某VLCC船鍋爐給水泵故障原因分析

唐傳安，楊述闖，柯小磊，嚴(yán)建兵，王 旭，王 昆

(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計研究院有限公司，遼寧 大連 116021)

技術(shù)交流

某VLCC船鍋爐給水泵故障原因分析

唐傳安，楊述闖，柯小磊，嚴(yán)建兵，王 旭，王 昆

(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計研究院有限公司，遼寧 大連 116021)

某VLCC船2臺鍋爐給水泵在試航期間相繼發(fā)生故障，文章根據(jù)泵的相關(guān)理論，結(jié)合泵的特性曲線、工廠試驗數(shù)據(jù)和電氣系統(tǒng)設(shè)計，分析了故障原因，并提出了預(yù)防措施。經(jīng)交船后運營檢驗，其控制預(yù)防措施合理，無問題反饋。

鍋爐給水泵；特性曲線；過載電流保護(hù)

1 故障經(jīng)過

某30.8萬噸級VLCC船在試航期間，鍋爐給水系統(tǒng)的其中2臺給水泵(共3臺)相繼發(fā)生故障。主要故障經(jīng)過如下。

1)在貨艙壓載階段,1#鍋爐處于自動模式，負(fù)荷為25%～30%左右；2#鍋爐處于手動模式，負(fù)荷為15%。2#鍋爐給水泵運行一段時間后，該泵發(fā)生過載報警，經(jīng)檢查電機下軸承抱死。

2)在貨艙掃艙階段，2臺鍋爐以自動模式運行，總負(fù)荷約為單臺鍋爐的60%～70%，此時1#和3#鍋爐給水泵運行。先是突然出現(xiàn)水位變化異常的情況，服務(wù)商在調(diào)試水位期間，3#給水泵突然過載報警，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)電機下軸承同樣抱死。

經(jīng)過拆檢發(fā)現(xiàn)，2臺給水泵除有電機下軸承抱死現(xiàn)象外，軸承端蓋均出現(xiàn)裂紋，電機輸出軸由于溫度過高，軸承區(qū)域出現(xiàn)變色，部分包線燒毀。

2 鍋爐給水系統(tǒng)組成

該船的鍋爐給水系統(tǒng)簡圖見圖1。設(shè)有2臺輔鍋爐，用以保證VLCC型船的貨油泵透平和壓載泵透平的蒸汽供應(yīng)[1]；設(shè)有3臺鍋爐給水泵，每臺鍋爐給水泵可以保證1臺輔鍋爐的水量，剩余1臺給水泵作為備用。正常工作時，給水泵從熱井中抽水，經(jīng)給水控制閥調(diào)節(jié)后，將鍋爐需求的水量打入鍋爐中用于產(chǎn)生蒸汽。蒸汽在各用戶使用后，經(jīng)冷凝又返回至熱井中形成循環(huán)。

圖1 鍋爐給水系統(tǒng)簡圖

該船每臺輔鍋爐蒸發(fā)量：46 m3/h ，2臺；鍋爐工作壓力：0.6～2.0 MPa，設(shè)計壓力為2.4 MPa；每臺鍋爐給水泵(立式多級離心泵)：60 m3/h、2.64 MPa，3臺；給水泵電機：額定輸出功率 55 kW，額定電流 84 A。圖2～圖4為鍋爐給水泵的特性曲線，分別為流量—揚程、流量—必需汽蝕余量、流量—額定輸出功率曲線。

圖2 鍋爐給水泵流量—揚程曲線

圖3 鍋爐給水泵流量—必需汽蝕余量曲線

圖4 鍋爐給水泵流量—額定輸出功率曲線

3 故障原因分析

3.1 綜合分析

結(jié)合相關(guān)設(shè)計手冊和泵的常見故障[2-3]，鍋爐給水泵的故障可能由以下3個原因造成：①泵的自身裝配問題。主要包括裝配不當(dāng)，潤滑不良等。②泵的振動。包括船體結(jié)構(gòu)振動，自身不平衡或汽蝕等引發(fā)的振動。③泵的外部條件變化。包括外部管路阻力變化或混入異物等導(dǎo)致電機過載。

