凝結(jié)水泵運(yùn)行中出力降低故障樹(shù)診斷方法研究

宗緒東

（華電國(guó)際技術(shù)服務(wù)分公司，山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

凝結(jié)水泵的主要作用是將凝汽器冷凝后的凝結(jié)水輸送至除氧器，為各減溫減壓器等用水設(shè)備提供冷卻水、密封水。凝結(jié)水泵的可靠性是汽輪機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障和前提。若凝結(jié)水泵不能正常工作，熱水井內(nèi)的凝結(jié)水就無(wú)法抽送至除氧器，汽水循環(huán)將無(wú)法建立或被破壞，機(jī)組將不能啟動(dòng)或被迫停運(yùn)［1］。國(guó)內(nèi)電廠機(jī)組運(yùn)行中凝結(jié)水泵出力降低的案例很多，查閱文獻(xiàn)［2-6］發(fā)現(xiàn)，目前針對(duì)凝結(jié)水泵運(yùn)行中出力降低，均采取依次排除的方法進(jìn)行查找，尚沒(méi)有結(jié)合故障特征進(jìn)行科學(xué)的分類并形成體系化的診斷思路，診斷效率較低。結(jié)合某電廠2 臺(tái)機(jī)組凝結(jié)水泵出力降低案例進(jìn)行研究，建立故障樹(shù)診斷模型和方法，以便快速、準(zhǔn)確地查找故障原因。

1 凝結(jié)水泵故障簡(jiǎn)介

某電廠共有4 臺(tái)300 MW 亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、高中壓合缸、凝汽式汽輪機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配置2 臺(tái)沈陽(yáng)水泵廠制造的9LDTA-4型100%容量的凝結(jié)水泵，1 臺(tái)工頻、1 臺(tái)變頻，正常運(yùn)行中保持變頻凝結(jié)水泵運(yùn)行，詳見(jiàn)圖1。2019 年5月至6 月，1 號(hào)機(jī)組2 號(hào)凝結(jié)水泵、4 號(hào)機(jī)組1 號(hào)凝結(jié)水泵運(yùn)行中先后發(fā)生出力突然降低的問(wèn)題。適逢迎峰度夏期間，給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重威脅。

2 凝結(jié)水泵故障樹(shù)診斷模型及故障特征分析

2.1 凝結(jié)水泵故障樹(shù)診斷模型

故障樹(shù)診斷方法是針對(duì)特定的故障目標(biāo)進(jìn)行演繹推理分析，按照由總體至局部逐級(jí)細(xì)化的原則。在分析過(guò)程中，首先對(duì)最頂層故障目標(biāo)進(jìn)行辨識(shí)，如果異常，繼續(xù)查找造成此目標(biāo)異常的直接影響因素，然后再分別對(duì)這一級(jí)影響因素進(jìn)行辨識(shí)，依次類推，最終找出最基本的故障因素。

圖1 凝結(jié)水泵系統(tǒng)

圖2 凝結(jié)水泵出力降低故障樹(shù)診斷框圖

1 號(hào)機(jī)組2 號(hào)凝結(jié)水泵、4 號(hào)機(jī)組1 號(hào)凝結(jié)水泵均是在運(yùn)行中發(fā)生出力突降，可以排除系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)計(jì)方面存在的缺陷。運(yùn)行中造成凝結(jié)水泵出力降低的主要故障有：變頻器或電機(jī)故障、備用凝結(jié)水泵倒轉(zhuǎn)、出口阻力增大、凝結(jié)水泵氣縛、凝結(jié)水泵汽蝕、入口流量及揚(yáng)程降低、泵體機(jī)械部分故障等。每項(xiàng)故障象征不同，其診斷方法也不同。通過(guò)對(duì)凝結(jié)水泵各種類型的故障進(jìn)行理論分析，對(duì)不同的故障象征、診斷方法進(jìn)行分類，編制了故障樹(shù)診斷框圖，詳見(jiàn)圖2。對(duì)照故障象征及判斷步驟，能夠準(zhǔn)確地查找原因，制定解決方案。

