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离心泵基础：锅炉给水泵离心泵基础：锅炉给水泵锅炉给水泵（BFP）用于向蒸汽发生器（例如锅炉）供给与产生的蒸汽量相对应的给水量。锅炉给水的运行参数（流量、扬程、温度）由锅炉设计者计算。 今天，几乎所有的BFP都是离心泵。BFP在轴功率、材料、泵类型和驱动方面的结构取决于电力技术的发展。化石燃料发电站的趋势是不断向更大的发电机组发展。 直到1950年，BFP的平均排放压力在200 bar范围内。到1955年，已经上升至400 bar。1950年，质量流量约为350 t/h，在常规发电厂中，质量流量已上升至2,500 t/h到4000 t/h。BFP在160℃至180℃的温度下运行，在特殊情况下甚至更高。 BFP在1950年代由非合金钢制成。从那时起，有13 %至14 %的产品转向了铬钢（A743 Gr. CA6NM）。通过引入新的给水处理工艺，这种材料的改变是必要的。具有应急运行特性的高强度、耐腐蚀铬钢的开发为当前5,000 至 6,000 转/分钟 （rpm） 的 BFP 铺平了道路。BFP的流量随着功率输出的增加而增加。如今，用于传统的 750 兆瓦 （MW）发电机组的满载 BFP 由四到五级构成，单级压力高达 80 bar。 电动机（异步电动机）用于驱动给水泵。电动BFP的速度调节可以通过多种方式实现，包括使用液力偶合器，变频驱动（电机和变速箱）。如果工厂有充足的蒸汽可用，也可以使用蒸汽轮机作为驱动单元。在某些情况下，使用转速为 5,000 rpm至6,000 rpm 的冷凝式汽轮机。但是，使用冷凝式汽轮机增加了对设备的要求。必须使用热交换器、冷凝水泵或类似设备等才能有效使用机组。 如果需要高压和高转速BFP，则需要配置前置增压泵。在这种情况下，单纯的BFP很难满足现场NPSHa的要求，因此需要配置增压泵。为了降低（增压泵）的NPSHr，可以选择单级双吸泵或第一级为双吸的泵，因为NPSH仅对吸入级影响最大。 主要有两种类型的结构用于BFP应用。一种是双壳体多级桶型泵，根据API 610的定义，属于BB5型泵；另一种是单壳体节段式多级泵，属于API 610标准定义的BB4型泵。然而，单壳体节段式多级泵不完全符合API 610的标准，这是一个例外。在某些情况下，也可以使用轴向剖分式（水平中开）多级泵，根据API 610标准，它被定义为BB3型泵。 EGP公司BB3型泵 桶型泵用于高压工况，但这可能会因用户而异。由于与节段式泵相比具有一定的优势，工厂用户倾向于使用桶型泵，尽管这在一开始是一项高投资。如果需要取出桶型泵进行维修，通常采用更换芯包的方式进行快速维修，但外壳（桶）可以与吸入和排出管道一起保持在原位（不用拆除连接泵的进、出管路）。如果没有安装100 %的备用泵，这对于设备的可用性非常重要。 泵壳体 BFP的泵壳体必须从两个角度考虑：一方面壁厚必须可以持续满足压力负荷要求，另一方面需要适应可能出现的瞬时温度变化。 桶型壳体通常由可塑性（延展性）锻钢制成，所有与给水接触的表面可通过喷涂/堆焊等工艺覆盖一层奥氏体材料。为了将泵壳体焊接到管道中，将一个适于焊接到管道和泵壳体上的过渡段焊接到泵的吸入管口和吐出管口上。桶型泵的泵盖通过金属缠绕垫来密封。 节段式泵的外壳由铸钢或锻造碳钢（有时是铸铁）制成，具体取决于用户定义的应用和要求。每级外壳（也称为中段）之间的密封是通过金属对金属接触来实现的（国内泵厂习惯还是采用O形圈来密封） - 各级外壳通过吸入级和吐出级外壳之间的拉紧螺栓（穿杠）轴向夹紧在一起。金属与金属接触是节段式泵的特点之一。 轴向剖分式泵（壳体）分为上、下两部分，拆装维护方便。这类泵在平衡轴向推力方面具有优势，因为级数可以以相反的方向（即背靠背）安装 - 以最简单的方式平衡推力。 通常，建议使用BB3型泵，最高可达200 ℃或更低的流体温度。API 610标准有明确的指导方针，如果泵送温度为200 ℃或更高，则应使用径向剖分式壳体泵。重要说明：由于轴向剖分布置，泵壳体螺栓不被视为该泵的润湿部件。 在泵的吸入压力和吐出压力之间的压力下注水是一项常见的服务要求。在桶型泵和节段式泵的情况下，可以通过从其中一个泵级取水来解决这一问题。 KSB公司BB5型泵 转子结构 BFP的泵轴在轴承之间具有适当的距离，并采用刚性轴设计。叶轮通常与轴过盈配合，且逐级定位，因此静态时轴（转子）挠度很小。轴对振动不敏感，在正常运行工况下，轴被设计成处于拉直状态，不会与外壳发生任何不希望的径向接触。轮毂直径在叶轮背面增加，叶轮入口几何形状设计为使直径尽可能小，以降低必须被平衡装置吸收的轴向力。 轴向推力平衡 在多级泵（桶型或节段式）中，叶轮串联布置在长轴上（取决于级数）并处于轴承之间。这种布置是产生轴向推力的原因。