炉水循环泵的失效性分析及预防措施

张磊,张圣喜

(1.山东省电力学校,山东 泰安 271000;2.国电山东石横发电厂,山东 肥城 271621)

1 炉水循环泵概况

在 300MW发电机组控制锅炉汽水循环中,主要依靠炉水循环泵建立良好的水循环,炉水循环泵运行状况的好坏将会直接关系到锅炉的安全稳定运行。

早期的炉水循环泵大多都是国外产品。炉水循环泵电动机是一种特殊型三相鼠笼式异步电动机,是一种湿绕组电动机。其基本参数为:工作电压,6 kV;额定功率,200 kW;设计压力,21MPa;额定电流,27A;启动电流,139A;泵的设计温度,369℃;电动机腔室温度,一般为 40～50℃;报警温度,55℃;跳闸温度,60℃。

该电动机与炉水循环泵组成一个无轴封的密封整体,电动机内充满与系统同样压力的高压水,构成压力边界的一部分。电动机定、转子铁心、绕组、轴承均浸入水中,定、转子铁心采用特殊绝缘材料,保证铁心长期浸入水中可以保持良好的绝缘性能及耐腐蚀性。所有内、外引出线密封均采用特殊的绝缘材料及结构,保证其在高压水中能保持完整的密封及良好的绝缘性。电动机与泵之间设有隔热屏,以减轻泵的热量对电动机的影响。电动机内部的高压水由辅助叶轮驱动进行自循环,进入电动机外部的高压冷却器,以带走电动机内部的热量,高压冷却器外部通过低压冷却水来冷却。

由于炉水循环泵的工作环境非常恶劣,所以,对它的运行监视、维护应非常慎重。从实际运行经验来看,炉水循环泵泵体出问题的几率相对较低,故障大多出现在电动机部分。监视、控制电动机的各项指标(如电动机腔室温度、炉水循环泵进出口差压、高压冷却器滤网差压和电动机电流)就成为现场运行人员的主要任务。

一般而言,每台锅炉设有 3台炉水循环泵,正常运行中,2台运行,1台备用。当其中 1台运行泵跳闸,备用泵应联锁启动,否则应手启。若手启不成功则应在 1min内将锅炉负荷降至 180MW以下,否则,就会出现因炉水循环不良而导致锅炉主燃料跳闸(MFT)事故。同时,炉水循环泵失效后的检修费用相当昂贵,在 20世纪 90年代初,更换 1台炉水循环泵大约 80万元;2000年后,费用相对有所降低,但也要 25万元左右;而且炉水循环泵电动机更换时必须停炉,检修工期最短也要 2 d。以机组负荷率75%、电能净效益 0.08元/(kW·h)计,则因停炉检修所造成的直接经济损失将达 86.4万元,加上电动机更换费用约 110万元,这笔费用对一个拥有多台机组的火电厂来说,也是一笔不小的支出。

2 炉水循环泵失效记录统计

作为全国第 1家双引进型 300MW火力发电动机组,国电山东石横发电厂(以下简称石横电厂)的4台机组共有 12台炉水泵。其中,#1、#2炉分别于1987,1988年投产,炉水循环泵电动机系美国 CE公司产品;#3、#4炉 1997年投产,炉水循环泵电动机系哈尔滨电动机厂的产品。

自投产以来,石横电厂炉水循环泵每年都有失效记录,特别是在#3、#4炉相继投产以来,炉水循环泵失效的问题更为突出,在 2000年更是达到了创记录的 7次,这也成了困扰国电山东石横发电厂(以下简称石横电厂)运行技术人员的一大顽疾。作者对 1997—2006年近 10年间石横电厂炉水循环泵失效的问题进行了较为全面的统计,见表 1。

由表 1统计记录可以看出,石横电厂炉水循环泵的失效的原因无一例外地都是电动机绝缘损坏。其中,炉水循环泵电动机运行中烧坏、绝缘到零共14次,运行或备用状态下绝缘降低更换电动机 14次。10年中共发生炉水循环泵失效 28台次,平均每年2.8台次,这个数字是相当惊人的。

表 1 1997—2006年石横电厂炉水循环泵失效记录统计

进口炉水循环泵电动机的设计寿命一般为 5年,国产的一般为 4年,而从上面统计的情况看,炉水循环泵运行寿命达到 5年的只有 3台,4年的有 4台,其余均为 3年或不足 3年,距离设计寿命还有相当大的差距,大大增加了维修工作量和维修成本。

3 失效原因分析

综合近 10年来炉水循环泵失效的检查结果,可以从 3方面来分析炉水循环泵的失效原因。

3.1 炉水循环泵电动机绝缘及处理工艺方面

通过对几次炉水循环泵运行中烧坏、绝缘到零后的电动机解体发现,大部分情况出现在定子绕组引出线及星形中性点上,以及中间接头、粗细线过渡段上,表明这些部位是电动机绝缘的薄弱环节。电动机定子绕组首端的手包绝缘及引线部分的处理不合格,制造工艺和密封质量太差;星点部分绝缘处理不过关,星点的组合方式不科学及焊接工艺质量太差,使炉水循环泵在热态运行中,绝缘迅速降低而导致击穿。另外,湿绕组电动机绕组电击穿事故统计表明,大多数情况发生在细线电缆上,这是一个不容忽视的部位。

