给水泵汽蚀原因分析及低压给水系统优化.pdf

96 内 蒙 古 电 力 技 术 I N N E R MO N G O 1 I A E L E C T R I C P O WE R 2 0 1 5 年 3 3 诠 2 9 j d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 8 - 6 2 1 8 2 0 1 5 0 2 0 1 9 给水 泵汽蚀原 因分 析及低压给水 系统优化 闰晓宇 ， 贾磊 ( 1 内蒙古电力勘测设计院有限责任公司， 呼和浩特O 1 0 0 2 0 ； 2 巴彦淖尔紫金有色金属有限公司 内蒙古 巴彦淖尔0 1 5 5 0 0 ) 摘要： 某电厂给水泵在非正常工况下发生了汽蚀故障， 针对给水泵运行情况及故障现 象， 结合给水泵汽蚀发 生原理分析认 为， 机组低压给水 系统非正常运行工况是造成给水泵发生汽 蚀的主要原 因。提 出了符合工程现场实际运行条件的低压给水 系统及 管路布置方式优化措 施 ， 供 同类工程的设计 以及电厂运行操作参考 。 关键词： 给水泵； 汽蚀 ； 低压给水系统 ； 除氧器； 饱和温度 文献标志码 ： B 中图分类号 ： T K 2 2 3 7 文章编号 ： 1 0 0 86 2 1 8 ( 2 0 1 5 ) 0 20 0 9 6 0 5 Ca u s e s An a l y s i s o f Pu mp Ca v i t a t i o n a n d Op t i mi z a t i o n o f Lo w P r e s s u r e W a t e r S u p p l y S y s t e m Y AN Xi a o y u J l A l , e i ( I I n n e r Mo n g o l i a E l e c t r i c P o w e r S u r v e y& De s i g n l n s t i t u t e C o ， 1 t d ，I f o h h o t 01 0 0 2 0 ，Ch i n a 2 B a y a n n m Z i j i n N o n f e r r o u s P i o n e e r M e t a l s C ( w p m a t i o n ，B a y a n n u r 0 1 5 5 0 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：The f e e d wa t e r p ump c a v i t a t i o n f a u l t o c c u r e d u n de r a bn o r ma l wo r k i n g c o n d i t i o n i n a p o we r p l a n t ，a c c o r d i n g t o t h e w a t e r p u mp r u n n i n g a n d f a u l t p h e n o me n o n ， c o mb i n e d wi t h t he pu mp c a v i t a t i o n o c c u r r i n g pr i nc i p l e ，t ho ug h t t ha t t h e a bn o r ma l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s o f u n i t l o w p r e s s u r e w a t e r s u p p l y s y s t e m w a s t h e ma j o r c a u s e o f f e e d w a t e r p u mp c a v i t a t i o n P u t f o r w a r d a l o w- p r e s s u r e w a t e r s y s t e m c o n f o r m t o t h e a c t u a l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s a n d p i