2.2 故障特征分析

變頻器故障、備用凝結(jié)水泵倒轉(zhuǎn)、出口阻力增大3 種故障象征比較明顯，通過(guò)比較、試驗(yàn)即可準(zhǔn)確判斷。而凝結(jié)水泵氣縛、凝結(jié)水泵汽蝕、入口流量及揚(yáng)程降低、泵體機(jī)械部分故障4 種故障象征比較復(fù)雜，具有一定的相似度，需要對(duì)故障理論進(jìn)行分析，并進(jìn)行區(qū)分。

2.2.1 凝結(jié)水泵氣縛

氣縛是泵內(nèi)吸入空氣后產(chǎn)生的不正?，F(xiàn)象。如果泵及吸入管路系統(tǒng)密封性差或吸入管安裝位置不當(dāng)，致使泵內(nèi)吸入較多空氣。由于空氣密度很小，不能拋到葉輪外緣，就會(huì)堵住葉輪部分或全部流道，使排液中斷［7］。

凝結(jié)水泵運(yùn)行時(shí)，熱水井至泵首級(jí)葉輪入口為負(fù)壓區(qū)。當(dāng)凝結(jié)水泵備用時(shí)，熱水井至出口逆止門前均為負(fù)壓區(qū)，易漏入空氣部位包括：入口電動(dòng)門盤根與閥蓋法蘭、入口濾網(wǎng)法蘭、入口濾網(wǎng)排空閥門及底部放水閥門、水泵本體與泵筒法蘭、水泵盤根及泵進(jìn)口法蘭、填料函或平衡水室連接法蘭、水泵平衡水卸壓管接頭、出口逆止閥泵側(cè)法蘭。

運(yùn)行中當(dāng)凝結(jié)水泵中漏入的空氣量較少時(shí)，空氣可通過(guò)凝結(jié)水泵抽空氣管被吸進(jìn)凝汽器，不影響泵的正常運(yùn)行。當(dāng)漏入空氣量較大時(shí)，空氣不能被完全抽進(jìn)凝汽器，從而進(jìn)入泵體形成氣縛，導(dǎo)致凝結(jié)水泵出力降低。

2.2.2 凝結(jié)水泵汽蝕及入口流量、揚(yáng)程降低

凝結(jié)水泵汽蝕及入口流量、揚(yáng)程降低2 種故障，均是由于入口凝結(jié)水異常節(jié)流造成的。由于沿程阻力的存在，首級(jí)葉輪入口壓力是最低的。入口電動(dòng)門節(jié)流、入口濾網(wǎng)等流道堵塞均會(huì)造成凝結(jié)水節(jié)流損失增加，首級(jí)葉輪入口凝結(jié)水揚(yáng)程、流量減少，流速增加。

1）當(dāng)節(jié)流現(xiàn)象輕微，不影響凝結(jié)水泵的正常通流，出力不變化。

2）汽蝕是指液體內(nèi)局部壓力降低時(shí)，液體內(nèi)部或液固交界面上蒸氣或氣體的空穴（空泡）的形成、發(fā)展和潰滅的過(guò)程［8］。當(dāng)節(jié)流造成首級(jí)葉輪入口凝結(jié)水壓力不超過(guò)入口水溫對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，凝結(jié)水汽化形成氣泡，開(kāi)始只有少量氣泡，葉輪流道堵塞不嚴(yán)重，對(duì)泵的正常工作沒(méi)有明顯影響，泵的外部性能也沒(méi)有明顯變化，這種汽蝕稱為潛伏汽蝕。當(dāng)汽化發(fā)展到一定程度時(shí)，氣泡大量聚集，葉輪流道被氣泡嚴(yán)重堵塞，致使汽蝕進(jìn)一步發(fā)展，影響到泵的外部特性，導(dǎo)致泵難以維持正常運(yùn)行［9］。

凝結(jié)水泵汽化壓力Pv和凝汽器壓力Pe的關(guān)系為

式中：Pe為凝汽器工作壓力；Pv為泵吸入口水的汽化壓力；Hg為泵的安裝幾何高度；V 為泵吸入口管道的平均流速；ρ 為流體密度；Δhe為有效汽蝕余量。

近似凝汽器壓力等于汽化壓力，Pe=Pv，則式（1）變?yōu)?/p>

有效汽蝕余量與泵入口法蘭前吸水管路系統(tǒng)的布置和液體性質(zhì)有關(guān)，與泵本身無(wú)關(guān)；必需汽蝕量是表示泵本身汽蝕性能的參數(shù)，與泵進(jìn)口處的流道情況有關(guān)，取決于泵本身的設(shè)計(jì)和構(gòu)造。為了避免凝結(jié)水泵發(fā)生汽蝕，要求有效汽蝕余量應(yīng)始終大于必須汽蝕余量。凝結(jié)水節(jié)流后壓力降低、流速增加，從式（2）可以看出，有效汽蝕余量降低。

