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电厂给水泵故障分析与检测
摘 要：
电厂给水泵是主要的锅炉给水增压机械,也是主要的锅炉辅机之一。因其工作环境差（流量大、水温高、速度高、压力变化大），其发生故障的机会也随之增大。所以，对给水泵的在线监测就变得尤为重要。本文着重介绍了给水泵汽蚀原因分析、诊断故障的方法以及采取的相关措施。
关键词：给水泵 故障诊断 原因分析
一、前言
在火力发电机组系统中，给水泵是系统重要的辅机之一。给水泵是把外源驱动能传递给流体。使流体压力增高动能增加。在火力发电机组中承担凝结水增压、驱动凝结水输送的作用。通常电厂给水泵工作在高温、高压、大流量状态下。其工作状况对整个电厂系统运行的安全性和经济性具有重要影响。国外许多电厂都建立了给水泵运行工况振动和故障诊断制度。然而，国内在这方面还不够重视，对其运行的振动监测手段 、故障诊断技术和诊断设备研究甚少 , 仅停留在定期巡回检测振动电平及事后事故分析的低层次阶段 [1]。而振动又是诱发金属疲劳的主要因素。美国电力研究所( EPRI)进行的调查表明: 大型电站锅炉给水泵故障率高达 30 %以上, 而且泵越大 ,故障率越高,也反映了泵向强力化发展是故障率高的原因之一 [2]。因此，逐步完善对设备的故障检测与诊断体制，可使电厂安全性和经济性得到提高。
近年来，以节约厂用电为目的的变频调速技术由于节电效果明显得到迅速推广。但进行改造中也存在一些问题如水泵固有频率进入变频器的工作频率区引起共振现象、泵轴发生断裂或损伤等情况。直接影响到机组的安全经济性运行[3]。
二、锅炉给水泵故障分析
给水泵在运行过程中振动大小反映给水泵工作效率的高低,因而以给水泵在正常工作时振动幅值的变化分析确定最佳运行参数。另外,振动过高会降低给水泵零件的使用寿命,导致轴、轴承、密封及叶轮等过早损坏。严重时可能造成地脚螺栓拔断、入口接管震裂或入口法兰螺栓震裂等问题 , 迫使泵组非计划停机 , 造成严重损失 。利用振动监测系统可及时发现和识别这些异常振动现象 , 通过振动发展趋势观察分析 , 密切注意振动的变化 , 对泵组运行工况进行调整并采取其他措施, 控制或减小振动。对泵组振动不断增加的情况, 及时进行停泵操作 , 避免发生重大事故。给水泵的振动机理及表现形式较为复杂如基础刚度不足、紧固件松动等支承部件缺陷将导致不稳定振动。同步振动幅值大且机理复杂, 最常见、最重要的振动成分有[4]:
1、 轴承油膜振荡 ;
2、 结构共振 ;
3、 自激振动 ;
4、 水力引起的低频振动 ;
5、 转子不平衡 ;
6、 热变形导致的轴弯曲 ;
7、 部件的偏转 ;
8、 由于叶片间的不平衡引起的水流模式和水流量造成的水力不平衡 ;
9、 由于不对中产生的振动
10、轴承纹裂
11、动静碰磨 、转子裂纹 ;
目前，国内对给水泵转轴汽轮机转轴等重要旋转部件的振动检测以及频谱分析过了大量的工作。为有效的检测给水泵的振动提供了有效的方法。
