前言

鍋爐給水泵也稱為給水泵，為臥式、兩端支撐、徑向剖分、徑向流泵。它們用于為蒸汽發(fā)生器（如鍋爐或核反應(yīng)堆）提供與蒸汽排放量相當(dāng)?shù)慕o水。如今，所有鍋爐給水泵都是離心泵。

鍋爐給水泵在功率輸入、材料、泵類型和驅(qū)動方面的設(shè)計在很大程度上取決于電站技術(shù)的發(fā)展?；剂习l(fā)電站的趨勢是越來越大的發(fā)電機(jī).html'>電機(jī)組（2011年＞1000 mw），這使得單臺鍋爐給水泵的驅(qū)動額定功率為30 mw～50 mw。

直到1950年，給水泵的平均出口壓力都在200 bar之內(nèi)。到1955年，平均出口壓力已升至400 bar。1950年的質(zhì)量流量在350 t/h左右，而今天為3200 t/h（在某些例外情況下高達(dá)4000 t/h）。鍋爐給水泵在160 ℃至210℃的流體溫度下運(yùn)行。在特殊情況下，所處理流體的溫度可能會更高。用于1600 mw核電站的給水泵的質(zhì)量流量高達(dá)4000 t/h，給水泵出口壓力為70 bar至100 bar。

大約1950年之前，鍋爐給水泵都是由非合金鋼制造的。從1950年起，它們由鉻含量為13 % - 14 %的鋼制成。通過引入新的化學(xué)給水成份，這種材料的改變是必要的。具有良好的抗咬合性能的高強(qiáng)度、耐腐蝕和耐侵蝕的馬氏體鉻鋼的開發(fā)以及所有泵部件（軸承、軸封、泵水力系統(tǒng)等）的不斷發(fā)展，為當(dāng)今轉(zhuǎn)速為4500 rpm至6000 rpm的鍋爐給水泵鋪平了道路。

隨著電站機(jī)組出力的增加，離心泵的質(zhì)量流量迅速增加。如今，用于常規(guī)800 mw至1100 mw發(fā)電站機(jī)組的滿載給水泵由四至六級構(gòu)成，單級壓力高達(dá)80 bar。1600 mw核電站給水泵為單級泵。

本文以ksb公司產(chǎn)品為例，對給水泵進(jìn)行一個較全面的介紹。

驅(qū)動設(shè)備及驅(qū)動方式

在500 mw以上的常規(guī)電站中，滿負(fù)荷給水泵越來越多地由汽輪機(jī)驅(qū)動。在大多數(shù)情況下，使用5000 rpm至6000 rpm的冷凝式汽輪機(jī)。

電動機(jī)通常驅(qū)動化石燃料和核電站中的部分負(fù)載給水泵。電動給水泵的轉(zhuǎn)速控制通常由液力偶合器（例如帶增速齒輪的偶合器或增速齒輪箱）或通過晶閘管的電氣閉環(huán)控制系統(tǒng)（2011年達(dá)到約18 mw的驅(qū)動額定功率）實現(xiàn)。

目前，最常用的（大型）鍋爐給水泵的驅(qū)動方式有四種，見圖1和圖2。

圖1：vp-em-rg-hp驅(qū)動方式的鍋爐給水泵組

低速增壓泵通常由汽輪機(jī)的自由軸端通過減速齒輪箱或直接由電動機(jī)的自由端軸伸驅(qū)動，見圖2。

圖2：給水泵組四種驅(qū)動（布置）方式圖

單吸或雙吸增壓泵用于為下游的高速鍋爐給水泵提供足夠的裝置汽蝕余量npsha。圖3為雙吸增壓泵。

圖3：雙吸鍋爐給水增壓泵

設(shè)計

對于傳統(tǒng)電站，鍋爐給水泵的設(shè)計如下：

1）雙殼體多級桶型抽芯式泵，見圖4。

2）單殼體節(jié)段式泵，見圖5。

圖4：帶中間抽頭的桶型抽芯式鍋爐給水泵

圖5：帶中間抽頭的節(jié)段式鍋爐給水泵

這兩種類型的泵僅在其承壓外殼的構(gòu)造上有所不同，這會影響制造成本和安裝方便性。在異常運(yùn)行條件下，運(yùn)行可靠性和穩(wěn)健性也沒有差異。旋轉(zhuǎn)部件和流道的尺寸可以設(shè)計成完全相同。

采用節(jié)段式或桶型抽芯式泵通常取決于兩個方面：

1）質(zhì)量流量越小，壓力越高，桶型抽芯泵的材料和制造成本就越高。這不適用于節(jié)段式泵。

2）維修安裝在系統(tǒng)中的泵時，桶型抽芯式泵比節(jié)段式泵具有一些優(yōu)勢。如果必須更換轉(zhuǎn)子，桶型殼體可以保持安裝在管道中。如果沒有完整的備用泵，或者更換泵非常耗時，這對于發(fā)電站機(jī)組的可用性非常重要。