3.2 检修维护方面

高压绕组的外绝缘约 1.7mm,外表面有一层绝缘薄膜,在嵌线过程中,薄膜损伤对绕组的绝缘有影响,高压冷却水从此处进入薄膜与主绝缘内部,容易造成绝缘降低。

近年来修理的电动机采用国产绝缘材料,其使用寿命比进口绝缘材料使用寿命短,在引线处更为明显。从多台电动机的解体检查看,引线处绝缘在有水和无水的情况下变化较大。

国产导线与进口导线使用寿命在石横电厂也得到了证明,1B炉水循环泵电动机原来采用的进口导线,已运行 4年多了也没有失效,而其他几台采用国产导线的电动机,其失效寿命要短的多,最短的只使用 1年左右即失效。

热工定值和继电保护定值的正确性及其保护的完好投入率,是保证炉水循环泵电动机绝缘良好的重要因素。电动机腔室温度定值一般为 60℃跳闸,这一点是非常关键的;另外,电动机的过热保护、速断及堵转保护均要可靠、正确地投入。

由于炉水循环泵电动机与泵采用螺栓联接,其检修工艺有严格规定,稍有疏忽,冷却水渗出泵体,使热炉水进入电动机内部,势必会造成炉水循环泵电动机失效。

3.3 运行方面

虽然运行操作没有直接导致炉水循环泵失效的记录,但不合理的运行参数和不规范的操作对设备的影响也是不容忽视的。由于高压冷却器换热效果不佳或二次冷却水压力偏低,使运行中的炉水循环泵电动机腔室温度长期偏高,炉水循环泵电动机绝缘持续下降而失效。在锅炉启动点火阶段,一般需投入连续清洗水。当锅炉升压至0.5MPa时,必须及时停清洗水,否则,高压热炉水会进入炉水循环泵电动机腔室而导致绕组过热。一般情况下,只要炉水循环泵本体没有检修工作,电动机腔室通常是不放水的。在锅炉大小修或事故抢修需停炉放水时,在锅炉放水后,不要立即放掉电动机的一次冷却水,因为此时炉水循环泵上部下降管中的水温还较高,足以损伤绕组的绝缘,下降管中的水温一般控制在 70℃以下,才允许炉水循环泵电动机腔室放水。不正确的启停方式同样会大大降低炉水泵电动机的绝缘,尤其是在热态方式下,频繁地启停炉水循环泵对炉水循环泵电动机的绝缘影响更大。另外,在热态方式下,炉水循环泵泵壳与入口母管之间的温差太大则会使泵体承受过大的热应力,严重时会造成泵体与电动机结合面渗漏,威胁电动机绕组的绝缘。净有效吸入压头(NPSH)偏低,汽包水位低于正常值,也会对炉水循环泵的运行产生一定的影响。NPSH不够则会使炉水循环泵产生气蚀导致泵体过大的振动,严重时会损伤定子绕组槽口绝缘而造成失效。对多台失效的炉水循环泵解体检查,均发现电动机定子绕组表面有黑色物质,干燥后呈粉末状,这说明冷却水中有杂质。高压冷却水的 pH值一般为 9.5,溶液中悬浮物在要求的范围之内,冷却水为除盐后的凝结水。经验表明,水质对绕组的绝缘尤其是中性点和引线处的影响最大。

4 炉水循环泵失效的预防措施

4.1 改进绝缘结构

(1)由于湿绕组电动机绕组电击穿事故大多发生在细线缆上,因此,应在电动机上采取粗细合一的接线方式。

(2)引出线连接结构。原引出线连线结构是复合式结构,改进后采用模塑料压制件的复合型绝缘结构。

(3)改进定子绕组中性点接头的绝缘工艺,提高接头的密封性能。Y形接头绝缘及特殊工艺,在高压、高温中密封性好,具有自密性,压力越高密封性越好,因此,可保证在高温高压下绝缘电阻不下降,在很大程度上提高了中性点接头的绝缘可靠性及耐久性。

4.2 改进绝缘工艺

加装固定定子绕组端部的机械装置,防止绕组因水流冲击引起的绝缘摩擦和绝缘损伤。

改善绕组星点件的结构,提高可靠性及加强其焊接工艺。增加手包绝缘材料的缠绕层数和绝缘介质的厚度。

4.3 运行维护方面

要提高对炉水循环泵运行参数的重视程度,把影响炉水循环泵绝缘的几个重要参数做到一幅画面上并连续监视(如电机腔室温度、炉水循环泵电流、差压和高压冷却水滤网差压等),并做出了这些参数的历史趋势汇总,以便比较、分析,从而对炉水循环泵的健康水平做出全面及时的评价。

