變頻調速給水泵平衡盤磨損原因分析及對策

周柏成，茆亞平，姜冠軍

（江蘇國信儀征熱電有限責任公司，江蘇 揚州 225000）

0 引言

火力發電廠給水泵的主要功能是將除氧器中的飽和水增壓后送至鍋爐高壓汽包，給水泵作為火力發電廠中的重要輔機，其可靠性直接關系著電廠的安全經濟運行[1-2]。給水泵揚程高、流量大，一般采用級數多、葉輪同一方向排列的多級離心泵，運行時轉子在葉輪前后壓差的作用下，需要承受較大的軸向推力，一般大型多級高壓給水泵運行時軸向推力可達幾萬牛頓[3-5]。為了消除給水泵中巨大的軸向推力，需采用平衡裝置來平衡轉子的軸向推力。目前，多級給水泵主要采用平衡盤和平衡鼓來平衡軸向推力[6-7]，其中平衡盤的使用更為廣泛。變頻調速給水泵節能效果明顯[8-12]，但由于設計、維護、運行等原因，在變頻調速給水泵使用過程中，平衡盤磨損是給水泵常見的故障之一。平衡盤的異常磨損將導致給水泵振動增大、軸承損壞、機封漏水，嚴重時甚至會造成給水泵動靜摩擦、電機燒毀等故障[13-14]，因此查明平衡盤異常磨損原因、找準對策方法，對給水泵安全運行具有重要意義。本文分析了某燃氣-蒸汽聯合循環機組變頻調速給水泵平衡盤磨損的原因，并提出相應的解決措施。

1 設備概況

某公司2×100 MW 燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，采用一拖一分軸布置。燃氣輪機為美國通用電氣公司生產的6F.03 燃氣輪機。汽輪機為雙壓、沖動、單缸、單排汽抽凝式汽輪機。余熱鍋爐為雙壓、無補燃、自然循環余熱鍋爐，鍋爐高壓蒸汽額定蒸發量為121.06 t/h、壓力為6.97 MPa、溫度為542 ℃；低壓蒸汽額定蒸發量為16.42 t/h、壓力為0.47 MPa、溫度為219.1 ℃。

1.1 高壓給水系統

余熱鍋爐高壓給水系統包括1 臺除氧器、2 臺100%容量給水泵及相應的管道、閥門、濾網等附件。其中除氧器與低壓汽包采用一體化設計，即低壓汽包鍋筒作為除氧器水箱，來自低壓汽包鍋筒的飽和水，經過給水泵增壓后送至高壓汽包，給水泵出口設有最小流量閥，最小流量閥旁路通過再循環管路回到低壓汽包鍋筒，高壓給水系統見圖1。

圖1 高壓給水系統圖Fig.1 Diagram of high pressure feed water system

1.2 給水泵

給水泵由上海凱士比泵有限公司生產制造，型號為HGC3/11，額定流量149 t/h、揚程913.5 m、額定轉速2980 r/min、進口壓力0.52 MPa，電機驅動，軸端密封。給水泵采用平衡盤來平衡軸向推力，同時設有啟停裝置。2 臺給水泵均為調速型給水泵，采用高壓變頻器調速，給水泵典型工況對應轉速的特性曲線（Q-H）如圖2所示。給水泵變頻啟動過程中的升速曲線由變頻器程序預設的加速時間控制，由0平均升速至額定轉速2980 r/min時間為180 s。運行人員可以通過分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）給變頻器任一頻率指令來控制給水泵轉速，但升、減速的速率只能按照變頻器設定的升、減速曲線進行。

圖2 給水泵典型工況對應轉速的特性（Q-H）曲線Fig.2 Characteristic (Q-H) curve of speed corresponding to typical working conditions of feed water pumps

1.3 最小流量閥

最小流量閥采用德國蘇爾達帶止回功能的TDM 型自動再循環閥，型號為TDM137FUW-CS，形式為多級節流串式，主路為彈簧式止回閥，旁路為帶自動感應啟閉功能的多節減壓機構，主路和旁路均具有止回功能。當給水泵無流量或流量很小時，為防止給水泵過熱和汽蝕，保證給水泵的最小流量，在給水泵出口設置最小流量閥，以保證給水泵在任何情況下出口流量均大于給水泵規定的最低安全流量，即最小流量[15]。如圖1所示，最小流量閥安裝在給水泵出口閥與泵體之間，旁路出口連接至低壓汽包鍋筒，因此又叫再循環止回閥[16]。