给水泵除了具有大型旋转机械常见的一些振动问题 , 如转子不平衡、轴中心不正、动静部件之间摩擦、滑动轴承故障外, 还具有一些与泵的工作原理有关的特殊振动现象, 最主要的是水泵内部流体的汽化现象引发的振动。给水泵入口压力低于流体当时温度下的汽化压力时, 流体发生汽化, 在流体内产生气泡 ,在叶轮通道内随着压力增加, 气泡破灭, 周围液体在向气泡中心流动时将产生强烈冲击, 造成部件被冲蚀及产生强烈振动。水泵汽蚀是水泵损坏的重要原因，也一直是制约水泵发展的一大难题。汽泡的产生改变了流道内的速度和流线分布，使泵的出力下降、扬程降低，引起水泵的振动，产生噪音，严重影响水泵的效率和使用寿命。长期运行，叶片和水泵轴回产生高周疲劳，严重时到时叶片折断或泵轴断裂（图1），引发重大事故。其经济损失无法估量，尤其是严重威胁着职工人员的生命安全。如何以简单的方法和较高的准确率及时预报泵的各种故障，仍是困扰过内外泵专家和工程技术人员的一大难题。可见在众多故障中，汽蚀是

图1. 泵轴断裂断面图
尤为显著和常见的问题之一。当水泵工作时，如果泵内某点压力降低到工作温度下的汽化压力，水就大量汽化，同时，原先溶解在液体中的气体也自动逸出。当充满了水蒸气和溢出气体的气泡随水流进入叶轮流道高压区时，因为气泡内是汽化压力，而气泡外面水流的压力却比较大，气泡在周围高压的作用下突然被水压压破，在气泡破裂的瞬间，水流因惯性以高速向气泡中心冲去，在气泡闭合区内产生强烈的局部水锤现象。试验证明，此种水锤所产生的冲击频率可达2 万次/min～3 万次/min 之多，并且集中作用在极微小的面积上，压力可达到几十兆帕[5]。在如此巨大的压力频繁作用下，金属会由于局部疲劳而破坏，通常把这种破坏称为剥蚀。除机械冲击外，在所产生的气泡中还夹杂有一些活泼气体（如氧气等），借助气泡凝结时所放出的热量对金属起化学腐蚀作用。机械腐蚀和化学腐蚀的共同作用更加速了金属的损坏速度，这种现象便称为汽蚀现象。以下也着重围绕汽蚀这一问进行探讨。
二、汽蚀的危害
1、水泵在运行时发生汽蚀，激起叶轮振动，进而引起泵轴及整个泵体的振动。产生巨大的噪音，使工作环境恶化。另外，汽蚀激振与原有振动叠加会导致泵体地面基础松脱。
2、水泵性能下降。水泵发生汽蚀时，因水流中含有气泡，引起水泵工作性能的变化，此变化对不同类型的水泵是不同的。对于转数较低的水泵（如离心泵），因水泵叶片流槽狭长，很容易被气泡所阻塞。汽蚀刚开始时，气泡占据一定的槽道面积，水泵的扬程、 功率和效率开始下降，但对水泵的正常工作没有明显的影响；而当汽蚀发展到一定程度时，气泡大量产生，并迅速扩展到叶槽的整个宽度，水泵的扬程、功率和效率急剧下降，最后水泵停止出水（见图2 Ref.[5]）。

图2.离心式水泵汽蚀性能曲线，H为扬程，Q为流量。
3、侵蚀通流通道。汽蚀过程，气泡在周围高压液体的作用下，瞬间破裂，水流冲向气泡产生高速冲击波，撞击水泵通流面。形成海绵或蜂窝状空穴，削弱水泵的使用寿命。
4、泵体内部发生动静碰摩。当给水泵前压力过低，汽蚀大规模持续发生。高速运转的水泵叶轮与蒸汽摩擦发热致使泵轴和叶轮温度升高，叶轮和泵轴热膨胀变形。动静间隙减小甚至发生动静碰摩。
三、水泵汽蚀故障检测系统设计
1、水泵汽蚀典型特征。水泵的汽蚀是由水的汽化所引起的。水泵工作时，如果水泵内某点压力降低到工作温度下的水饱和蒸汽压力，水就开始汽化，并且，水的这种汽化现象将随泵壳内压力的继续下降和水温的提高而加剧。锅炉给水泵汽蚀主要是由于入口压压力过低，液态水汽化产生大量汽泡。对于大中型电站的锅炉给水系统， 由于主给水泵在高转速、 高水温的双重作用下， 其在变负荷“暂态过程” ( 甩负荷) 中发生汽蚀的可能性大大增加。为防止这一状况的出现， 工程上常采用在调速主给水泵前加装恒速增压泵———前置泵，并按要求无论机组负荷如何变化都将采用两泵串联的同步运行方式。另外，给水泵发生汽蚀时，同时伴随泵体温度升高、水泵进出口压力差缩小等典型特征。我们通过对温度、压力差等信息进行采集、分析并最终判断，做出相应的动作来控制前置泵。希望能够有效地防止汽蚀的发生[6]。
