2000 r/m in時,經(jīng)測量,發(fā)現(xiàn)鍋爐給水泵驅(qū)動端軸承水平振幅為 13 mm/s,非驅(qū)動端軸承水平振幅為12mm/s,同時兩端軸承溫度急劇升高,運(yùn)行人員停止啟動給水泵,對給水泵進(jìn)行了拆檢,發(fā)現(xiàn)給水泵推力瓦塊發(fā)生不同程度磨損,同時發(fā)現(xiàn)給水泵的平衡盤也發(fā)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(yùn)行人員再次啟動汽動鍋爐給水泵,啟動時,嚴(yán)格按照汽輪機(jī)啟動步驟進(jìn)行操作,隨著汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的升高,給水泵的泵體振動逐漸增大。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升至4400 r/min時,發(fā)現(xiàn)給水泵驅(qū)動端軸承振幅達(dá)17mm/s,非驅(qū)動端軸承振幅為16mm/s,只能再次停止啟泵,隨后對給水泵進(jìn)行拆檢,發(fā)現(xiàn)平衡盤、平衡套以及推力瓦發(fā)生較嚴(yán)重的磨損,見圖1所示。同時也發(fā)現(xiàn)給水泵的機(jī)械密封、軸瓦均有磨損現(xiàn)象,大軸彎曲約3.5mm,給水泵只能返廠大修。

3 軸向推力產(chǎn)生及平衡盤的工作原理

3.1 軸向力的產(chǎn)生機(jī)理

圖1 被磨損的推力瓦塊

單吸水泵在運(yùn)行時,由于作用在葉輪兩側(cè)的壓力不相等,產(chǎn)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(dá)到很大的數(shù)值,將整個轉(zhuǎn)子壓向吸入口,這個軸向推力對泵的運(yùn)行十分不利。當(dāng)葉輪工作時,假設(shè)在進(jìn)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(jīng)過泵殼與葉輪之間的間隙,流入環(huán)形空間A和B中,在旋轉(zhuǎn)葉輪的帶動下,在A和B的空間中,液體以葉輪轉(zhuǎn)速一半的速度旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)的影響,壓力沿半徑方向,按拋物線的規(guī)律分布。在密封環(huán)半徑rm以外,葉輪兩側(cè)壓力分布是對稱的,因此,力的作用保持平衡。在密封環(huán)半徑r m以內(nèi),左側(cè)是葉輪吸入口的液體壓力p1,右側(cè)是按拋物線分布的轉(zhuǎn)向的壓力。在密封環(huán)半徑r m以內(nèi),兩側(cè)的壓差與對應(yīng)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(cè)的。

軸向力可用下式計(jì)算,即:

式中 F1——作用在葉輪上的軸向推力,N;

p1—— 葉輪進(jìn)口壓力,N/m2;

p2—— 葉輪出口壓力,N/m2;

r m—— 葉輪密封環(huán)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(zhuǎn)軸一同旋轉(zhuǎn),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(dāng)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(jīng)過軸向間隙b0泄露,壓力降到p0,在平衡盤前后由于兩側(cè)由于壓差(p′-p0）的存在,作用在相應(yīng)的有效面積上,便產(chǎn)生一個平衡力,它的方向與軸向力的方向相反。當(dāng)

圖2 平衡盤裝置

31平衡盤的有效面積適當(dāng),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(jù)泵運(yùn)行時負(fù)荷自動平衡軸向推力。

4 平衡盤磨損的原因

4.1 汽輪機(jī)與給水泵啟動不相匹配

3DGB-10DKJ型鍋爐給水泵采用汽機(jī)拖動,但汽輪機(jī)啟動過程有一定的時間差,汽輪機(jī)不同于電機(jī),電機(jī)啟動后轉(zhuǎn)速在很短時間內(nèi)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。汽輪機(jī)啟動過程中,需要進(jìn)行充分暖機(jī)、低速運(yùn)轉(zhuǎn),然后才逐漸提升轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速。