2 工作原理

2.1 平衡盤

平衡盤具有自動平衡軸向推力的作用，可以根據軸向推力的變化，改變平衡盤的位置，達到自動平衡軸向推力的目的[17-19]。平衡盤裝在泵軸上，是平衡裝置的轉動部件；平衡板裝在出水殼體上，是平衡裝置的靜止部件。平衡盤的工作原理如圖3所示，末級葉輪流出的一部分高壓水經過徑向間隙b0（節流套與泵軸間隙），進入由平衡盤和平衡板構成的平衡室，此時高壓水進入平衡室后壓力由P降至P’，平衡板與平衡盤之間泄露的水（壓力為Pv）流入給水泵入口，與給水泵內壓力相近。P’遠高于Pv，平衡盤在P’和Pv的壓差作用下推動整個轉子部件朝出水側方向移動，稱為平衡盤的平衡力，用來平衡進水側方向的軸向推力[20-21]。平衡盤與平衡板之間的間隙隨軸向推力而不斷變化以實現動態平衡。當平衡盤的平衡力小于軸向推力時，在剩余軸向推力的作用下轉子向進水側移動，其間隙b減小，導致b處泄流量減小，使平衡室中的壓力P’逐步升高，平衡盤的平衡力增大。當平衡盤的平衡力大于軸向推力時，平衡盤推動轉子向出水側移動，間隙b增大，導致b 處泄流量增大，平衡室中的壓力P’又會降低，平衡盤的平衡力減小，當減小到小于軸向推力時，又重復上述過程。由于慣性力存在，轉子始終處于動態平衡[5]。

圖3 平衡盤工作原理Fig.3 Working principle diagram of balance disc

2.2 最小流量閥

TDM型最小流量閥由主閥和旁路閥構成，主路和旁路均具有止回功能，結構如圖4 所示。主閥為常規彈簧式止回閥，由彈簧、主閥閥芯、閥體等組成，其作用是防止給水泵出口高壓水倒流。旁路為帶自動感應啟閉功能的多級節流串減壓機構，由控制桿、控制頭、泄壓軸套、泄壓桿、渦流錐套（旁路閥座）、多級渦流錐（旁路閥芯）等組成，通過與主閥相連的控制桿可以在水泵正常運行時控制旁路強制關閉。旁路閥芯為多級渦流錐，可實現多節節流減壓，防止旁路汽蝕[22]，多級渦流錐中間為通孔。

圖4 TDM型最小流量閥結構圖Fig.4 Structure diagram of TDM minimum flow valve

給水泵啟動初期，主路關閉，旁路在泄壓桿右側由泄壓桿、多級渦流錐和渦流錐套形成一個高壓區。因為多級渦流錐中心與旁路出口相連通，泄壓桿左側為低壓區。在壓差的作用下多級渦流錐向左移動，旁路開啟[6]。隨著給水泵出口壓力逐步升高，主閥打開，在控制桿的強制作用下，控制頭推動多級渦流錐向右移動，旁路被強制關閉。給水泵停止過程中，主閥關閉，多級渦流錐在壓差的作用下，旁路再次打開。經過試驗，當給水泵出口壓力低于1.5 MPa時，存在最小流量閥旁路未開啟或未完全開啟的風險。

3 平衡盤磨損故障

2×100 MW 燃氣-蒸汽聯合循環發電機組在調試及商業運行初期，多次發生給水泵振動增大、機封漏水、軸承溫度高等故障。檢修時，常見的故障有軸瓦磨損、機械密封動靜摩擦副破損、啟停裝置推力軸承損壞、首級葉輪進口處輕微汽蝕等，并且每次檢修均會發現平衡盤與平衡板磨損嚴重問題。檢查平衡盤與平衡板表面發現有松動的金屬條狀切削物，平衡盤與平衡板均存在深度不均的密集條狀溝槽，表面平整度較差，如圖5所示。統計發現，給水泵平衡盤異常磨損發生的時間以鍋爐溫態或熱態啟動上水期間居多，另外，在機組商業運行初期發生過最小流量閥卡澀和內漏問題。

圖5 磨損后的平衡盤Fig.5 Worn balance disc

4 原因分析

4.1 機理分析

4.1.1 低轉速運行時平衡力小于軸向力

根據給水泵平衡盤工作原理，平衡盤是利用末級葉輪出口高壓水的壓力來平衡軸向推力。當給水泵轉速較低時，相應的高壓水壓力也低，經過b0節流套降壓后的壓力P’與平衡室外腔壓力Pv形成的壓差不足以平衡軸向推力，剩余軸向推力只能由給水泵的啟停裝置來平衡。由于啟停裝置僅由4根小彈簧組成，隨著軸向推力增大，啟停裝置將無法平衡，導致平衡盤與平衡板碰磨[23]。因此，分析認為當給水泵低轉速運行時末級葉輪出口水壓低，平衡盤產生的平衡力無法平衡軸向推力，而啟停裝置同樣無法克服此時的軸向推力，造成了平衡盤與平衡板磨損[24]。