2、系统设计和功能介绍。图3所示为本次设想的系统原理图。在系统原理
图3. N300-16.7/538/型机组的部分原则性热力系统图
图中，除了原有布置的热力设备外，在给水泵进出口之间安装一套压差控制器设备。用来获取给水泵前后压差。并及时将信号反馈给前置泵驱动电机，做出相应、动作。另外，在给水泵壳体外安装一个测温传感器，对给水泵温度做出实时在线监测。
在汽轮机甩负荷过程中或者是热力系统出现波动时，为泵的汽蚀创造了有利条件。比如汽轮机甩负荷时，因驱动给水泵的小汽轮机在应对泵负荷变化的过程中，又具有一定的滞后性。机组甩负荷的一瞬间给水泵依然保持上一时刻的出力状态， 而给水泵进口水流量减小，与泵出力失配。进而诱发给水泵汽蚀。给水泵进出口压差缩小，压差传感器捕捉到的压差缩小到设定报警值时，压差传感器将信号反馈到前置泵变频电动机。前置泵变频电动机增加出力，提高给水泵进口水压力，以便有效的削弱并最终消除给水泵汽蚀（图4.所示）。另外，泵体温度迅速升高是给水泵汽蚀的又一显著特征。泵体外的温度传感器能够灵敏的捕到水泵汽蚀后温度的变化。观察温度在线监测所绘制的波形图来判断汽蚀的发生。若是泵体温度突然升高，则很有可能是给水泵发生了汽蚀。同时再综合对振动波形和噪音大小的观察,提取故障征兆,来进一步判断是否发生了汽蚀或发生汽蚀的程度。如此可大提高故障检测的准确性。同时也有望提高热力系统的可靠性。

图4. 给水泵流量控制简图
给水泵系统宜采用多点前置泵变频技术。给水系统处于动态运行状态，只有随着给水量、给水压力进行实时调节，使其处于最优的运行状态，才能得到即安全又节能效果[7]。对系统中的单泵进行调整，其能力是有限的，给水压力与给水量是个变值，而泵的能力是一定的，要使两者统一起来，必须对泵以及变频实行动态管理，根据不同时期的变化，对给水泵调配给水压力与给水量。为此，需实现对前置泵泵及给水进行多点调整才能发挥总体效益。
在该系统中，先将采集、分析后的数据与系统设定的极限值进行比较，若信号越限，并判断为非干扰信号则做出应急动作。同时在系统界面上产生报警信息，并以声光的形式提醒。同时将报警的时间、类型、报警值大小等内容记录下来，存放到报警历史数据库中。而极限值得确定很重要，直接影像系统的稳定性，因此需要通过大量的实验和研究确定。
四、 参考文献：
[1]锅炉给水泵故障机理及诊断技术的研究 王洪杰 ,刘全忠 ,季天晶 , 毛新涛 ( 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院 ,黑龙江 哈尔滨 150001)
[2]电站锅炉给水泵振动机理及振动监测中的分频段控制技术 华北电力大学 安连锁 王松岭 侯军虎 李春曦
[3]徐建兵 变频调速技术在凝结水系统中的应用 华东电力，2003,3:29—30
[4]锅炉给水泵故障机理及诊断技术的研究 王洪杰 ,刘全忠 ,季天晶 , 毛新涛( 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院 ,黑龙江 哈尔滨 150001)
[5]水泵汽蚀的危害及其防止措施 孙广垠，张 娟（河北工程大学城市建设学院，河北邯郸，056038）
[6]热电厂循环水泵气蚀问题的分析及解决方案 山东省工业设计院有限责任公司 安传友 王群慧 刘统鲁
[7]注水前置泵变频调速技术 张丽伟 大庆油田创业腾飞建筑安装工程有限公司