國宏公司N 2.3-2.35型拖動汽輪機(jī)啟動前,先投入盤車裝置運(yùn)行,然后分別在1 000 r/min、2500 r/min、4200 r/m in、5264 r/min四個轉(zhuǎn)速段進(jìn)行暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),最后才能升速至額定轉(zhuǎn)速,汽輪機(jī)從冷態(tài)啟動到正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需時間約90min,而在汽輪機(jī)啟動過程中約1h內(nèi),通過減速機(jī)后給水泵的轉(zhuǎn)速僅在535 r/min～1000 r/m in范圍內(nèi),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(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定值,造成了平衡盤與平衡套發(fā)生摩擦,這種摩擦?xí)斐蓛烧咧g的間隙變化,必然影響平衡盤與平衡套徑向間隙的調(diào)整,正常值在0.08～0.10mm之間,由于摩擦使得該處的間隙數(shù)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(cè)壓差減小,平衡力克服不了軸向力而發(fā)生磨損事故。動靜平衡盤磨損后的結(jié)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(fā)生燒瓦事故。

4.2 運(yùn)行方式及管道系統(tǒng)

4.2.1 運(yùn)行方式的缺陷

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

4.2.2原管道系統(tǒng)

給水泵出口管道的改進(jìn)設(shè)計(jì)如圖3所示,給水泵在啟動過程中,通過調(diào)整再循環(huán)保證給水泵最小流量(該泵設(shè)計(jì)要求最小流量為70m3/h）,而在調(diào)整過程中,再循環(huán)調(diào)整過大,會增大給水泵啟動負(fù)荷,再循環(huán)調(diào)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(wěn)定狀態(tài)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(jìn)方法

5.1 選用自平衡高壓給水泵

根據(jù)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(zhuǎn)子部件,即除氧水通過給水泵入口管道進(jìn)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(zhuǎn)而從泵非驅(qū)動端進(jìn)入第六級葉輪,然后繼續(xù)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(chǎn)生的軸向力相互抵消,不需要平衡盤或平衡鼓結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子部件軸向力平衡,而泵在啟動、停車及工況突變時產(chǎn)生的少量軸向力,將由止推軸承進(jìn)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(jī)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(lián)成閥,能可靠防止介質(zhì)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(fā)生汽化,同時有效防止了給水倒流引發(fā)的給水泵反轉(zhuǎn)磨損,對鍋爐給水泵平衡裝置起到一定的保護(hù)作用。

6 改進(jìn)后效果

2009年8月13日,對改造后的汽動泵進(jìn)行試車,汽輪機(jī)啟動嚴(yán)格按照規(guī)程進(jìn)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(zhuǎn)速段進(jìn)行泵體軸承振動測量,同時查看DCS上振動趨勢,測量結(jié)果顯示,泵體驅(qū)動端水平振動最大值為2.3mm/s,非驅(qū)動端軸承水平振動值最大為1.6mm/s,給水泵的各項(xiàng)工況參數(shù)均顯正常,這說明管道系統(tǒng)改造取得了成功。

7 結(jié)束語

鍋爐發(fā)電機(jī)組的汽動給水泵的平衡裝置較易產(chǎn)生磨損,一旦出現(xiàn)平衡裝置故障時,應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生磨損的主要原因進(jìn)行逐項(xiàng)分析,給水泵的設(shè)計(jì)不匹配,以及運(yùn)行方式不當(dāng),就會造成給水泵在運(yùn)行中出現(xiàn)平衡裝置被磨損現(xiàn)象,通過設(shè)計(jì)改造及運(yùn)行方式的調(diào)整,可以有效減小磨損,降低給水泵運(yùn)行時的振動。

[1]王國清.汽輪機(jī)設(shè)備運(yùn)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(shù),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(yè)畢業(yè),現(xiàn)從事熱電廠鍋爐與汽輪機(jī)運(yùn)行方面的技術(shù)管理工作。

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