【原】600 MW机组前置泵结构设计改进

潘再兵¹   施永涛²   方  晟²   冷立波¹  孙  刚¹

1. 上海凯士比泵有限公司，上海  200245

2. 上海电气凯士比核电泵阀有限公司，上海  201306

摘   要：针对锅炉给水泵前置泵实际运行工况频繁变化、长时间在小流量工况运行等情况以及600 MW机组SQ300-670型前置泵在小流量运行时不稳定、振动大、噪音大等问题，在前置泵轴承结构优化的基础上，对SQ300-670型前置泵进行了结构设计改进。改进后的SQN300-670型前置泵更适应于电厂实际运行情况。

关键词：600 MW机组   锅炉给水泵   前置泵   设计改进

1.  前言

电站泵的运行特点之一就是频繁地降负荷、变工况运行^[1]，加之机组系统设计时考虑了一定的安全裕量，定速泵普遍存在偏离或严重偏离高效区运行的现象。目前锅炉给水前置增压泵（以下简称前置泵）的运行条件就是：

①频繁在机组满负荷运行流量点和小流量之间变工况运行；

②长时间在严重偏离设计工况的小流量工况运行，不仅使泵的运行效率降低、还严重影响到泵组的安全稳定运行，需要加以研究解决。

一方面，要研究实施前置泵可变速运行方案，根据机组负荷大小调整前置泵的转速，使前置泵保持在高效区运行；同时考虑尽量减少设计安全裕量，使前置泵在机组满负荷运行时流量接近泵的最优工况点流量。另一方面，要考虑在保证泵在机组满负荷工况高效运行的前提下，提高前置泵在小流量工况运行的可靠性。结合前置泵在国内的实际使用情况和存在的问题，我们在前置泵轴承结构优化的基础上，对600 MW机组SQ300-670型前置泵的结构进行了设计改进。

本公司生产的SQ300-670型前置泵，是上世纪90年代引进国外先进技术生产的产品。泵为水平中开双吸离心泵，两侧均采用机械密封和稀油润滑的滚动轴承：传动端采用单列圆柱滚子轴承；非传动端采用配对单列圆锥滚子轴承。SQ300-670型前置泵结构见图1。

前置泵设计点的主要性能参数为：

流量1240 m³/h；

扬程145 m；

效率84 %；

汽蚀余量4.2 m；

转速 1480 r/min；

轴功率502 kW。

图1：SQ型前置泵结构

2.  出现的故障情况及其原因分析

2.1  故障现象

1）前置泵在小流量工况运行时不稳定、振动大，有异常声音；叶轮松动甚至“啃轴”。

2）泵体密封环与泵体间的高温高速水流致使泵体有冲刷痕迹甚至局部冲刷损坏；机械密封损坏。

3）多处存在高温介质泄漏：泵体与泵盖的中开面；泵体与密封冷却腔体配合面；密封冷却腔体。

2.2  原因分析

根据前置泵在运行过程中出现的故障情况，对其故障原因分析如下：

1）泵的运行流量不稳定、偏小流量工况运行，其原因为：一是在机组设计时考虑设备磨损引起机组出力的下降而考虑了设计安全裕量，前置泵在机组额定负荷下不在设计工况下运行；二是我国的昼夜用电量差异很大，致使夜间机组发电量减小、降负荷运行。给水泵为调速泵根据负荷要求减少泵的流量和扬程，但前置泵为定速泵，流量随主泵流量减少而减少，泵的扬程随流量的减少而增加。一些机组满负荷运行时给水泵组的流量只有其额定流量的80 %，再加上机组低负荷运行的影响，泵经常在额定流量的50 %以下的低负荷高扬程工况运行。由于长期在低负荷工况运行，使泵内流动发生旋转失速、流动颤抖和压力脉动，泵的径向力和轴向力频繁波动。另外，泵体与轴承体仅由轴承体下半部分的半圆形法兰与泵体螺栓联接，泵体在热态工况运行时发生热变形，致使轴承体发生偏移、导致转动部件变形而增加附加负载。上述因素造成转子的振动、噪音，导致叶轮螺母防松垫片松动、叶轮在轴上移动、出现叶轮“啃轴”现象。

2）由于泵偏离设计工况特别是在小流量工况运行，泵内部回流增加，水流不稳定，泵体密封环前后压差增加。由于密封环与泵体间为间隙配合，加之在泵体和泵盖中开面的接缝处垫片密封性不易保证，导致泵体密封环与泵体之间有水冲刷，长时间冲刷造成间隙增加、泵体局部冲刷损坏。

机械密封在运行中由于进口压力变化，使机械密封的轴套与轴之间定位的在轴上的螺钉紧力不够，轴套向外移动，造成密封的泄漏和损坏。

3）多处高温介质泄漏显然是泵零部件在热态工况运行时发生变形再加上其它一些原因造成的。

泵体与泵盖的中开面尺寸较大，在热态工况运行下极易变形造成泄漏，需要寻求高温密封性能较好的密封材料。

泵体与密封冷却腔体的配合面加工因空间夹小，使机加工表面粗糙度和平行度难于符合设计要求，影响密封面的密封质量，无法满足泵长期运行中的密封要求；而且密封冷却腔体和泵体之间最下面紧固用的螺栓安装困难；再加上热态工况的影响，造成冷却腔封盖和泵体之间的密封面在运行中经常发生泄漏。需要加大泵体与密封冷却腔体配合尺寸、改进泵体与密封冷却腔体的联接方式。

