水電站調(diào)速系統(tǒng)螺桿泵運行異常工況診斷與維護

段水航(中國長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川 宜賓 644612)

螺桿泵在水電站調(diào)速器液壓系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，螺桿泵屬容積式轉(zhuǎn)子泵，它是依靠由螺桿和襯套形成的密封腔的容積變化來吸入和排出液體的。在水電站機組運行過程中，調(diào)速系統(tǒng)螺桿泵及其過濾器、閥組在機組運行過程中出現(xiàn)的一些異常工況，比如：泵體振動過大，噪音增大、軸承溫升過高、電機啟動電流增大等，會導(dǎo)致調(diào)速器液壓系統(tǒng)工況、工作條件的惡化，威脅到水輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行[1-6]。

螺桿泵的突出特點是流量平穩(wěn)、壓力脈動小、自吸能力強、噪聲低、效率高、壽命長、工作可靠；而其最大的優(yōu)點是輸送介質(zhì)時不形成渦流、對介質(zhì)的黏度不敏感，可輸送較高黏度介質(zhì)。因此研究、探討調(diào)速系統(tǒng)螺桿泵異常工況，并有針對性的分析處理，對水電站調(diào)速系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有實際意義。

1 水電站調(diào)速系統(tǒng)螺桿泵運行簡介

依據(jù)螺桿泵的運行特點，水電站調(diào)速系統(tǒng)一般選擇螺桿泵作為輸油、加壓泵，通常會選擇輸油特性最穩(wěn)定的三螺桿泵，圖1是調(diào)速系統(tǒng)三螺桿泵工作油路示意圖。三螺桿泵主要用于輸送不含固體顆粒、無腐蝕性的各種油類或者類似于油的潤滑油性液體。在三螺桿泵內(nèi)具有3個轉(zhuǎn)動元件：一個主動螺桿和兩個從動螺桿是決定三螺桿泵性能特征的關(guān)鍵因素，三螺桿泵結(jié)構(gòu)如圖2所示，包涵在襯套內(nèi)的相互精密嚙合的主、從螺桿在空間形成2個相互封閉的密閉腔室。當(dāng)主動螺桿轉(zhuǎn)動時，這些密閉腔室沿著主動螺桿軸線持續(xù)均勻地由泵吸入腔平動至排出腔，完成液體的吸入和排出，這種勻速軸向移動決定了三螺桿泵具有很好的吸入性能并且運行時脈動小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)三螺桿泵工作油路示意圖

圖2 三螺桿泵結(jié)構(gòu)示意圖

2 水電站調(diào)速系統(tǒng)三螺桿泵異常工況診斷與處理措施

2.1 三螺桿泵運行振動增大、噪聲異常

三螺桿泵運行振動增大、噪聲異常是泵在實際運轉(zhuǎn)過程中最為常見，也是最易被發(fā)現(xiàn)的異常工況，如果不能及時找出原因并加以處理，往往會引起油泵電機單元組的零件損壞，三螺桿泵運行振動、噪聲異常升高應(yīng)引起水電站運行維護人員的足夠重視。

1)進口管道密封性能不良。如果三螺桿泵進口管道密封不好，三螺桿泵運轉(zhuǎn)時泵腔里面吸入空氣。輸送帶有空氣的油液，會造成螺桿泵泵體內(nèi)汽蝕，首要表現(xiàn)即振動增大、噪聲異常。此時應(yīng)檢查吸入管道法蘭密封和軸封，不允許空氣進入，檢查進口閥門是否漏入空氣或完全打開。

2)基礎(chǔ)安裝不牢固。有的用戶把三螺桿泵作為臨時輸送油液使用或移動后使用時，不固定三螺桿泵的地腳螺栓就投入使用，這種情況是螺桿泵振動大的原因之一，螺桿泵使用前一定要擰緊泵的地腳固定螺栓。

3)調(diào)速系統(tǒng)回油管路未插入油液內(nèi)部。圖1中藍色回油管路如果未插入油液內(nèi)部，回油沖入油箱后，會造成油箱內(nèi)油液出現(xiàn)大量氣泡，帶有大量氣泡的油液被吸入螺桿泵泵體內(nèi)，會造成螺桿泵運轉(zhuǎn)時振動過大，流量大、氣泡多時可導(dǎo)致軸承損壞、定轉(zhuǎn)子抱死等嚴重問題。回油管路須插入油液內(nèi)部，距離回油箱底部20～30 cm為宜。

4)油泵、電機同軸度和同心度誤差大。電機與油泵一般由聯(lián)軸器聯(lián)接，因制造、安裝誤差，或泵運轉(zhuǎn)時間較長，以及輸送介質(zhì)的性質(zhì)、承載后的變形等影響，往往會造成油泵、電機不同心、不同軸，進而導(dǎo)致油泵振動值超標(biāo)。此時應(yīng)重新調(diào)整油泵、電機的同軸度、同心度，誤差控制在±0.05 mm以內(nèi)。