在核電站中，通常采用單級、雙吸、雙蝸殼式給水泵，見圖6。

圖6：單級雙吸核電站主給水泵

鑄造承壓殼體零件越來越多地被鍛造零件取代，例如，此類給水泵的設(shè)計流量約為4200 m3/h，轉(zhuǎn)速為5300 rpm時揚(yáng)程約為700 m。見圖5。

對于沸水反應(yīng)堆，反應(yīng)堆給水泵的揚(yáng)程在800米左右；對于壓水反應(yīng)堆，揚(yáng)程在600米左右。流量大約是化石燃料發(fā)電站中同類鍋爐給水泵的兩倍。

1.  殼體設(shè)計

對于鍋爐給水泵，關(guān)于殼體壁厚，必須考慮兩個因素：壓力負(fù)載的大小和它需要承受的不同溫度條件。通過采用高強(qiáng)度鐵素體外殼材料，可以滿足這兩個條件，該材料使壁厚保持足夠薄，以避免因溫度波動而產(chǎn)生任何過載，同時具有足夠的厚度，以保證內(nèi)部壓力下的必要安全性。

桶型殼體

1）桶型抽芯式泵和桶型殼體泵通常由非合金或低合金可塑性鍛鋼制成。在與給水接觸的所有表面上堆焊一層耐腐蝕和耐侵蝕的材料。

2）為了將泵焊接到管道中，如果要連接的泵管口與現(xiàn)場接管為異種鋼，則必須在泵管口上焊接一過渡段。

3）出口壓力側(cè)泵蓋通過高強(qiáng)度的主螺柱固定，并由翼型密封來提供密封，該密封完全由主壓力（高達(dá)幾百巴）加壓，無需任何外力作用，見圖7。

圖7：鍋爐給水泵翼型密封

節(jié)段式泵殼體

1）節(jié)段式泵的殼體最好由鉻鋼或碳鋼（鍍有奧氏體材料）鍛造制成。

2）每級殼體之間的密封通過金屬對金屬接觸進(jìn)行密封，級間殼體通過吸入和吐出殼體之間的連接螺栓（穿杠）軸向夾緊在一起。

3）引起各種熱膨脹的熱沖擊，主要導(dǎo)致穿杠和級間殼體密封面上的額外載荷。

桶型抽芯式泵和節(jié)段式泵的一個共同特點是，壁厚越厚，熱沖擊引起的熱應(yīng)力越大，進(jìn)而降低泵的使用壽命。

鍋爐給水泵中間抽頭

1）對于節(jié)段式泵，中等壓力的部分流量可以很容易地通過其中一個級間殼體上的接管（中間抽頭）獲得，見圖5。

2）對于桶型抽芯式泵，桶型殼體內(nèi)部分為三個壓力區(qū)，以便所需中等壓力的部分流量可直接引至外部，見圖4。

吐出口和抽頭壓力之間通過翼型密封來密封（見圖7），抽頭和吸入口壓力之間采用金屬對金屬的密封。

2.  轉(zhuǎn)子設(shè)計

鍋爐給水泵的泵軸靜撓度很小，因為軸承間距設(shè)計得盡可能短，軸徑通常較粗，葉輪通常熱套到軸上（以獲得高可靠性）。泵軸通常對振動不敏感，在正常運(yùn)行期間運(yùn)行平穩(wěn)，沒有任何徑向接觸。葉輪后部的輪轂直徑增加，葉輪入口幾何形狀設(shè)計為最小直徑，以減少必須由平衡裝置吸收的剩余軸向力。

單級反應(yīng)堆給水泵的轉(zhuǎn)子比鍋爐給水泵的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度更高，其靜撓度比多級鍋爐給水泵的靜撓度更小。

3.  軸向推力平衡

傳統(tǒng)電站鍋爐給水泵的葉輪布置會在葉輪處產(chǎn)生軸向推力。

軸向推力的大小取決于特性曲線上工作點的位置、轉(zhuǎn)速和內(nèi)部間隙的磨損量。如果出現(xiàn)異常工作條件，例如汽蝕，可能會產(chǎn)生附加的擾力。

在較大的鍋爐給水泵上，泵轉(zhuǎn)子處的軸向力通過處理流體流過水力平衡裝置來平衡。平衡裝置通常與油潤滑的推力軸承結(jié)合使用。由于這種平衡裝置吸收了90 %以上的軸向推力，因此可以使用相對較小的推力軸承。平衡裝置可以采用平衡盤結(jié)構(gòu)、平衡鼓或雙平衡鼓結(jié)構(gòu)。

理論上，帶有雙入口葉輪的反應(yīng)堆給水泵產(chǎn)生的軸向推力是水力平衡的；剩余推力由油潤滑的推力軸承吸收，見圖6。

4.  徑向力的平衡

徑向力來自轉(zhuǎn)子重量、機(jī)械不平衡或水力徑向推力。徑向力由兩只油潤滑徑向軸承以及節(jié)流間隙來平衡，流體通過節(jié)流間隙沿軸向流動。此類節(jié)流間隙位于葉輪進(jìn)口側(cè)的葉輪頸部，或者對于傳統(tǒng)電站的多級鍋爐給水泵，位于葉輪（級間襯套）出口側(cè)和平衡鼓處。如果轉(zhuǎn)子處于偏心位置，將在這些間隙中產(chǎn)生重新定心的反作用力（即lomakin效應(yīng)），這在很大程度上取決于壓差和間隙幾何形狀。