4.1.2 低轉速運行時給水泵發生汽蝕

根據TDM型最小流量閥工作原理可知，給水泵啟動初期TDM 型最小流量閥是通過泄壓軸套兩側的壓差將旁路開啟的。當給水泵啟動初期低轉速運行時，出口閥未打開，且出口壓力不足以使最小流量閥泄壓桿左右兩側形成足夠大的壓差將旁路打開，給水泵就會低于最低安全流量運行，甚至出現“打悶泵”的現象。尤其是余熱鍋爐熱態上水初期，給水泵進口為熱水，若最小流量閥不動作或動作緩慢，給水泵低于最低安全流量運行，泵內給水與葉輪摩擦產生的熱量不能被帶走，只能以熱能的形式傳遞至給水，使得給水泵內水溫升高。當水溫升至給水泵內最低壓力處的飽和溫度，就會在最低壓力點發生汽蝕[25-26]，即在平衡盤低壓側和首級葉輪進口處發生汽蝕。水泵的汽蝕會引起水泵轉子大幅竄動或振動，造成平衡盤和平衡板撞擊、摩擦。若給水泵長時間低于最低安全流量運行，隨著水溫持續不斷升高，經過節流套降壓后的高溫水也會在平衡盤與平衡板之間發生汽蝕[27]，導致平衡盤缺水干摩擦。

4.2 原因分析

（1）給水泵變頻器預設的加速時間為180 s，即給水泵由0 r/min平均升速至額定轉速2980 r/min需180 s。給水泵轉速達到最低允許轉速1000 r/min需60.5 s[28-29]，在此期間給水泵平衡盤存在持續磨損。

（2）在機組啟動時，運行人員進行鍋爐上水時一般采用給水泵變頻上水的方式。操作步驟為將變頻器輸出調至25%，隨后60 s 內緩慢增加給水泵轉速至1500 r/min，再手動緩慢開啟給水泵出口閥向系統注水，期間保持再循環手動閥開啟。當變頻器輸出設定為25%時，對應給水泵轉速僅為745 r/min，低于給水泵最低允許轉速。按照給水泵的升速曲線，升速至745 r/min需要45 s，此期間平衡盤無法正常工作，最小流量閥未打開，給水泵平衡盤與平衡板存在摩擦。當給水泵轉速升至745 r/min 后，60 s內轉速才緩慢升速至1500 r/min，升速率太慢，進一步增加了給水泵低轉速運行和平衡盤磨損時間。另外，因電網調峰需要，給水泵啟停頻繁也是平衡盤磨損的原因之一。

（3）在檢修中發現給水泵最小流量閥中存在大量雜質，基建時施工驗收不到位，系統潔凈度差，給水中所含雜質進入平衡盤系統也會導致平衡盤磨損。

5 處理措施

（1）優化變頻給水泵升速曲線，最短時間內使給水泵轉速升至1000 r/min、出口壓力達1.5 MPa，減少啟動過程中的低轉速運行時間，保證最小流量閥旁路及時開啟。同時需要防止給水泵轉速升至1000 r/min 后，升速變化太快、軸向推力變動大，導致平衡盤左右竄動，造成平衡盤磨損。

結合變頻器和給水泵特性，優化變頻給水泵升速曲線，在變頻器內設定兩種加速時間，即設定兩種給水泵升速曲線，第一種升速曲線轉速為0～2980 r/min，時間為15 s；對應的0～1000 r/min升速時間為5 s。第二種升速曲線為0 ～2980 r/min，時間為180 s。給水泵啟動時DCS 首先自動選擇第一種升速曲線，5 s內給水泵轉速升至1000 r/min后，DCS自動切換至第二種升速曲線，從而實現1000 r/min 至2980 r/min 的穩定升速，圖6 為變頻給水泵升速曲線。

圖6 變頻給水泵升速曲線Fig.6 Speed-up curves of feed water pump with variable frequency drives

（2）完善給水泵運行方式。鍋爐上水時變頻器輸出開度最低要求為35%，保證5 s內給水泵轉速升至1000 r/min 以上。當進行熱態上水時，給水泵出口流量維持在30 t/h以上，避免小流量運行。

（3）利用機組調停及時對給水泵入口濾網進行檢查清理，同時在機組檢修期間堅持做好清潔凈化施工。

（4）完善變頻給水泵的報警邏輯，給水泵啟動后，當給水泵轉速低于1200 r/min 時，DCS 發出低轉速報警，提醒運行人員及時調整，避免給水泵低轉速運行[16]。

6 結束語

通過優化給水泵變頻升速曲線，完善運行控制措施，縮短了給水泵啟動過程中小于安全流量和最低轉速的運行時間，降低了給水泵平衡盤的磨損。采用本文提出的處理措施后，給水泵運行穩定，未再發生平衡盤磨損故障，有效提高了給水泵運行可靠性，可為處理同類給水泵平衡盤磨損提供參考。