電動(dòng)主給水泵液力耦合器油溫高問題原因分析及處理

馬慶飛 段智彪 解程宇

摘 要：某核電廠電動(dòng)給水泵調(diào)試期間出現(xiàn)了液力耦合器工作油和潤滑油溫度高問題，影響了設(shè)備質(zhì)量和工程進(jìn)度。本文從液力耦合器運(yùn)行原理和油系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)出發(fā)，采用排除法對可能的原因進(jìn)行逐個(gè)排查分析，最終找到油溫高的主要原因是由于工作油通過耦合器充油管線逆向流入潤滑油回路加熱了潤滑油，最終采取調(diào)整工作油壓力以避免工作油逆流的方法使問題得以解決。

關(guān)鍵詞：給水泵;液力耦合器;工作油溫度;潤滑油溫度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.148

0 引言

給水泵作為熱力發(fā)電廠關(guān)鍵輔機(jī)設(shè)備之一，其能否穩(wěn)定運(yùn)行與電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性直接相關(guān)，大型熱力發(fā)電廠配置的電動(dòng)給水泵多采用液力耦合器對給水泵進(jìn)行調(diào)速控制，液力耦合器的性能關(guān)乎給水泵運(yùn)行的穩(wěn)定性。某核電廠單臺機(jī)組配置有三臺電動(dòng)主給水泵，給水泵配套的液力耦合器為福伊特（VOITH）公司生產(chǎn)的型號為RK17K450M的調(diào)速型液力耦合器。在每臺給水泵調(diào)試期間，均出現(xiàn)了潤滑油回路及液力耦合器工作油溫度高問題，導(dǎo)致設(shè)備被迫打閘停運(yùn)，對設(shè)備質(zhì)量和工程進(jìn)度造成了極大的影響。該型號液力耦合器為福伊特公司的成熟產(chǎn)品，在化工、電力等行業(yè)均應(yīng)用廣泛，同類型耦合器試運(yùn)過程中，僅發(fā)生過工作油溫度高的故障案例，但是同時(shí)出現(xiàn)潤滑油及工作油回路溫度過高的現(xiàn)象尚屬少見，因無成熟的可借鑒經(jīng)驗(yàn)，原因查找存在很大的難度。現(xiàn)場技術(shù)人員從液力耦合器的工作原理和油系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)場的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，深入排查各種可能因素，最終找到原因，并提出了針對性的解決措施。

1 問題描述

某核電廠工程建設(shè)調(diào)試期間，在給水泵組安裝完成后，對給水泵進(jìn)行首次試轉(zhuǎn)過程中，啟動(dòng)給水泵后手動(dòng)提升轉(zhuǎn)速，約8分鐘后轉(zhuǎn)速升高至4400rpm，泵組繼續(xù)維持運(yùn)行約7分鐘后，液力耦合器潤滑油冷油器入口油溫升高至保護(hù)跳泵值70℃，給水泵保護(hù)跳閘。與此同時(shí)工作油冷油器入口油溫接近報(bào)警值110℃，潤滑油冷油器及工作油冷油器出口油溫均正常，工作油泵出口、調(diào)節(jié)油壓等壓力均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，泵組各軸瓦溫度均正常。3臺給水泵首次試運(yùn)過程均出現(xiàn)同樣現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

2 原因分析及處理過程

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從耦合器的工作原理和系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)方面分別對工作油和潤滑油溫度高問題展開分析和排查。

2.1 工作油溫度高原因分析

根據(jù)液力耦合器工作原理可知，液力耦合器由主動(dòng)軸、泵輪、渦輪、從動(dòng)軸和防止漏油的轉(zhuǎn)動(dòng)外殼等主要部件組成，如圖1所示。泵輪和渦輪一般對稱布置，幾何尺寸相同，在輪內(nèi)裝有許多徑向輻射葉片。工作時(shí)，在聯(lián)軸器中充以工作油，傳動(dòng)設(shè)備的動(dòng)力通過主渦輪（又稱泵輪）傳遞到工作油;工作油在主渦輪內(nèi)加速，機(jī)械能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能。從動(dòng)渦輪（又稱渦輪）吸收動(dòng)能，并轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。在該動(dòng)力傳遞到被驅(qū)動(dòng)設(shè)備在動(dòng)力傳輸中，從動(dòng)渦輪的速度小于主渦輪速度。該速度差稱為滑差。由于速度差而導(dǎo)致的動(dòng)力損失對工作油加熱升溫，動(dòng)力損傷產(chǎn)生的熱量通過工作油冷卻器由閉冷水帶走。