將凝結(jié)水泵汽蝕與氣縛混為一談是不正確的，二者有著本質(zhì)區(qū)別。汽蝕發(fā)生時(shí)，凝結(jié)水泵電流、出口壓力、流量突降且大幅擺動(dòng)，振動(dòng)聲音異常；氣縛發(fā)生時(shí)，上述參數(shù)突降但不擺動(dòng)，振動(dòng)聲音正常。

3）當(dāng)節(jié)流造成首級(jí)葉輪入口流量、揚(yáng)程降低（入口壓力未降至汽蝕壓力）至一定程度（多由首級(jí)葉輪入口堵塞造成），電流、出口壓力、流量突降但不擺動(dòng)。當(dāng)停運(yùn)后如果堵塞現(xiàn)象改善，再次啟動(dòng)時(shí)出力能短時(shí)增大，但堵塞加劇后出力將再次降低。

2.2.3 泵體機(jī)械部分故障

泵體機(jī)械部分故障，主要有兩種：一是葉輪等部件腐蝕、葉輪流道堵塞等，造成凝結(jié)水泵效率降低，電流、出口壓力、流量降低且不擺動(dòng)，泵組振動(dòng)、聲音異常，停運(yùn)后再次啟動(dòng)出力不變化；二是葉輪套筒、接管、級(jí)間密封等發(fā)生泄漏，部分水從葉輪出口經(jīng)漏點(diǎn)返回凝結(jié)水泵筒體，此時(shí)電流增加，出口壓力、流量降低，泵組振動(dòng)、聲音異常。

3 凝結(jié)水泵出力降低過(guò)程及分析處理

3.1 1 號(hào)機(jī)組2 號(hào)凝結(jié)水泵出力降低過(guò)程及分析處理

3.1.1 2 號(hào)凝結(jié)水泵出力降低過(guò)程

2019 年5 月11 日11∶00，1 號(hào)機(jī)負(fù)荷190 MW，凝結(jié)水流量500 t／h，出口壓力1.3 MPa，2 號(hào)變頻凝結(jié)水泵運(yùn)行，電流44 A。定期工作啟動(dòng)1 號(hào)凝結(jié)水泵試驗(yàn)正常將其停止后，凝結(jié)水流量降至350 t／h，2 號(hào)凝結(jié)水泵電流降至39 A，出口壓力降至1.2 MPa，增加2 號(hào)凝結(jié)水泵變頻器指令，壓力流量無(wú)變化，就地檢查凝結(jié)水泵振動(dòng)、聲音正常。啟動(dòng)1 號(hào)工頻凝結(jié)水泵，凝結(jié)水壓力、流量恢復(fù)正常，停止2 號(hào)凝結(jié)水泵。

2019 年5 月14 日至6 月12 日，先后20 余次啟動(dòng)2 號(hào)凝結(jié)水泵進(jìn)行試驗(yàn)檢查，運(yùn)行正常停止1 號(hào)凝結(jié)水泵，但2 號(hào)凝結(jié)水泵運(yùn)行一段時(shí)間后其出力均再次突降。

3.1.2 試驗(yàn)分析

由圖2 可知，2 號(hào)凝結(jié)水泵出力降低符合凝結(jié)水泵氣縛、入口流量及揚(yáng)程降低故障象征。由于發(fā)生在1 號(hào)凝結(jié)水泵定期啟動(dòng)試驗(yàn)停止后，且2 臺(tái)凝結(jié)水泵并列運(yùn)行出力正常，初步懷疑啟動(dòng)1 號(hào)凝結(jié)水泵填料密封磨損漏入空氣，空氣沿2 臺(tái)凝結(jié)水泵空氣聯(lián)絡(luò)管竄入2 號(hào)凝結(jié)水泵。