5)螺桿泵安裝高程過高。通過對三螺桿泵系統(tǒng)的吸油特性和汽蝕余量分析，可判斷出螺桿泵的安裝高度和其吸油能力的匹配程度，如螺桿泵的安裝高程超過其吸油能力，泵在當(dāng)前的高程運轉(zhuǎn)就會造成泵體內(nèi)部汽蝕的產(chǎn)生，進而導(dǎo)致泵體內(nèi)噪聲、振動的增大。為了避免螺桿泵汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，泵的安裝應(yīng)在距離油箱液面一定高度范圍之內(nèi)，具體高度值應(yīng)依據(jù)螺桿泵工作特性曲線判定。

6)電機缺少潤滑油。三螺桿泵電機缺少潤滑油，會造成電機運轉(zhuǎn)時噪音過大，一般用專用黃油槍給電機加注潤滑油。

7)螺桿泵損壞。螺桿泵本體損壞，也會導(dǎo)致泵體內(nèi)噪聲、振動的增大。

2.2 三螺桿泵運行時軸承溫升過高

機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T8644-2007《單螺桿泵》中規(guī)定：軸承溫升不得超過環(huán)境溫度35℃，最高溫度不得超過80℃。調(diào)速系統(tǒng)三螺桿泵可參考使用，油泵軸承溫升試驗須每年做一次，以保證軸承良好的運轉(zhuǎn)工況。三螺桿泵運轉(zhuǎn)時軸承溫升過高的主要原因有：

1)三螺桿泵軸承內(nèi)潤滑油(脂)量不足，加注潤滑油可解決。

2)三螺桿泵軸承損壞，常常是軸承發(fā)熱的普遍原因，如滾動軸承保持架損壞、鋼球壓碎內(nèi)圈或外圈斷裂；滑動軸承的合金層剝落、掉塊等；如軸承處聲音異常、噪音明顯增大，應(yīng)及時檢查軸承檢查并更換。

3)油泵、電機同軸度和同心度誤差增大也是導(dǎo)致軸承溫升過高的常見原因，電機、油泵運轉(zhuǎn)一段時間后，由于制造、安裝、運行等原因，導(dǎo)致軸承摩擦增大，溫升過高。此時重新調(diào)整油泵、電機的同軸度、同心度，誤差控制在±0.05 mm以內(nèi)。

2.3 三螺桿泵啟動后電機電流過高

1)工作介質(zhì)黏度較大，即實際黏度高于所選泵或設(shè)計泵的黏度值。不相匹配黏度的流體可能使橡膠溶脹，增加了定、轉(zhuǎn)子之間的過盈配合值，使扭矩和消耗功率增大。增大三螺桿泵電機功率并降低電機的轉(zhuǎn)速可解決工作介質(zhì)黏度較大的問題。

2)出口管道壓力過高，超過了安全閥的全排壓力，而安全閥未動作。三螺桿泵運轉(zhuǎn)過程中如發(fā)現(xiàn)電機電流異常升高，應(yīng)首先檢查泵出口壓力是否正常，并根據(jù)情況調(diào)整安全閥的全排壓力。

3)油泵、電機同軸度和同心度誤差增大也是導(dǎo)致螺桿泵電機電流過高的常見原因，此種情況應(yīng)重新調(diào)整油泵、電機的同軸度、同心度，誤差控制在±0.05 mm以內(nèi)。

2.4 三螺桿泵運行時輸油效率降低

1)進口管道被堵塞造成油泵進口流量變小，是導(dǎo)致三螺桿泵輸油效率降低的最主要原因，首先應(yīng)檢查過濾器及吸入管路，排除堵塞問題。

2)有的用戶把螺桿泵的進口管道改小，由于吸入管路直徑太小跟不上出油流量導(dǎo)致三螺桿泵出現(xiàn)空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)三螺桿的設(shè)計流量、工作特性曲線等修改進口管道直徑。

3)介質(zhì)黏度較大、轉(zhuǎn)速太高也是三螺桿泵運行時輸油效率降低的原因之一，輸送介質(zhì)黏度太大，而泵的轉(zhuǎn)速太高導(dǎo)致，螺桿泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，泵兩端存在一定的壓差，油液可迅速充滿空腔。如油液黏度較大，則流動性較差，吸入口的阻力較大，造成油液不能快速充滿空腔，泵的效率會急劇下降。針對黏度較大的介質(zhì)，三螺桿泵選型初期就應(yīng)該低轉(zhuǎn)速泵。

3 調(diào)速液壓系統(tǒng)三螺桿泵選型注意事項

針對油泵運行中的異常工況，油泵電機單元選型前，要充分了解其使用條件，除了要獲得準(zhǔn)確的運行流量、壓力外，還要明確輸送介質(zhì)的特性，比如介質(zhì)的腐蝕性強度，是否有固溶物，以及固溶物的比率和固體顆粒的大小，同時工作介質(zhì)的工作溫度、粘度、比重也是重點考慮的因素；除此之外，設(shè)計人員需要到使用現(xiàn)場充分調(diào)查并記錄油泵裝置的吸入條件、安裝條件等。根據(jù)多年的運維經(jīng)驗，為避免三螺桿油泵運行異常工況，三螺桿泵選型時應(yīng)注意以下幾點：