當(dāng)處于異常運(yùn)行工況、間隙中的給水不是純液相時，lomakin效應(yīng)會嚴(yán)重減弱。

與機(jī)械剛度相比，間隙的靜水力壓力作用對于減少軸撓度的貢獻(xiàn)更大。該系統(tǒng)的設(shè)計使得運(yùn)行轉(zhuǎn)速始終遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，另外還可以吸收水力激振力（特別是在低流量運(yùn)行時）。

給水泵中的導(dǎo)葉或雙蝸殼結(jié)構(gòu)可以減少徑向推力（圖6為蝸殼泵）。

5.  軸封

鍋爐給水泵常用的軸封有機(jī)械密封、浮環(huán)密封和迷宮密封，如今填料.html'>填料密封不太常見。

6.  預(yù)熱和保溫（暖泵）

瞬態(tài)或低流量工況會對鍋爐給水泵造成額外負(fù)荷。這會導(dǎo)致額外的應(yīng)力和應(yīng)變以及部件變形，從而對其功能產(chǎn)生各種影響。

如今，幾乎所有鍋爐給水泵都必須能夠在不造成任何損壞的情況下直接冷啟動（可承受高溫沖擊負(fù)荷）和部分熱啟動。在這些啟動過程中，熱的給水突然流入冷態(tài)泵內(nèi)，這導(dǎo)致內(nèi)部零部件的升溫速度遠(yuǎn)快于壓力邊界。根據(jù)啟動頻率以及壓力和溫度的梯度曲線，這可能會縮短泵的使用壽命。

在具有特別厚壁的泵上，熱量會在厚壁部件中傳播得更慢，從而增加內(nèi)應(yīng)力。

通常不能排除轉(zhuǎn)子和定子零件之間發(fā)生接觸，因為設(shè)計相通狹窄的間隙來減少泄漏。這適用于葉輪入口側(cè)的葉輪頸部，葉輪、導(dǎo)葉和級間襯套之間的吐出側(cè)間隙以及具有多個節(jié)流間隙的平衡裝置（取決于設(shè)計）。

例如，在吸入管線中無法完全避免臨界運(yùn)行工況，如形成蒸汽氣泡。定子和轉(zhuǎn)子之間的短暫接觸會導(dǎo)致狹窄間隙內(nèi)較高的不平衡力。出于這個原因，動/靜零部件之間的材料副不僅要耐腐蝕和侵蝕，而且尤其要耐磨損（具有良好的抗咬合性能）。特別的耐磨環(huán)材料和特殊的間隙幾何形狀已被證明是成功的。

在流量非常低或接近零的運(yùn)行工況下，例如在汽輪機(jī)驅(qū)動鍋爐給水泵低速盤車的模式下，所處理的流體中會形成不同的溫度層，這可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子變形，并且隨后也會導(dǎo)致非旋轉(zhuǎn)部件變形。一旦間隙（處動靜零部件發(fā)生接觸）閉合，轉(zhuǎn)子將承受明顯更高的摩擦力矩，從而導(dǎo)致過載和泵停機(jī)。在這種情況下，轉(zhuǎn)子處的溫度將不再均衡，這將進(jìn)一步加劇轉(zhuǎn)子變形。

這可能導(dǎo)致泵停機(jī)數(shù)小時。而通常唯一的補(bǔ)救措施是讓設(shè)備冷卻，以減少或消除臨界溫度層和變形?？梢圆扇追N措施來優(yōu)化泵的熱（沖擊）性能：

1）避免泵內(nèi)動/靜零部件和泵殼體上下的溫差過大。

2）通過隔熱室系統(tǒng)將冷區(qū)（軸封區(qū)）與熱流體通過的區(qū)域（水力系統(tǒng)和平衡裝置）進(jìn)行熱分離；提供熱密封，以防止對流。

3）對泵的外部進(jìn)行隔離（保溫）。

4）通過強(qiáng)制（介質(zhì)）流動來預(yù)熱或保持泵的溫度，通常是通過節(jié)流壓力提供（暖泵系統(tǒng)）。

5）暫時或永久中斷機(jī)械密封（二次回路）區(qū)域的冷卻水供應(yīng)。

6）采取適當(dāng)?shù)拇胧┮詼p少較大溫差的影響。

7）在備用模式下旋轉(zhuǎn)泵。

8）選擇具有良好的熱特性的軸封，如非接觸式密封（浮環(huán)密封）。

上述措施經(jīng)常用于桶型抽芯式泵，因為它們的外形尺寸、壁厚、驅(qū)動和運(yùn)行模式被認(rèn)為比節(jié)段式泵更關(guān)鍵。如果可能，這些措施總是自動進(jìn)行的，以保障泵組的可用性。

7.  最小流量閥

最小流量閥（自動再循環(huán)閥）可確保最小流量，從而防止在低流量運(yùn)行時因不允許的溫度升高導(dǎo)致泵送介質(zhì)汽化或低流量汽蝕而對泵造成損傷。