因此，針對工作油溫度高問題可以從以下因素進(jìn)行分析：

（1）潤滑油品質(zhì)問題，如潤滑油中顆粒度和含水量超標(biāo)，將增大摩擦損失產(chǎn)生熱量，使油溫升高。泵組試轉(zhuǎn)前潤滑油已經(jīng)沖洗合格，試驗(yàn)室油質(zhì)分析結(jié)果為NAS7級水平，水分<0.05%，清潔度和水分均在合格范圍內(nèi)，因此該因素可排除。

（2）冷油器冷卻水流量不足或溫度過高，導(dǎo)致工作油中的熱量無法得到及時(shí)有效的冷卻。檢查工作油和潤滑油冷卻水回水總管冷卻水流量為150m?/h（設(shè)計(jì)流量為>139m?/h），冷卻水溫度<36.5℃，均滿足設(shè)計(jì)要求。而且，從冷油器出口油溫來看，潤滑油冷油器出口油溫為43.2℃，工作油冷油器出口油溫為59.0℃，冷卻效果較好。因此，可以排除冷卻系統(tǒng)故障因素。

（3）工作油循環(huán)流量過低，導(dǎo)致大部分熱量無法被冷卻器帶走，熱量累積導(dǎo)致油溫升高。通過現(xiàn)場檢查，工作油泵出口油壓正常，可以正常對油系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充;循環(huán)油量控制閥開度可以隨勺管上下移動(dòng)而調(diào)整大小，無卡澀現(xiàn)象。為加大循環(huán)油量，增大工作油換熱量，現(xiàn)場調(diào)大了給水泵液力耦合器循環(huán)油量控制閥開度，啟動(dòng)給水泵組進(jìn)行再驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，工作油溫升有所降低，但潤滑油溫度急劇升高。

（4）滑差導(dǎo)致的動(dòng)力損失是產(chǎn)生熱量的主要因素，因此可通過能量分析來研究能損-轉(zhuǎn)速曲線特性，滑差導(dǎo)致的能量損失Q與滑差率s和輸出功率P成正比，而輸出功率P與渦輪輸出轉(zhuǎn)速n2的三次方成正比，設(shè)泵輪輸入轉(zhuǎn)速為n1，k為修正系數(shù)，可得以下關(guān)系式（1）：

（1）

由，可求得當(dāng)時(shí)，能量損失最大，能損-轉(zhuǎn)速曲線如圖2所示。

已知輸入轉(zhuǎn)速n1為5204rpm，因此當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速在3500rpm附近，滑差導(dǎo)致的能量損失最大，盡量避免在該區(qū)間長期運(yùn)行。現(xiàn)場對給水泵組啟動(dòng)方案進(jìn)行優(yōu)化，即手動(dòng)啟泵時(shí)，為避免泵組在能損較大轉(zhuǎn)速區(qū)間運(yùn)行時(shí)間過長，需在泵組啟動(dòng)后快速提升轉(zhuǎn)速至4000rpm以上，進(jìn)入能損相對較小工況，從而避免工作油油溫升高過快。

試驗(yàn)表明，該方案可在一定程度上降低工作油溫升，但泵組運(yùn)行一段時(shí)間后，潤滑油溫繼續(xù)升高至報(bào)警值以上，因此需對導(dǎo)致潤滑油溫度高的原因展開進(jìn)一步分析。