1)以螺桿泵的工作特性曲線為基礎(chǔ)進行調(diào)速系統(tǒng)三螺桿泵的選型。螺桿泵工作特性曲線是指導(dǎo)螺桿泵抽油的技術(shù)基礎(chǔ)，無論是選油泵、選電機、施工設(shè)計和使用管理都要以泵的特性曲線為基礎(chǔ)，泵的特性曲線主要包括：①容積效率曲線-壓力與排量的關(guān)系曲線；②機械效率曲線(即扭矩曲線)-壓力與轉(zhuǎn)子扭矩關(guān)系曲線；③總效率曲線(即系統(tǒng)效率曲線)-壓力與系統(tǒng)效率關(guān)系曲線。

泵工作特性曲線如圖3示，圖3中的中間區(qū)域為泵的最佳工作區(qū)域。泵在這一區(qū)域效率最高，而且使用壽命長。設(shè)計人員必須找出螺桿泵的最佳工作區(qū)域，推薦給制造商用戶，才能使螺桿泵得到合理的使用，減少故障，并延長泵的壽命。

圖3 三螺桿泵工作特性曲線圖

2)設(shè)計布置三螺桿泵進出口管道時，應(yīng)合理選擇管道直徑和彎頭。進口管道直徑大，在相同流量下，油液流速度小，阻力損失小，但價格高，管道直徑小，會導(dǎo)致阻力損失急劇增大，使所選泵的揚程、功率增加，成本和運行費用都增加。管道布置應(yīng)盡可能布置成直管，盡量減小管道中的附件和盡量縮小管道長度，必須轉(zhuǎn)彎的時候，彎頭的彎曲半徑應(yīng)該是管道直徑的3～5倍，角度盡可能大于90℃。應(yīng)從技術(shù)和經(jīng)濟的角度綜合考慮三螺桿泵進出口管道和彎頭的布置。

3)泵出口側(cè)必須裝設(shè)逆止閥。逆止閥在液體倒流時可防止泵反轉(zhuǎn)，并使泵避免油擊的破壞，當(dāng)壓力油倒流時，會產(chǎn)生巨大的反向壓力，單向閥可避免泵體損壞。

4)泵流量的確定。如果生產(chǎn)工藝中已給出最小流量、工作流量、最大流量，應(yīng)按最大流量考慮。如果生產(chǎn)工藝中只給出工作流量，則三螺桿泵流量選擇時應(yīng)考慮留一定余量。

5)輸送介質(zhì)黏度和轉(zhuǎn)速的匹配。依據(jù)前述，如果輸送的介質(zhì)黏度超標(biāo)，而泵的轉(zhuǎn)速又比較高，會造成泵的效率急劇下降。針對黏度較大的介質(zhì)，三螺桿泵選型初期就應(yīng)該選低轉(zhuǎn)速泵。

6)調(diào)速系統(tǒng)回油管路設(shè)計。依據(jù)前述，調(diào)速系統(tǒng)回油管路設(shè)計時，回油管路須插入油液內(nèi)部，距離回油箱底部20～30 cm為宜。以避免泵體汽蝕、軸承損壞、定轉(zhuǎn)子抱死等嚴重問題的發(fā)生。

4 結(jié) 語

三螺桿泵在水電站調(diào)速系統(tǒng)中的作用舉足輕重，而且零件一旦損壞，維護、更換成本較高。及時發(fā)現(xiàn)三螺桿泵運轉(zhuǎn)過程中存在的異常工況，是每一個水電站運行維護人員的重要任務(wù)。運行維護人員應(yīng)考慮工作介質(zhì)特性、腐蝕性、黏度、工作溫度以及泵的壓力、流量等因素，結(jié)合螺桿泵的工作特性曲線、吸入條件、布置條件，深入分析三螺桿泵異常工況的原因。需要時調(diào)整油泵、電機的同軸度、同心度，更換進口密封、進口閥門、單向閥等措施，消除一般的異常工況。經(jīng)設(shè)計單位、廠家共同驗證，如有設(shè)計選型、制造、管道施工布置方面存在的問題，應(yīng)及時停止泵的運行，并由生產(chǎn)管理部門提出技術(shù)改造方案并實施，避免對螺桿泵造成更大的損害。選型得當(dāng)，維護合理，三螺桿泵就可長周期、不間斷的運轉(zhuǎn)。本文對水電站調(diào)速系統(tǒng)中的三螺桿泵的異常工況作了歸納、總結(jié)，希望能帶給水電站運行維護人員一點啟發(fā)，確保水電站調(diào)速系統(tǒng)三螺桿泵長壽命高效運行。