密封冷却腔体为铸造加焊接件，由于铸件形状复杂的细长件，铸造质量不易保证，在热态工况下因内部铸造缺陷造成冷却腔和泵内介质窜水，形成内漏。需要简化密封冷却腔体设计、采用热态性能较好的材料。

3.  结构设计改进

前置泵的性能参数满足电厂的设计规范书要求，而且性能稳定可靠。因此对水力部分原则上不作修改，叶轮的叶片叶型、泵体的水力流道部分和原设计相同，这样不存在泵结构改进后性能参数发生变化的风险。

根据前置泵在小流量工况运行时出现的故障情况及其原因分析，先期已对前置泵轴承做了结构优化。在此基础上，对600 MW机组SQ300-670型前置泵的结构整体上进行了如下方面的结构改进（见图2）。

图2：改进后的SQN前置泵结构

3.1  泵体、泵盖的结构改进（见图3）

1）在泵壳的中开面上，采用高温密封胶层进行密封，防止泵壳中开面出现泄漏。

2）泵体与密封冷却腔体之间由螺栓联接改为止口方式联结，同时采用弹簧蓄能密封和两道辅助的O形圈密封，以改善其密封性能，防止其配合面在运行中出现泄漏的问题。

3）增大了与密封冷却腔体的配合孔径，便于机械加工，保证泵壳内部的加工精度。同时缩短了泵轴向尺寸（两端轴承间距缩短12 %）从而使泵结构更加紧凑，增加了泵体和转子的刚度。

4）泵体泵盖与轴承部件的联接由仅下半部分的半圆形法兰螺栓联接改为上下均有螺栓联接，防止在热态工况下因泵体的变形而导致轴承部件出现偏移并由此引起小流量运行不稳定。

图3：改进后的泵体泵盖结构 

3.2  密封冷却腔体的结构改进（见图4）

1）将密封冷却腔体的冷却腔置于密封腔的外围，基本上处于同一轴向位置，不仅改善了密封冷却效果，而且使其径向尺寸增加，轴向尺寸缩短，从而使泵轴向尺寸得以减小。

2）简化密封冷却腔体设计，材料采用锻件替代铸件，提高了零件的热态性能，防止密封冷却腔体发生泄漏。

图4：改进后的密封冷却腔体结构

3.3  叶轮、叶轮螺母的结构改进

1）根据水泵理论[2]，从平衡径向力原理出发，采用双吸叶轮中间增加盖板，两边的叶片交错布置的新设计（见图5），减小了叶轮径向力大小并改善其分布，有利于减小泵在小流量下的水力振动、流动颤抖、压力脉动，改善泵在小流量工况下运行稳定性。

2）改变传统叶轮螺母的设计方法，在叶轮螺母的端面上增加防松螺钉（见图6），防止叶轮螺母松动造成叶轮在轴上移动。

图5：改进后的叶轮结构

图6：改进后的的叶轮螺母结构

3.4  泵体密封环的结构改进

泵体密封环与泵体之间的配合面采用台阶状异径设计，增加O型密封圈密封，并采用定位销定位，使密封间隙保持不变，既能保证正常运行，又能防止出现密封环与泵体之间的漏水现象（见图7）。

图7：泵体密封环外形图

3.5  机械密封的结构改进

机械密封采用可靠的夹紧圈来取代轴套上用小螺钉定位，使轴套在泵轴上产生极大的紧固力（见图8）。机械密封固定方式改变后，可适应泵在运行中进口压力变化，解决了机械密封的泄漏问题。

图8：机械密封图

4.  结论

1）前置泵的结构设计改进是针对电厂前置泵较差的实际运行条件进行的。改进了泵体泵盖的结构及其与轴承部件和密封冷却腔体的配合和联接方式，使泵的轴向长度缩短：两端轴承间距缩短12 %，泵轴向总长缩短7 %，提高泵整体的刚性及运行的稳定性。

2）改进了叶轮和叶轮螺母的结构，减小了叶轮径向力大小并改善径向力分布，提高了泵转子在小流量工况下运行稳定性；改进的叶轮螺母能更好地防止叶轮螺母松动。

3）通过改进结构和更换材料等措施，解决多处存在的高温介质泄漏等问题，提高了泵在热态工况运行的可靠性。

4）改进后的SQN300-670型前置泵更适应于电厂实际运行情况。

5）有必要对前置泵可变速运行方案、准确确定机组满负荷运行时前置泵运行参数等进行研究和探索，改善前置泵的运行条件，使之保持在高效区附近运行，提高前置泵运行的经济性和可靠性。这也是解决前置泵小流量运行不稳定问题的根本途径和最有效方法。

参考文献

[1] 潘再兵等. 电站泵的节能与创新 [J]. 通用机械，2007，（S2）：12-15，23.

[2] 关醒凡. 泵的理论与设计 [M]. 北京：机械工业出版社，1987.