p e l a y o u t o p t i mi z a t i o n me a s u r e s t o p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r s i mi l a r e n g i n e e r i n g d e s i g n a n d p o we r p l a n t o p e r a t i o n K e y w o r d s ： f e e d w a t e r p u mp ；c a v i t a t i o n ；l o w p r e s s u r e wa t e r s u p p l y s y s t e m； d e a e r a t o r ； s a t u r a t i o n t e mp e r a t u r e 0 引言 在火力发 电厂中 ， 由于低压给水系统输送 的是 饱 和或接近饱和 的水 ， 因此 ， 在运行过程 中如果遇 到恶劣工况 ， 给水泵等设备极易发生汽蚀现象。汽 蚀是指液体从汽化开始 、 汽泡形成 、 汽泡发展到汽 泡破裂而使设备材料受到侵害的整个过程 ， 对给水 泵 而言 ， 汽蚀 的危害尤其严重u 。本文结合某 电厂 给水泵在非正常工况下发生汽蚀时的实际运行情 况和故障现象， 对汽蚀故障原因按时间顺序进行分 析 ， 并指 出汽蚀对系统及设备可能产生的危害。 1 机组概况 某发电厂装机为3 x 5 0 M W汽轮发电机组， 配套 3 x 2 6 0 t h 高温高压循环流化床锅炉。 I 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 l 一 3 0 I 作者简介I h i H kT( 1 9 8 7 ) ， ， 浆I I 人， 学 f ， 助 I 氍帅， 从*火 发电站饥驽 、 新能源， 匕 热利J I 1 2 0 1 5 年第3 3 卷第2 期 晓宇 ， 等： 给水泵汽蚀原因分析及低压给水系统优化 9 7 1 1 锅炉主要技术参数 锅 炉型号 C G 一 2 5 0 9 8 1 一 M， 型式为高温 、 高压 、 自然循环 、 循环流化床汽包锅炉 ， 为单炉膛 、 高效旋 风分离器 、 无再热 、 平衡通风 、 固态排渣结构 。 锅炉最大连续蒸发量 ( B MC R) 2 6 0 ， 额定蒸汽 压力 9 9 1 MP a ， 额定蒸汽温度 5 4 0， 给水温度 ( B M C R B R L ) 2 2 9 7 8。 1 2 汽 轮 机主 要技 术 参数 汽轮机 型号 C C 6 0 8 8 3 1 2 7 0 4 9 ， 型式 为高温 高压 、 单缸 、 冲动式 、 直接空冷 、 双抽凝汽式汽轮机 ， 回热级数 5 级。 汽轮机额定功率 ( T MC R) 6 0 Mw， T MC R工况主 蒸 汽参数 ： 压力 8 8 3 MP a ， 温度 5 3 5， 流量 2 0 9 2 t h ， 背压 1 3 k P a 。 1 3 除 氧器 每台机组设置 1 台额定 出力为2 8 6 t h 的高压旋 膜除氧器 ， 除氧水箱有效 容积 7 0 13 1 ， 满足 B MC R 工况下 1 5 mi n的给水 流量要求 。除氧器采用定压 运行 方式 。除氧 器工 作温 度为 1 5 8 o C， 工作 压力 0 49 MPa 1 号除氧器 ， 一 卜一 ! i 2 号除氧器 ， 一一 卜一 一 I ： 1 4 给 水 泵 该 工 程配 置 了4台 1 0 0 容量 给水 泵 ， 3台运 行 、 1 台备用 。给水泵 型号 2 D G 一 9 L ， 型式 为电动定 速给水泵 。给水泵扬程 1 3 7 M P a ， 流量 2 8 6 t h ， 必需 汽蚀余量 5 1 1 1 。 2 给水泵汽蚀故障现象 2 1 故障前运行方式 给水泵发生汽蚀故障前 ， 1 号锅炉带 2 号汽轮机 并 网运行 ， 2 号 、 3 号锅 炉停炉 ， 1 号 、 3 号汽轮机停 机 。 主要辅机 中 ， 2 号除氧器运行 ， 1 号 、 3 号除氧器 处于隔离状态 ； 2 号给水泵运行 ， 1 号 、 3 号 给水泵备 用 ， 4号给水 泵处 于隔离状态 。