1）第1 次診斷試驗(yàn)及處理過(guò)程。2019 年7 月11日12∶08，組織現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：1 號(hào)機(jī)負(fù)荷180 MW，1 號(hào)凝結(jié)水泵電流77 A，凝結(jié)水流量400 t／h。啟動(dòng)2 號(hào)凝泵工頻運(yùn)行，電流77 A，關(guān)閉1 號(hào)凝結(jié)水泵空氣門、出口電動(dòng)門，停運(yùn)1 號(hào)凝結(jié)水泵，2 號(hào)凝結(jié)水泵電流由77 A升至99 A。增加1 號(hào)機(jī)負(fù)荷至210 MW，2 號(hào)凝結(jié)水泵出力正常。1.5 h 后，啟動(dòng)1 號(hào)凝結(jié)水泵，停止2 號(hào)凝結(jié)水泵備用。判斷1 號(hào)凝結(jié)水泵填料密封磨損。

1 號(hào)凝結(jié)水泵入口電動(dòng)門關(guān)閉不嚴(yán)，運(yùn)行中無(wú)法隔離處理。2019 年8 月28 日，利用1 號(hào)機(jī)組調(diào)停機(jī)會(huì)對(duì)1 號(hào)凝結(jié)水泵盤根進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)5 道盤根填料均存在不同程度磨損（見(jiàn)圖3），全部進(jìn)行更換。2019 年9 月7 日02∶00，1 號(hào)機(jī)組啟動(dòng)后凝結(jié)水流量在500～700 t／h 區(qū)間，2 號(hào)變頻凝結(jié)水泵運(yùn)行正常。

圖3 1 號(hào)凝結(jié)水泵磨損的盤根填料

2）第2 次診斷試驗(yàn)及處理過(guò)程。2019 年9 月7日12∶47 負(fù)荷226 MW，2 號(hào)凝結(jié)水泵電流由47.8 A突降至38 A，出口壓力由1.28 MPa 降至1.0 MPa，凝結(jié)水流量降至322 t／h，1 號(hào)凝結(jié)水泵聯(lián)啟，就地檢查2 號(hào)凝結(jié)水泵振動(dòng)聲音正常，停止做備用。

9 月16 日11∶22，啟動(dòng)2 號(hào)凝結(jié)水泵，關(guān)閉1號(hào)凝結(jié)水泵空氣門、入出口電動(dòng)門將其停運(yùn)，2 號(hào)凝結(jié)水泵電流由77 A 升至99.8 A。14∶45，凝結(jié)水流量由520 t／h 降至118 t／h，出口壓力由2.4 MPa 降至0.9 MPa，電流由100 A 降至49 A，聯(lián)啟1 號(hào)凝結(jié)水泵，停2 號(hào)凝結(jié)水泵備用。試驗(yàn)排除1 號(hào)凝結(jié)水泵盤根漏入空氣。

11 月15 日，1 號(hào)機(jī)停運(yùn)解體2 號(hào)凝結(jié)水泵，發(fā)現(xiàn)筒體底部、葉輪入口位置有一段40 號(hào)角鐵（為凝結(jié)水泵大修時(shí)封堵筒口用的蓋板背面加固框架配件），長(zhǎng)度約400 mm，角鐵中部已彎曲變形，見(jiàn)圖4。機(jī)組啟動(dòng)后，2 號(hào)凝結(jié)水泵出力恢復(fù)正常。

圖4 2 號(hào)凝結(jié)水泵流道脫落角鐵及安裝位置

3.1.3 2 號(hào)凝結(jié)水泵兩次出力降低原因

第1 次出力降低原因是備用1 號(hào)凝結(jié)水泵盤根密封填料損壞，密封不嚴(yán)漏入的空氣沿空氣管竄入2 號(hào)凝結(jié)水泵入口，導(dǎo)致2 號(hào)凝結(jié)水泵發(fā)生氣縛。