当泵启动时，流量从吸入口移动到吐出口（低压区到高压区），到达吐出口后，无法排放100 %的压力并向吸入侧产生推力。但是，在泵的运行过程中，该轴向推力的大小将取决于运行点在流量-扬程曲线上的位置以及内部（动、静零部件之间）间隙的磨损量。 如果泵在异常工况下运行，可能会产生额外的干扰力。例如，如果泵开始汽蚀，则表明NPSH裕量不足以使泵平稳运行。在较大的BFP上，泵转子上的轴向推力平衡受泵送流体流经的平衡装置以及油润滑止推轴承的影响。水力平衡装置可包括平衡盘，或带有相关节流衬套的平衡鼓或双平衡鼓。平衡鼓和双平衡鼓也可以与平衡盘组合（即平衡鼓盘结构）。 径向力平衡 径向力来自转子的重量、机械不平衡和径向推力。径向力的平衡受两个油润滑径向轴承和流体轴向流动的节流间隙的影响。流体轴向流过的这些节流间隙位于叶轮颈部，或者在多级BFP的情况下，在传统发电站中，位于扩散体的节流衬套和平衡鼓上。如果转子略微偏心，则在这些间隙中会产生一个向心恢复力，该力将取决于压差和间隙几何形状。这种恢复力通常被称为Lomakin效应。当间隙流中的源头不是纯液相时，流量减小。节流间隙在机械刚度方面的静压作用可超过轴刚度，因此，该系统的调整方式是，临界速度始终保持远离运行速度。此外，这种设计还可以吸收水力激振力，特别是在部分负载运行下。 轴密封 在BFP上，可以使用软填料密封、机械密封、浮动密封和迷宫密封。软填料密封的应用限制取决于现有条件消除摩擦热的可能性。在高负荷软填料密封的情况下，通常会对泄漏水、填料函、轴保护套和压盖进行预冷却。填料材料通常由编织的Teflon绳索组成。该轴封成功用于功率高达150 MW的机组的满负荷给水泵。 机械密封的少量泄漏在出口处以蒸汽形式排放到大气中。产生的摩擦热比软填料要小。通常采用闭路冷却系统 - 当泵运行时由旋转密封环上的泵送环装置驱动，当泵停止时由热虹吸作用驱动。 浮动密封可用于高圆周速度和高密封压力。浮动密封由一系列可径向移动的短节流环组成。将冷的密封水注入密封，以确保没有热水从泵中泄漏出来。当泵在压力下运行时，必须保持这种密封水供给。密封冷却水注入浮动密封的控制可能受到密封冷却水压差、调节或温差的影响。 单端面机械密封 在超过80 ℃的高温应用中，使用单端面机械密封和冷却器，根据API 682标准，其标准的密封冲洗方案是Plan 23。 预热（暖泵）要求 如果频繁地开启和关闭BFP，最好在泵停机后避免热冲击和泵壳体翘曲变形，以防止密封配合面处过早的出现磨损。原则上，结构材料的选择方式使BFP可以在任何热工况下启动。然而，在某些异常运行的情况下，例如，当发生汽蚀时，或者在半热启动期间，当BFP翘曲变形时，转子和泵壳体之间的物理接触无法避免。受影响的位置是叶轮进口处的节流间隙、扩散体中的节流衬套和平衡装置。在这些位置匹配合适的结构材料，包括带特殊合金添加物的耐腐蚀铬钢，确保即使在高圆周速度下也能应对良好的应急运行工况。在紧密间隙下的任何高磨损总是与效率下降有关。 最小流量阀 如果BFP确保始终存在最小流量，并防止在低负荷运行期间由于泵送介质过度过热和汽化，或由于部分负荷运行时的汽蚀现象而导致的任何损坏，则在出口管下游设置所谓的最小流量阀（例如，自动泄放阀、阀门和配件）。 在研究锅炉给水泵时，需要学习的一些附加要点如公式1所示： 对于BFP，需要强调的基本原则是：起动前进行适当的预热（暖泵）、热备用和轴封排水温度的控制。随着BFP越来越大型化且在不同负荷和待机模式下运行，使这些基本原则变得更加重要。对泵进行预热并保持待机泵的预热流量，以确保尺寸的热均匀性，这对于（减少热变形）保持内部间隙、泵效率和长寿命的至关重要的。变形将导致以下潜在的故障模式：闪蒸、内部摩擦、耐磨环间隙增加、泵卡住、密封衬套间隙磨损和过度泄漏、泵性能和效率下降、泵振动高和轴承磨损。 延长使用寿命、提高效率和可靠性的安装特点及实践包括： 1）在壳体和出口管处进行适当的隔热。 2）预热水取自BFP出口止回阀下游的母管。 3）将轴封泄漏排放温度保持在150 °F和170 °F（65 ℃和77 ℃）之间。 4）在泵壳体（壳体的上部、下部）和进、出口管处安装热电阻或其它温度检测仪器，以确认整个泵的温差在50 °F（28 ℃）以内，并与给水温度相关。 5）确保泵壳体定位销和导向键正常工作，以实现均匀的热膨胀。 6）确保关键管道吊架的正确位置和功能，以最大限度地减少泵吸入管口和吐出管口上的管道应力。 参考文献 1）KSB Lexicon 2）Pump Handbook by Igor J. Karassik 3）API 610, API 682 作者简介：Ashutosh Mishra是一名项目和应用工程专业人士，拥有工程（EPC）和制造公司的背景。他获得了机械工程学士学位和印度工程师协会的认证特许工程师。 泵沙龙注：本文由谢小青收集整理，并进行了部分修改和补充。 |