本工程低压给水系 统采用母管制方式布置 ， 低压给水系统如图 1 所示 。 2 2 故障现象 2 0 1 4 一 叭一 2 7 ， 通过运行人 员现场实 际观察 ， 记 录的故障发生过程及紧急处理方式如下 ： ( 1 )1 0 ： 3 6 ， 厂用电失 电导致 2 号汽轮机真空急 3 号 除氧器 一 卜一 一 I ： 图1 低压给水系统示意图 9 8 内 蒙 古 电 力 技 术 2 0 l 5 年第3 3 卷第2 期 剧下降 ， 低真空保护动作 、 2 号汽轮机跳 闸； ( 2 )1 0 ： 4 5 ， 厂用电恢复 ， 启动 1 号给水泵 ， 除氧 器压力 0 4 9 MP a ， 水温 1 5 8； ( 3 )1 0 ： 4 7 ， 除氧器压力 0 3 9 MP a ， 水温 1 5 1 c C， 水位大幅度摆动 ； 1 号给水泵 出口压力 、 电流迅速下 降并摆动 ， 汽包水位迅速降低 、 无法维持 。就地检 查发现 1 号给水泵严重汽化 ( 不打水 ) ， 轴端 冒汽 ， 泵 体声音异常 ， 就地紧急停泵 ； ( 4 )1 0 ： 4 9 ， 除氧器压力 0 2 5 MP a ， 水温 1 4 1 ； 启动 3 号给水泵 ， 开启 高压给水母 管与低压给水母 管排空气 阀。3 号 给水泵运行不到 1 rai n 即发生严 重汽化 ， 就地紧急停泵 ； ( 5 )1 0 ： 5 1 ， 除氧器压力 0 1 8 MP a ， 水温 1 3 3 ； 启动锅炉疏水泵向除氧器补水 ， 启动 2 号给水泵 ， 检 查正常 ， 开启出 口阀及 出口管道排空阀 ， 2 号汽轮给 水泵发生严重汽化 ， 紧急停泵 ； ( 6 )1 0 ： 5 4 ， 除氧器压力 0 0 7 MP a ， 水温 1 1 8 c c； 启动 1 号给水泵同样发生汽化( 不打水 ) ， 紧急停泵 ； ( 7 )1 0 ： 5 7除氧器压力 0 0 3 MP a ， 水温 1 0 8； 启动 2 号给水泵运行 3 mi n 发生汽化 ， 紧急停泵 ； 开 启 3 台给水泵人 口管“ n” 形弯顶部排空阀； ( 8 )1 1 ： 0 4 ， 除氧器压力 0 0 3 MP a ， 水温 1 0 0； 启动 3 号给水泵 ， 运行正常 ， 恢复锅炉上水 ； 关闭所 有给水管道排空阀。 3 给水泵汽蚀原因分析 3 1 故障过程分析 厂用 电切换 中失电导致 2 号汽轮机真空急剧下 降， 低真空保护动作导致2 号汽轮机跳闸。汽轮机 跳闸后， 给水泵停止运行， 汽包水位下降， 加热器和 除氧器汽源 中断。 1 0 ： 4 5 1 1 ： 0 4为系统故障响应期 ， 1 0 ： 4 5 厂用 电恢复后 ， 除氧器供 汽没有立刻恢复 ， 凝结水泵开 始打水， 导致除氧器水箱中水温逐渐由 1 5 8 降为 1 0 0， 压 力 随之 由 0 4 9 MP a 逐步 降至 0 0 3 MP a 。 由于除氧水箱及低压给水 系统 中的水为饱和态 ， 压 力 的降低 引发“ 自沸腾 ” 现象 ， 导致除氧器水位大幅 摆动。 给水泵入口管压力会随着除氧器压力的变化 迅速变化 ， 但 由于除氧器与给水泵人 口管 的延时作 用 ， 水 温不能很快 响应变化 ， 整个 故障响应期 给水 泵入 口管水温一直高于除氧器水温 。给水在流动 过程中， 如果出现局部的压力降， 且该处压力降低 至水温对应的饱和压力时 ， 水就会发生汽化。现场 实测压力对应的饱 和水 温度与现场实测给水 温度 的关系如图2 。 水温度 饱 和 水 温 、 1 0 8 0 6 0 4 0 2 0 除氧器实测压力 MP a 1 6 0 1 5 0 1 4 0 1 3 0越 l 2 0 赠 1 1 O 1 0 0 图2实测压力对应的饱和水温度与现场实测给水 温度 的关 系曲线 从图2 可看出， 故障发生后 ， 导致进入除氧器的 加热抽汽 中断 ， 除氧器 内的压力开始逐渐下降 ， 且 下降速率越来越快 ， 但故障响应期内的给水泵人 口 给水温度始终高于现场压力对应 的饱和水温度 ， 使 给水发生汽化且处于两相流状态 ， 汽体聚集在“ n” 形弯顶部 ， 阻碍了给水 的流动 。