凝結(jié)水泵第2 次出力降低原因是2 號(hào)凝結(jié)水泵固定角鐵斷裂堵塞首級(jí)葉輪入口腔室，導(dǎo)致2 號(hào)凝結(jié)水泵入口流量及揚(yáng)程降低。當(dāng)停泵后，角鐵落入筒體下部，啟泵后出力正常，但負(fù)荷波動(dòng)后角鐵再次被吸入。固定角鐵斷裂原因：一是施工工藝不良；二是2019 年5 月至7 月2 號(hào)凝結(jié)水泵進(jìn)行了二十多次啟停試驗(yàn)，角鐵受水沖擊松動(dòng)，在機(jī)組啟動(dòng)變工況過(guò)程中，角鐵連接補(bǔ)位疲勞斷裂。

3.2 4 號(hào)機(jī)組1 號(hào)凝結(jié)水泵出力降低過(guò)程及原因分析

3.2.1 1 號(hào)凝結(jié)水泵出力降低過(guò)程

2019 年6 月26 日21∶50，4 號(hào)機(jī)組大修后啟動(dòng)。啟動(dòng)1 號(hào)變頻凝結(jié)水泵上水過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)1 號(hào)凝結(jié)水泵達(dá)不到滿出力，切換至工頻運(yùn)行出力仍不足。6 月28 日，負(fù)荷180 MW，1 號(hào)凝結(jié)水泵電流由37 A降至31 A，出口壓力由1.5 MPa 降至1.24 MPa，流量由220 t／h 降至200 t／h，就地檢查凝結(jié)水泵振動(dòng)、聲音正常。啟動(dòng)2 號(hào)工頻凝結(jié)水泵，停運(yùn)1 號(hào)凝結(jié)水泵。

2019 年7 月1 日至7 月5 日，先后數(shù)次啟動(dòng)1號(hào)凝結(jié)水泵進(jìn)行試驗(yàn)，運(yùn)行正常停2 號(hào)凝結(jié)水泵，但1 號(hào)凝結(jié)水泵運(yùn)行一段時(shí)間后其出力均再次突降。

3.2.2 試驗(yàn)及處理過(guò)程

查閱圖2 可知，1 號(hào)凝結(jié)水泵出力降低象征符合凝結(jié)水泵氣縛、入口流量及揚(yáng)程降低故障。

7 月11 日13∶29，4 號(hào)機(jī)負(fù)荷245 MW，2 號(hào)凝結(jié)水泵運(yùn)行。啟動(dòng)1 號(hào)凝結(jié)水泵，電流61 A，母管壓力由2.58 MPa 升至2.95 MPa。13∶32 關(guān)閉2 號(hào)凝結(jié)水泵空氣門后，在關(guān)閉2 號(hào)凝結(jié)水泵出口電動(dòng)門過(guò)程中，1 號(hào)凝結(jié)水泵電流無(wú)變化，凝結(jié)水流量快速下降，立即全開(kāi)2 號(hào)出口電動(dòng)門，停運(yùn)1 號(hào)凝結(jié)水泵。試驗(yàn)排除了2 號(hào)凝結(jié)水泵漏入空氣造成出力不足原因。

7 月24 日，將1 號(hào)凝結(jié)水泵隔離解體發(fā)現(xiàn)其入口軸上纏繞1.8 m 膠皮管，詳見(jiàn)圖5。將膠皮管拆除，復(fù)裝凝結(jié)水泵。機(jī)組啟動(dòng)后，1 號(hào)凝結(jié)水泵出力恢復(fù)正常。

圖5 1 號(hào)凝結(jié)水泵泵軸纏繞雜物

3.2.3 1 號(hào)凝結(jié)水泵出力降低原因

檢修人員施工工藝控制不嚴(yán)格，泵大修后復(fù)裝過(guò)程中，在清理臺(tái)面時(shí)誤將膠皮管碰入筒體。啟泵后膠皮管被吸附纏繞大軸，堵塞葉輪入口腔室，造成入口流量及揚(yáng)程降低。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)運(yùn)行中凝結(jié)水泵出力降低問(wèn)題，采用故障樹(shù)診斷方法進(jìn)行研究，建立了標(biāo)準(zhǔn)化的診斷流程及體系，并結(jié)合兩臺(tái)機(jī)組凝結(jié)水泵出力降低案例進(jìn)行分析、驗(yàn)證。采用該故障診斷方法，能夠快捷判斷凝結(jié)水泵出力降低的故障類型及原因，為運(yùn)行調(diào)整和檢修提供可靠依據(jù)。