根據(jù)泵故障后的拆檢和試航期間的觀測記錄，分析可得該泵的裝配和潤滑沒有問題，泵所在區(qū)域船體振動情況較好，未發(fā)現(xiàn)泵內(nèi)有異物或葉輪變形的現(xiàn)象，故從汽蝕振動和電機過載2方面進(jìn)一步分析泵故障原因。

3.2 汽蝕可能性分析

泵在輸送流體過程中，當(dāng)部分區(qū)域的壓力小于該溫度下的流體飽和蒸汽壓力時，液體將汽化，汽化產(chǎn)生的氣泡破滅時，會對泵體造成很大的沖擊，形成“汽蝕現(xiàn)象”，汽蝕會導(dǎo)致較大的噪聲和振動，可能導(dǎo)致電機軸承損壞[4]。為此，根據(jù)汽蝕理論，按式(1)進(jìn)行校核[3]：

h=(PNPSH-Pf-Pv-Ps)/ρg，

(1)

式中：h為避免汽蝕允許的泵進(jìn)口安裝高度，m，如h為正值，表示泵可安裝在液面以上的最大距離，如h為負(fù)值，表示泵應(yīng)安裝在液面以下的最小距離。P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓壓力，約等于0.1 MPa；PNPSH為泵的必需汽蝕余量，根據(jù)圖3可得，在泵曲線范圍內(nèi)其最大值為0.027 MPa；Pf為泵的吸口管路阻力損失，經(jīng)過計算約為0.005 MPa；Pv為飽和氣體壓力，鍋爐給水系統(tǒng)的設(shè)計溫度為80 ℃，對應(yīng)的水蒸氣飽和壓力約為0.05 MPa；Ps為安全余量，根據(jù)泵廠家要求，取0.005 MPa；ρ為水的密度，取1×103kg/m3；g為重力加速度，取10 m/s2。

經(jīng)過計算得知，h值為1.3 m，表示泵可安裝在液面以上的最大距離為1.3 m，而泵的實際安裝高度為液面以下5 m，遠(yuǎn)高于廠家要求，故泵發(fā)生汽蝕的可能性較小，實際拆檢結(jié)果也顯示泵葉輪狀態(tài)正常，沒有明顯的汽蝕現(xiàn)象。

3.3 電機過載的可能性分析

3.3.1 泵曲線與試驗報告分析

針對實際工作狀態(tài)下，本船鍋爐給水泵的電機是否過載的問題，首先可以確定該泵電機功率不滿足其設(shè)計工作點60 m3/h、2.64 MPa的功率需求，如圖4所示，在工作點時需求的功率為57 kW，而泵的電機輸出功率只有55 kW，說明電機功率偏小。查閱該船鍋爐給水泵的船級社證書，可以發(fā)現(xiàn)其工廠試驗時的各項數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 鍋爐給水泵工廠試驗數(shù)據(jù)

從表1可以得出以下結(jié)論。

1)泵的實測流量和揚程與圖2中的特性曲線誤差較小，可以認(rèn)為符合性較好，泵本體設(shè)計沒有問題。

2)在泵的設(shè)計工作點60 m3/h 、2.64 MPa，實測電流超過額定電流，電機是過載的，這與根據(jù)圖4分析的結(jié)果一致。

3)泵只有在約53 m3/h、2.66 MPa工況以下運行，才能保證電機不過載，正常工作。

3.3.2 鍋爐在穩(wěn)定狀態(tài)下的工況分析

在為鍋爐供水時，該泵實際運行狀態(tài)下電機是否過載，應(yīng)從整個系統(tǒng)的配置和供水原理方面進(jìn)行分析。結(jié)合圖2和圖4可知，泵的流量和所需電機功率取決于管路系統(tǒng)的外部阻力，外界阻力小時，泵的流量和所需電機功率增大；反之則減少。

鍋爐運行時，給水泵的外部阻力P為：

P=P1+P2+P3+P4

(2)

式中：P1為鍋爐內(nèi)部蒸汽壓力，最大值為鍋爐設(shè)計壓力，為2.4 MPa；P2為給水控制閥阻力，在最大蒸發(fā)量下，控制閥全開，約為0；P3為給水泵與鍋爐之間由于高度差引起的壓力，本船實際約為0.2 MPa；P4為整個管路系統(tǒng)阻力損失，約為0.05 MPa。經(jīng)計算可得P為2.65 MPa。