当给水泵启动后 ， 一 方面“ n” 形弯 中的汽液两相流被吸入给水泵 ； 另 一 方面 由于抽 吸作用 ， 给水泵人 口管压力进一步下 降 ， 导致汽化现象加重 ， 最终引起给水泵汽蚀故障。 当汽化发展到一定程度时， 汽泡大量聚集 ， 叶 轮流道被汽泡严重堵塞 ， 造成 给水泵不 打水 、 振动 异常 、 轴端 冒汽现象 ， 如果汽蚀进一步发展 ， 会影响 泵的外部特性 ， 导致泵难 以维持运行 。 当 1 1 ： 0 4 给水温度降至 1 0 0 且“ n” 形弯顶部 排空 阀开启 ， 部分不凝结气体排出后 ， 此 时低压给 水温度已经降低至 当前压力对应的饱和温度 以下 ， 恢复至液态单相流动 ， 系统重新启 动后 ， 给水泵运 行才恢复正常。 3 2 给水 系统设计及运行方式分析 本期 工程设计安装 3台机组 ， 每 台机组设置 1 台额定出力为 2 8 6 t h的高压旋膜除氧器 。按照 小 型火力发 电厂设计规范 第 1 3 4 7 条要求 ， 各 除氧器 问设置了母管制汽平衡管和水平衡管 。根据系统 布置情况测量 除氧器水箱 中心标 高距离 给水泵人 口管高度为 1 8 1 9 m， “ n” 形弯顶部距离给水泵入 口 管高度为 l 4 1 9 m， 该给水泵必需汽蚀余量为 5 m， 设 计系统在正常工况及极端 工况条件 均能保证 给水 泵正常运行要求 。当所有系统均投入运行时 ， 如果 2 0 1 5 年第 3 3 卷第2 期 闩晓宇， 等： 给水泵汽蚀原因分析及低压给水系统优化 9 9 单台机组发生故障导致除氧器压力剧烈波动， 系统 可以通过除氧器间汽平衡管和水平衡管迅速进行 均压 ， 防止给水泵汽蚀 。 由于现场每 台机组的施工进度不同 ， 故障发生 时只有 1 台机组在运行 ， 因辅助蒸汽系统和低压 给 水系统中设计 的除氧器汽平衡 、 水平衡等防止给水 泵汽蚀措施无法发挥作用 ， 进 而导致故障的发生 。 通过查 阅操作记录及原始设计资料 ， 对设计方案及 故障过程 中的运行方式进行 了分析 ， 认为低压给水 系统非正 常运行 方式是引发给水泵 汽蚀故 障的主 要 原 因 。 4 汽蚀故障的危害及处理方案 4 1 故 障对系统及设备的危害 根据现场对低压给水系统管道及给水泵的检 查分析 ， 认为汽蚀会造成 以下危害 ： ( 1 )如果水泵长时间在汽蚀条件 下工作 ， 由于 机械剥蚀和化学腐蚀的共同作用将导致叶轮、 泵轴 及泵体等过流部件遭到破坏， 影响给水泵的运行安 全 4 】 ( 2 )汽蚀 发展到一定程度时 ， 给水 汽化及不凝 结气体 的析出 ， 使液 体的过流断面面积减小 ， 导致 泵流量减小， 出水压力和效率显著下降 ， 泵的性能 急剧恶化 ； ( 3 )汽蚀发生过程 中， 会产生水击现象 ， 导致整 个低压给水 系统管道产生很大 的震动和噪声 ， 给泵 和整个系统的使用寿命带来不利影响5 - 6 。 4 2 处理方案 当 3台机组 中至少 2台投入 运行时 ， 原设计方 案( 见图 3 ) 完全可以防止给水泵汽蚀的发生 。但 由 于项 目正处在基建期 ， 单台机组试运行时， 为了降 原始方案 优化方案2 图3 给水泵吸入管道原布置方案及优化方案 低现场运行的操作难度及故 障对系统 、 设备 的危害 程度 ， 加强系统对 类似故障的反应能力 ， 本 文针 对 原设计方案 ， 结合上述分析 ， 提出了3 条适合本工程 的优化方案。 4 2 1 改进低压给水管道的布置方式 低压给水 管道 的布置应尽量“ 短且直” ， 有利于 疏导不凝结气体 、 防止水击现象 以及减弱管系的震 动 强度 。 目前 现场 还处 于基 建期 ， 可 以将 管 道 “ n” 形弯取消 ， 且按照 电厂动力管道设计规范 中 8 2 3 条 的要求 ， 低压给水 管道放 坡系数应不 小于 0 1 5 1 。按照优化方案( 见图3 ) 改进后 ， 当负荷突变 、 给水泵 吸人管给水发生汽化现象时 ， 有利于不凝结 气体沿管线向上排入除氧器。 4 2 2机组 问设 置 隔 离阀 低压给水连通 管道 ( 直径 4 0 6 mm， 壁厚 9 m m) 布置过长 ， 使得管道压损过大 、 蓄水过多 ， 延长 了系 统响应 时问嘲 。针对 目前基建期 间的特殊条件 ， 建 议增加机组间隔离阀 ( 布置方案见 图4 ) ， 当单 台机 组或相邻 2 台机组运行时 ， 通过关闭机组问隔离阀， 使得低压给水连通管减少蓄水 ， 降低压损。