汽輪機(jī)螺桿主油泵安全閥頻繁起跳處理總結(jié)

羅偉雄，萬 濤，王邦旭

(海洋石油富島有限公司，海南 東方 572600)

2 500 t/d甲醇裝置(下稱“甲醇二期”)是某公司在海南東方基地的第2套化工生產(chǎn)裝置，于2010年建成投產(chǎn)，至今一直運(yùn)行狀態(tài)良好，其連續(xù)運(yùn)行長周期最高達(dá)340 d。該裝置重要動設(shè)備J201一段爐鼓風(fēng)機(jī)(下稱“鼓風(fēng)機(jī)”)和J202一段爐引風(fēng)機(jī)(下稱“引風(fēng)機(jī)”)的驅(qū)動機(jī)均為蒸汽輪機(jī)。蒸汽輪機(jī)的潤滑油和控制油為VG46機(jī)油,由三螺桿油泵提供。汽輪機(jī)布置見圖1。J501鼓風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)(下稱“J501”)和J502引風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)(下稱“J502”)的主油泵運(yùn)行時，泵體安全閥出現(xiàn)頻繁起跳故障，尤其是J502主油泵，其安全閥起跳更加激烈，造成管道激烈振動。2015年4月，J502主油泵出口管道因振動產(chǎn)生裂紋，造成潤滑油大量泄漏，經(jīng)采取帶壓堵漏的緊急檢修措施消除了泄漏，同時在堵漏過程中大量向油箱補(bǔ)油，避免了裝置停車。事故雖然得到了緊急處理,但依然是治標(biāo)不治本。為從源頭解決問題，必須從根本上消除主油泵安全閥頻繁起跳故障，避免再次出現(xiàn)類似現(xiàn)象引發(fā)裝置停車,造成重大經(jīng)濟(jì)損失。經(jīng)過分析和研究，分別采取措施對J501和J502主油泵進(jìn)行改造、調(diào)整，消除了安全閥頻繁起跳故障。本文將就這2臺主油泵故障查找過程及處理措施進(jìn)行介紹。

1 螺桿主油泵

甲醇二期汽輪機(jī)的螺桿油泵采用天津泵業(yè)機(jī)械集團(tuán)有限公司制造的SN系列的三螺桿泵， 其中主油泵采用SN系列GF型結(jié)構(gòu)形式， 型號為SNGF440R40Q， 其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是介質(zhì)進(jìn)、 出口法蘭在泵的同一側(cè)， 泵體與驅(qū)動機(jī)以法蘭形式聯(lián)接， 適用于齒輪傳動形式[如圖2(a)所示)]； 輔助油泵為SN系列H型結(jié)構(gòu)形式， 型號為SNH440R54U8W28，是標(biāo)準(zhǔn)的臥式底腳安裝結(jié)構(gòu)，適用于電機(jī)驅(qū)動[如圖2(b)所示]。

圖1 汽輪機(jī)布置

化工設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)過程中，充分考慮到節(jié)能降耗、降本增效，利用杭州汽輪機(jī)制造廠生產(chǎn)的背壓汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將主油泵通過聯(lián)接套安裝在汽輪機(jī)止推側(cè)的齒輪箱上，汽輪機(jī)通過柔性軸將扭矩傳遞給齒輪箱，齒輪箱再以88∶28的轉(zhuǎn)速比將汽輪機(jī)的高轉(zhuǎn)速降至油泵的工作轉(zhuǎn)速2 863 r/min(齒輪箱結(jié)構(gòu)見圖3)。輔助油泵采用常用的電機(jī)直接驅(qū)動[如圖2 (b)所示]。相關(guān)設(shè)備性能參數(shù)見表1。

圖2 主油泵和輔助油泵的結(jié)構(gòu)形式

表1 設(shè)備主要性能參數(shù)

圖3 油泵齒輪箱結(jié)構(gòu)

主油泵是由汽輪機(jī)軸端的齒輪箱減速后驅(qū)動，因此汽輪機(jī)在啟動前，首先起動電機(jī)驅(qū)動的輔助油泵建立約1.1 MPa的油壓，經(jīng)自力式調(diào)節(jié)閥調(diào)整至0.85 MPa，其中約4 m3/h的潤滑油進(jìn)入控制油系統(tǒng)；其余的潤滑油經(jīng)自力式調(diào)節(jié)閥調(diào)整至0.25 MPa后進(jìn)入潤滑油總管，其中汽輪機(jī)及主油泵齒輪機(jī)的潤滑油量約5 m3/h；風(fēng)機(jī)減速箱潤滑油量約13 m3/h?？刂葡到y(tǒng)和潤滑系統(tǒng)的油壓建立后，當(dāng)汽輪機(jī)按程序轉(zhuǎn)速升至7 200～7 650 r/min、主油泵轉(zhuǎn)速為2 290～2 434 r/min 時，主油泵和輔助油泵自動切換，潤滑油和控制油系統(tǒng)的油切換至由主油泵供給。