2.2 潤滑油溫度高原因分析

根據(jù)液力耦合器油系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)可知，系統(tǒng)主要分為潤滑油回路和工作油回路，如圖3所示。潤滑油回路主要流程為主潤滑油泵（給水泵正常運(yùn)行時(shí)）或輔助油泵（給水泵啟動(dòng)、備用或停止時(shí)）從油箱吸油經(jīng)逆止閥，經(jīng)潤滑油冷卻器、雙聯(lián)過濾器、孔板后送到潤滑油供油總管，通過總管上各支管向前置泵、電機(jī)、耦合器、壓力級泵軸承提供潤滑油。工作油回路包括一個(gè)閉式回路與一個(gè)開式回路。在閉式回路中，在耦合器中旋轉(zhuǎn)油環(huán)在動(dòng)壓力的作用下從可移位的勺管引出經(jīng)工作油冷卻器、油量控制閥后返回耦合器，或經(jīng)卸壓閥流入油箱。在開環(huán)回路中，工作油泵從油箱吸油，一方面通過油量控制閥向耦合器充油，另一方面過剩的油經(jīng)卸壓閥回到油箱。此外在潤滑油泵出口設(shè)置一根帶孔板管線，其作用是當(dāng)給水泵處于備用狀態(tài)，電動(dòng)輔助油泵運(yùn)行時(shí)，向工作油系統(tǒng)充油。

從潤滑油回路設(shè)計(jì)來看，冷卻器換熱效果、軸瓦磨損產(chǎn)生的熱量、以及高溫工作油泄露進(jìn)入潤滑油回路是導(dǎo)致潤滑油溫度高的主要因素。從現(xiàn)場冷卻水流量、溫度和潤滑油回油溫度來看，各項(xiàng)參數(shù)均正常，可排除冷卻系統(tǒng)故障因素;而從前置泵、電機(jī)、耦合器及壓力級泵各軸瓦溫度測點(diǎn)及就地回油溫度顯示表來看，各軸瓦回油溫度均無異常，軸承磨損產(chǎn)生熱量的因素同樣可以排除。因此，可以推斷潤滑油溫度高最可能的原因是攜帶熱量的工作油泄露進(jìn)入油箱或潤滑油，根據(jù)工作油和潤滑油回路工藝流程，可從以下部位開展檢查：

（1）易熔塞融化導(dǎo)致溫度較高的工作油進(jìn)入油箱。

為保護(hù)設(shè)備，耦合器外殼上設(shè)計(jì)有易熔塞，見圖4所示。主要作用是當(dāng)耦合器內(nèi)油溫上升到160℃，易熔塞熔毀，熱油流出液力偶合器的機(jī)殼將油排出，導(dǎo)致工作油泵不送油，機(jī)器停止工作。易熔塞融化是導(dǎo)致油箱溫度上升最常見的原因之一。易熔塞融化將導(dǎo)致耦合器工作腔內(nèi)溫度較高的油泄露進(jìn)入潤滑油箱內(nèi)，導(dǎo)致潤滑油溫度升高?，F(xiàn)場分別打開3臺泵組液力耦合器工作腔室的蓋板，對易熔塞進(jìn)行了細(xì)致的檢查，發(fā)現(xiàn)易熔塞均完好無損，并無過熱融化現(xiàn)象。

（2）冷油器排氣管孔板尺寸過大，溫度較高的工作油通過冷油器排氣管混入潤滑油箱。

每臺工作油冷油器布置有3根排氣管，在排氣管上設(shè)計(jì)有4mm的節(jié)流孔板，如孔板尺寸過大，將導(dǎo)致溫度較高且未經(jīng)冷卻的工作油流入油箱，從而加熱潤滑油。現(xiàn)場對三根排氣管孔板安裝情況進(jìn)行了檢查，經(jīng)檢查，孔板均已安裝，且尺寸與設(shè)計(jì)一致。

（3）耦合器初始充油管線未安裝導(dǎo)致溫度較高的工作油通過預(yù)留孔流入油箱，或者溫度較高的工作油通過充油管線逆向流入潤滑油回路導(dǎo)致潤滑油溫度升高。

在潤滑油泵出口設(shè)計(jì)有與工作油系統(tǒng)相連的一根帶孔板的耦合器初始充油管，若該旁通管出廠時(shí)未安裝，工作油將會(huì)通過工作油管路上預(yù)制孔泄露進(jìn)入潤滑油箱內(nèi)，加熱潤滑油。因現(xiàn)場拆解耦合器箱體存在技術(shù)上的困難，在不打開液力耦合器箱整個(gè)上端蓋的情況下無法直接觀察該旁通管是否已經(jīng)安裝，于是現(xiàn)場拆除勺管出口去工作油冷油器的法蘭，啟動(dòng)輔助油泵，發(fā)現(xiàn)大量潤滑油被不斷注入工作油管路，進(jìn)而間接判斷旁通管已安裝。