并将 “ n” 形弯顶部排空阀由手动阀改为 电动阀， 便于操 作员根据除氧器和给水泵运行情况进行 灵活操作 ， 并可作为故障处理紧急方案。 4 2 3给水泵入 口立管引入一路凝结水 本工程凝结水系统设计温度为 5 0 ， 泵后设计 压力 为2 0 4 6 MP a 。根据汽蚀发生原理” 】 ， 非正常工 况下发生汽蚀现象 ， 如果立刻注入高压 、 低 温凝结 水为给水泵人 口立管低压给水降温 ， 使其水温降到 饱和温度下 ， 即可消除汽化现象， 保护给水泵。该 方案在 国外 已经有成熟的运行实例 ， 可以应用于本 系统 ， 作为防止给水泵汽蚀故障发生 的常用技术手 段 。 4 3 实施效果 按 照本文提 出的低压 给水 系统及 管道布置优 化方案 ， 在现场实施时采取 了取消管道 “ n” 形弯 、 安装机组 间的隔离 阀等优化措施 。在 当前 的施工 状态下 ， 机组再遇 到非正 常工况 、 给水泵发生汽蚀 时 ， 已经 能够迅速解决故障问题 。但从该工程低压 给水系统设计结构和整体布置方式来看 ， 系统在不 完 整状态 下运行时 ， 如果 遇到非 正常工况 ， 给水泵 仍存在汽蚀风险。系统的完整性是保证系统可靠 性的前 提 ， 对于需要 多机 组协调运行 的大系统 ， 最 好各机组均能同步运行才能保证系统的安全可靠 I生【 ” 。 1 0 O 内 蒙 古 电 力 技 术 2 0 1 5 年第3 3 卷第2 5 结语 1 号 除氧器 一 卜一 一 1 I 2 号除氧器 一 卜一 一 ! ； 3 号除氧器 一 卜一一 _ 1 1 i 图4 低压给水系统增加机组间隔离阀布置方案示意图 低压 给水 系统是 发电厂中非常重要 的系统之 一 ，给水泵发生汽蚀会给给水泵本身及整套系统带 来严 重的安全 隐患。本文提 出的优化方案可 以为 今 后 同类 型火力发 电厂低压 给水系统 的设计 、 安 装 ， 以及电厂运行人员操作处理给水泵汽蚀故障时 参考。 参考文献 ： 【 1 】程绍兵 王晓玲 防止汽机甩负荷 过程 中给水 泵汽蚀 的条 件和措施【 J J 江西电力职工大学学报， 2 0 1 0 ， 1 4 ( 2 ) ： 1 7 1 9 2 叶涛 热力发 电厂 M 3 版 北 京 ： 中 国电力 出版社 ， 2 0 1 1 ： 9 2-93 3 郑李坤 ， 薛东发， 谢昌均 某 1 0 0 0 MW超超临界机组给水 系统运行安全性分析 热力发电， 2 0 1 1 ， 4 5 ( 5 ) ： 6 6 6 8 【 4 】中华人民共和国住房和城乡建设部 G B 5 0 0 4 9 -2 0 1 1 小 型 火 力 发 电 厂 设 计 规 范 S 北 京 ： 中 同计 划 出 版 社 ， 2 01 1： 63 65 5 】中华人 民共 和国住房 和城 乡建设部 G B 5 0 7 6 4 -2 0 1 2 电厂 动力 管道设计规 范【 S 北京 ： 中国计 划 出版社 ， 2 01 2： 8 4 【 6 赵志中 6 0 0 MW机组汽前泵性能优化与改进l J 】 内蒙古电 力技术， 2 0 1 2 ， 3 0 ( 6 ) ： 8 8 9 2 7 贾瑛， 田树鹏 ， 高健 ， 等 汽动给水泵常见故障分析与处理 f J 内蒙古电力技术 ， 2 0 1 1 ， 2 9 ( 2 ) ： 5 9 6 0 8 魏然， 王德意 水电机组汽蚀在线监测系统的研究 J I _ 陕两 电力 ， 2 0 0 1 ， 2 9 ( 2 ) ： 4 9 5 0 【 9 刘立衡3 5 0 M W超临界机组R B试验及控制策略分析l J 1 陕西 电力 ， 2 0 1 3 ， 4 1 ( 8 ) ： 7 5 7 8 1 0 张世荣， 唐玉玲 给水泵汽蚀诊断模型的分析与控S tJ j 中南民族大学学报( ih然科学版) ， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 3 ) ： 3 9 4 2 【 1 1 史海斌 ， 马殿军 热力发电厂给水泵汽蚀现象、 危害 、 原 因及预防措施分析I J I 知识经济 ， 2 0 1 0 ( 2 3 ) ： 1 0 3 ， 1 l 3 编辑 ： 白永军