而在鍋爐最大負(fù)荷時，單臺鍋爐的蒸發(fā)量為46 m3/h。在穩(wěn)定狀態(tài)下，鍋爐蒸發(fā)量與供水量趨于平衡，所需給水泵的供水流量也為46 m3/h。故在穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)鍋爐在最大負(fù)荷工作時，給水泵供水能力應(yīng)滿足46 m3/h、2.65 MPa的設(shè)計要求，低于53 m3/h、2.65 MPa這一實測電機過載臨界點，故電機不會發(fā)生過載現(xiàn)象。

3.3.3 鍋爐實際工作狀態(tài)下的工況分析

在實際操作中，鍋爐蒸發(fā)量與供水量不可能始終保持一致，其水位一直處于波動狀態(tài)。鍋爐補水是通過控制給水閥的開度來調(diào)節(jié)水量的，當(dāng)鍋爐實際水位小于理論水位時，給水控制閥打開，開始供水，且實際水位與理論水位的差值越大，給水閥的開度就越大；而當(dāng)鍋爐水位與理論水位差值變小時，給水閥開度就會逐漸變小直至關(guān)閉。根據(jù)這一控制原理，如果外部條件變化，造成鍋爐實際水位與理論水位差值較大時，給水閥開度就會變得較大，會使給水系統(tǒng)外部阻力變小，給水泵功率增大。

故從補水控制程序原理上講，這種方法僅保證了鍋爐水位低情況下的快速補水，沒有考慮系統(tǒng)阻力變化對鍋爐給水泵電機功率的影響和是否會造成電機過載。由于本船鍋爐給水泵的電機功率沒有覆蓋泵的整個曲線工作范圍，在鍋爐水位較低時，需求水量較大時，由于給水閥開度較大，外部阻力較小，根據(jù)泵的特性曲線，此時泵的工作點就會超過臨界值，造成電機過載。結(jié)合操作經(jīng)驗，在下列工況下，會造成鍋爐實際水位與理論水位相差較大，造成電機過載。

1)外部蒸汽負(fù)荷突變。如新啟動1臺貨油泵或其它蒸汽需求量大的用戶時，由于蒸汽需求量突然變大，水位快速下降，在鍋爐調(diào)節(jié)水位至平衡的一段時間內(nèi)，會發(fā)生電機過載現(xiàn)象；在調(diào)試或航海初期的頻繁試氣階段，發(fā)生這種現(xiàn)象的次數(shù)將較多。

2)在調(diào)試初期或使用過程中，為鍋爐首次加水或換水期間，鍋爐內(nèi)部沒有壓力，同時給水改為手動操作，如閥門開度較大或操作不當(dāng)，外界阻力非常小，就會造成電機過載。

3) 在給水閥故障或給水控制失效時，如果給水閥處于全開狀態(tài)，則同樣會造成電機過載。

綜上所述，在鍋爐穩(wěn)定工作狀態(tài)下，此時蒸汽需求量波動較小，水位變化較緩，本船的鍋爐給水泵電機功率可以滿足使用需求；但在某些實際存在的工況下，如蒸汽用戶突變或壓力突降，鍋爐水位下降就會很快，由于本船的給水泵電機功率較小，無法覆蓋泵的全部工作曲線范圍，給水泵電機就會發(fā)生過載現(xiàn)象，分析認(rèn)為這是本船2臺鍋爐給水泵電機故障的本質(zhì)原因。

實際設(shè)計中，為了避免鍋爐水位波動對給水系統(tǒng)帶來的不利影響，鍋爐給水泵的工作點和電機功率應(yīng)大于鍋爐的最大蒸發(fā)量，這也是廠家鍋爐給水泵設(shè)計工作點為60 m3/h、2.64 MPa的初衷，但其電機功率卻沒有跟設(shè)計工作點相互匹配。