按照耦合器運(yùn)行設(shè)計(jì)，正常工況下因?yàn)闈櫥捅贸隹趬毫β愿哂谏坠艹隹诠ぷ饔蛪毫?，因此通常不?huì)存在工作油逆流問題，為了進(jìn)一步判斷是否存在工作油逆流問題，現(xiàn)場啟動(dòng)給水泵后分別對潤滑油泵出口潤滑油冷卻器后（圖中壓力測點(diǎn)M1）和勺管出口（圖中壓力測點(diǎn)M3）安裝臨時(shí)壓力表進(jìn)行壓力測量，測量結(jié)果為，M1取壓點(diǎn)壓力為3.0bar，M3取壓點(diǎn)壓力為3.1bar，考慮潤滑油管路的沿程手頭損失后，兩個(gè)取壓點(diǎn)壓力值相當(dāng)，因此存在工作油逆流風(fēng)險(xiǎn)。按照耦合器運(yùn)行控制邏輯，給水泵啟動(dòng)后延時(shí)3分鐘，如潤滑油壓力正常，將維持主潤滑油泵運(yùn)行，輔助潤滑油泵自動(dòng)停運(yùn)，此時(shí)勺管引出的溫度較高的工作油將通過耦合器初始充油管線進(jìn)入潤滑油管路，一部分流向潤滑油冷卻器與主油泵出口的潤滑油混合，加熱潤滑油，另一部分通過潤滑油壓力調(diào)節(jié)閥泄流進(jìn)入油箱，加熱油箱中的油，油箱中被加熱的油通過工作油泵補(bǔ)充進(jìn)入工作油回路，在耦合器中再次做功并被加熱，如此循環(huán)，導(dǎo)致潤滑油和工作油溫度不斷被提升。

綜上分析，工作油和潤滑油同時(shí)出現(xiàn)溫度高問題的主要原因是工作油通過耦合器充油管線逆向流入潤滑油回路，因此現(xiàn)場需采取措施避免工作油逆流，因耦合器初始充油管線管徑較小，且增加逆止閥存在技術(shù)困難，現(xiàn)場采取通過調(diào)節(jié)工作油壓調(diào)節(jié)閥調(diào)低工作油壓力措施，但若工作油壓太低，將導(dǎo)致補(bǔ)油量過大，且影響耦合器運(yùn)行效率，工作油泵出口壓力（圖中壓力測點(diǎn)M2）需維持在1.5bar以上，因此現(xiàn)場將M2測點(diǎn)的壓力值由2.3bar調(diào)節(jié)至1.7bar，同時(shí)壓力測點(diǎn)M3測得的壓力值由3.1bar調(diào)整為2.4bar，遠(yuǎn)低于潤滑油壓力，大大降低工作油逆流風(fēng)險(xiǎn)。

工作油壓力調(diào)節(jié)后，現(xiàn)場啟動(dòng)給水泵進(jìn)行再鑒定，泵組運(yùn)行穩(wěn)定后，潤滑油冷卻器入口油溫穩(wěn)定在60℃以下（設(shè)計(jì)值為小于65℃），工作油冷油器入口油溫穩(wěn)定在100℃以下（設(shè)計(jì)值為小于110℃），工作油和潤滑油溫度均在正常范圍內(nèi)，耦合器油溫高問題最終得以有效解決。

3 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了某核電廠電動(dòng)給水泵的液力耦合器油溫高問題的處理過程，從液力耦合器工作原理和系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)的角度分別對可能導(dǎo)致工作油溫度高和潤滑油溫度高的原因展開分析。分析結(jié)果表明，通過調(diào)整工作油循環(huán)油量或優(yōu)化給水泵啟動(dòng)方式快速提升轉(zhuǎn)速的方法對工作油的溫度控制起到一定作用，但無法解決潤滑油溫度高的問題，只有從設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝流程設(shè)計(jì)上進(jìn)行全面綜合分析，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證后，才最終找到了油溫高問題是由于工作油通過耦合器初始充油管線逆流進(jìn)入潤滑油回路導(dǎo)致，并提出通過調(diào)整工作油壓力來避免工作油逆流的措施。本文的分析思路和處理過程對深入了解液力耦合器運(yùn)行特性、分析和解決耦合器油溫問題以及優(yōu)化耦合器設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制方法等方面均具有參考意義。

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