经常检查炉水循环泵电动机外壳,仔细观察法兰盘联接处有无渗漏水现象,发现渗漏点,哪怕是极其微小的渗点,也要给予足够的重视。利用每次机组调停机会测量炉水循环泵电动机绝缘,在发现电动机绝缘 ＜100MΩ时,应考虑更换电动机。

炉水循环泵检修后启动时,一定排净电动机及泵壳的空气;对于热态工况下炉水循环泵的启动,更应特别慎重。为了减小热态启动时的热应力,应保证泵壳与入口母管的温差低于28℃,且 2次启动的间隔不小于 15min。

锅炉启动阶段汽包水位尽量维持在正常偏高的位置(+100mm),以避免泵产生气蚀;严格控制锅炉升温升压率,以防止升温过快造成泵体承受过大的热应力。

经常校验保护定值是否正确,保证炉水循环泵热工及电气保护的完好投入率,这是保证炉水循环泵电动机不失效的重要防范措施。

4.4 技术改造

(1)电动机高压改低压。石横电厂#2炉 2C炉水循环泵 2002年4月份电动机失效后,经过技术论证,决定由高压改低压。增加了 1台 6kV变 400V的干式变压器,原 6kV电源间隔不变,将电动机侧电缆接至变压器低压侧。改低压后,由于炉水循环泵电动机定子绕组的绝缘层较厚(一般在 2.1mm左右),提高了绕组的耐高温能力,即使绕组短时间过热,对绕组绝缘影响不大,能延长绕组的使用寿命。因为 U1/U2=N1/N2,当采用低压绕组后,相应的匝数要减少,但是通过绕组的电流将大大增加,可在槽内的空间内增加冷却水支路,使其均匀地分布在绕组的中间,利于将热量带走。而且改低压后,对绝缘的要求大大降低(＞0.5MΩ即可),大大提高了电动机的使用寿命。其总投资约 116万元,作为一项技术尝试是有进步意义的。

(2)采用半屏蔽电动机。半屏蔽电动机是近年来出现的新型电动机。其定子绕组封闭在腔室内,定子绕组可采用干绕组形式,而且电动机腔室温度上限可增至 95℃。根据设计说明,采用半屏蔽电动机后,电动机的设计寿命可由5年增加至 8～10年。电动机采用半屏蔽结构后,也使得炉水循环泵的检修变得简单、方便,大大提高了工作效率。石横电厂4A炉水循环泵 2005年11月份在改为半屏蔽电动机后,各项参数都很正常。当然其具体效果还有待进一步检验。其缺点是一次性投资偏高,约 150万元。

(3)备用炉水循环泵装设辅助冷却水泵。为了解决炉水循环泵在热备用状态下绝缘下降快的问题,在高压冷却水系统串入 1台辅助冷却水泵。当电动机停运备用时,辅助冷却水泵自动投入运行,形成电动机内部的强制小循环,将炉水循环泵传过来的热量带走。这就解决了停运炉水循环泵节约厂用电与电动机绝缘下降快的矛盾。石横电厂#1炉 1B、#4炉 4B炉水循环泵已先后采用了该技术。从目前情况看,1B炉水循环泵运行已 4年,4B炉水循环泵运行近 2年,绝缘良好。该改造方案投资 25万元,从实际运行效果看,值得推广。

对炉水循环泵电动机绝缘失效的分析,不仅要关注炉水循环泵电动机绝缘的质变即电动机烧坏,更要重视炉水循环泵电动机绝缘的量变即缓降。分析掌握电动机绝缘的缓降原因并采取相应的措施,对于延长泵的使用寿命,提高设备健康水平,具有重要的意义。图 1是近 10年间炉水循环泵失效次数的走势图。

图1 石横电厂炉水循环泵失效次数统计

由图 1可以看出,石横电厂炉水循环泵的失效次数在 2000年达到顶峰,共有 7台次,而在 2001年,石横电厂把防止炉水循环泵电动机失效作为一个研究课题进行技术攻关,增加了人员和资金方面的投入,采取了很多有针对性的措施,取得了比较明显的效果。除在 2003年存在一个设备失效寿命的周期外,其余年份均有明显的下降,2004和 2006年更是达到了零失效,这表明石横电厂在这方面的措施、方法及技术改进是正确、有效的。

5 结论

通过长期对失效炉水循环泵电动机的跟踪分析,可以比较清晰地找出炉水循环泵电动机失效的主要因素及其他次要因素,进而采取相应的预防措施,有效地避免了炉水循环泵电动机的非正常失效,延长了炉水循环泵的运行寿命,提高了设备的可靠性,保证了机组的稳定运行。以每年减少 2台次炉水循环泵失效计算,至少能够避免 220万元的直接经济损失。石横电厂在预防炉水循环泵失效方面的探索是成功的,可为同类问题的处理提供参考实例。