3.3.4 電機過載電流保護(hù)設(shè)置分析

由于鍋爐給水泵在故障前，未發(fā)出任何電機過載報警，在故障分析期間也檢查了電機的過載保護(hù)設(shè)置是否正確。經(jīng)查該電機的額定電流為84 A，而實船過載電流保護(hù)的設(shè)置為100 A，分析其設(shè)定值偏大，無法在電機過載的情況下進(jìn)行有效保護(hù)。經(jīng)過查閱鍋爐廠家資料和廠家的書面溝通，廠家電氣設(shè)計人員經(jīng)過校核也認(rèn)為其電流過載保護(hù)設(shè)置過高。通過雙方交流發(fā)現(xiàn)，該泵為鍋爐廠家從外部采購，而電氣系統(tǒng)設(shè)計由鍋爐廠家負(fù)責(zé)。該廠家長期使用的標(biāo)配電機額定電流為99 A，電流保護(hù)設(shè)定值為100 A。但在本項目的系列船中，泵廠家更換了電機品牌和技術(shù)參數(shù)，額定電流變?yōu)?4 A，而對應(yīng)的電氣系統(tǒng)設(shè)計，包括過載電流設(shè)置，未隨之更新，造成了這一設(shè)計失誤。

如果過載電流保護(hù)設(shè)置正確，即使電機在實際工作中發(fā)生過載，過載保護(hù)也會及時停止電機，不會造成電機的損壞。故分析認(rèn)為，過載電流保護(hù)設(shè)定值過高是電機損壞的直接原因。

4 解決及預(yù)防措施

根據(jù)原因分析，本船的電機故障主要是由2方面造成的，一方面為電機功率偏小，在某些蒸汽負(fù)荷變化較快的場合無法滿足給水泵的功率需求，造成電機過載；另一方面為過載電流保護(hù)設(shè)計值過高，無法有效保護(hù)電機。為此，在修復(fù)2臺損傷的電機后，采取以下預(yù)防措施來保護(hù)電機[5]。

1)按廠家電機實際技術(shù)參數(shù)，更改過載電流保護(hù)設(shè)置為92 A。

2)加裝相關(guān)操作說明銘牌和更新鍋爐操作程序，防止鍋爐負(fù)荷突增。在有大量蒸汽用戶使用的情況下，要求取消自動模式，改為手動逐漸增加鍋爐負(fù)荷，待平穩(wěn)后再將鍋爐改為自動控制模式。

3)嚴(yán)格控制鍋爐給水泵操作程序，在鍋爐壓力較低或手動補水的情況下，應(yīng)手動控制泵出口閥，保證泵出口壓力在允許范圍內(nèi)(不低于2.66 MPa )。

5 結(jié)束語

電機修復(fù)后，按上述控制措施重新進(jìn)行試航交驗，鍋爐給水泵運行正常。交船后，也無任何問題反饋，證明這些操作控制程序是合理和可靠的。但對這種使用工況比較復(fù)雜的水泵，由于其實際需求的工作點較多，建議電機功率應(yīng)滿足整個泵曲線的工作范圍要求，本船的電機輸出功率應(yīng)為62 kW以上。

[1] 中國船舶重工集團(tuán)公司，中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司，中國造船工程學(xué)會，等.船舶設(shè)計實用手冊輪機分冊[M].3版. 北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[2]陳紹綱,朱國偉,李渤仲，等. 輪機工程手冊[M]. 北京：人民交通出版社，1992.

[3]關(guān)醒凡. 現(xiàn)代泵技術(shù)手冊[M]. 北京：宇航出版社，1995.

[4]任福安, 王名涌. 輪機工程基礎(chǔ)(上冊)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2008.

[5]童大鵬, 田野，任榮社. 船用離心泵典型故障及排除[J]. 中國修船，2013,26(5)：48-50.

請 珍 惜 每 一 滴 水

Two of the boiler water-feeding pumps are failure in turn during sea trial on a VLCC ship.The malfunction reason is analyzed based on the theory of centrifugal pumps,the pump characteristic curve,factory test data and the electric diagram design.The preventive means are given finally,which is certified as reasonable and no negative feedback after ship's delivery.

boiler water-feeding pump;characteristic curve;overload current protection

唐傳安(1981-)，男，遼寧大連人，高級工程師，碩士，主要從事船舶和海洋平臺的輪機設(shè)計工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.03.001

2017-01-22