2 螺桿主油泵故障

甲醇二期鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)是裝置重要的設(shè)備。鼓風(fēng)機(jī)將大氣中的空氣鼓入一段爐，為一段爐提供充足的燃燒空氣?？諝馀c天然氣在一段爐爐膛內(nèi)燃燒，燃燒后的過熱氣體進(jìn)入預(yù)熱盤管生產(chǎn)過熱蒸汽；回收熱量后，氣體成為廢氣被引風(fēng)機(jī)抽出，流動的空氣將爐膛內(nèi)的熱量帶走，使一段爐管溫度控制在880 ℃。另外引風(fēng)機(jī)將爐膛內(nèi)廢氣抽出使?fàn)t膛內(nèi)形成負(fù)壓，便于空氣在爐膛內(nèi)流動，可提高燃燒效率。因此，引風(fēng)機(jī)負(fù)荷是根據(jù)一段爐爐膛溫度及風(fēng)壓自動調(diào)整的。

J502主油泵故障現(xiàn)象描述如下：J502按程序啟動運(yùn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到7 200～7 650 r/min時，系統(tǒng)自動關(guān)停輔助油泵，切換至主油泵(轉(zhuǎn)速為2 290～2 434 r/min)為J502的潤滑和控制系統(tǒng)供油，但隨著汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升到工作轉(zhuǎn)速8 600 r/min，主油泵殼體發(fā)出較平緩的“嘣-嘣”聲。由于一段爐工藝參數(shù)溫度超標(biāo)，引風(fēng)機(jī)提高轉(zhuǎn)速增加負(fù)荷，以確保一段爐的工藝參數(shù)溫度降至符合設(shè)計(jì)要求，J502轉(zhuǎn)速最終上升至10 400 r/min才穩(wěn)定下來。J502主油泵在轉(zhuǎn)速持續(xù)上升過程中，殼體的“嘣-嘣”聲變成密集的“噠噠噠”聲，此時主油泵出口壓力表指針出現(xiàn)大幅晃動，出口管道激烈振動，類似高頻振動。

J501主油泵故障現(xiàn)象描述如下：J501按程序起動運(yùn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至7 200～7 650 r/min時，系統(tǒng)自動關(guān)停輔助油泵，切換至主油泵(轉(zhuǎn)速為2 290～2 434 r/min)為J501的潤滑和控制系統(tǒng)供油。和J502主油泵不同的是，J501主油泵此時就開始發(fā)出較平緩的“嘣-嘣”聲。J501轉(zhuǎn)速上升到8 800 r/min時，提供的空氣已能夠滿足一段爐燃燒使用量，因而穩(wěn)定下來，這和設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速9 000 r/min基本一致，其主油泵殼體有規(guī)律的“嘣-嘣”聲由較平緩變得頻率較高些。其主油泵出口壓力表指針隨著殼體發(fā)出的每一聲“嘣”的聲音而晃動一下，出口管道也振動一下。

3 故障原因分析

甲醇二期J501和J502兩臺設(shè)備及其油泵， 其規(guī)格、 型號及制造廠均相同。兩設(shè)備主油泵運(yùn)行中產(chǎn)生的故障現(xiàn)象都是泵體發(fā)出異常響聲，并伴隨著管道振動。其中J501主油泵在轉(zhuǎn)速到達(dá)7 200 r/min就開始發(fā)出“嘣-嘣”的異常響聲；而J502運(yùn)行到將近工作轉(zhuǎn)速8 600 r/min時才開始產(chǎn)生“嘣-嘣”聲。從發(fā)出響聲的聲源和聲音，以及出口壓力表指針擺動和出口管道振動等現(xiàn)象，技術(shù)人員及檢修人員一致認(rèn)為是螺桿主油泵安全閥起跳發(fā)出的聲音，并因此造成管道振動等故障。而造成泵體安全閥起跳的原因很多，主要有：

1) 螺桿油泵是容積泵，過高的轉(zhuǎn)速造成泵油過量；

2) 泵體上的安全閥起跳設(shè)定值過低，造成安全閥起跳；

3) 油路系統(tǒng)實(shí)際需求過小或截流，或油泵實(shí)際供油過大，造成油泵供油超標(biāo)，致使安全閥起跳；

4) 機(jī)組的油路系統(tǒng)較復(fù)雜，泵進(jìn)入異物、油路管道上某個閥門故障或堵塞等原因造成出口壓力高，致使安全閥起跳。

4 故障處理

鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)這2臺機(jī)組是生產(chǎn)裝置單機(jī)配備的關(guān)鍵設(shè)備，任一臺設(shè)備停車都將造成整個裝置停車，裝置停車1d將造成幾百萬元的重大經(jīng)濟(jì)損失。因此故障的查找和處理原則確定如下：

1) 在查找故障和處理故障過程中，安全第一，人員不能出安全事故，設(shè)備也不能出現(xiàn)停車故障，特別是設(shè)備損壞的重大事故；

2) 現(xiàn)場的設(shè)備及閥門等必須經(jīng)工藝主管同意，并由操作人員進(jìn)行相關(guān)操作，其他人員不得隨意亂動；

3) 涉及到聯(lián)鎖、改變或調(diào)整工藝參數(shù)的操作需經(jīng)相關(guān)部門主管同意后實(shí)施；

4) 充分評估相關(guān)操作的安全性、合理性，確保整個過程不影響生產(chǎn)裝置的安全正常運(yùn)行，以避免停車造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

基于上述處理原則，技術(shù)人員根據(jù)螺桿油泵的結(jié)構(gòu)及油系統(tǒng)的控制特點(diǎn)，制定了處理措施，具體步驟如下：

1) 先逐個檢查油路中相關(guān)閥門的開啟是否合理，檢查各管道是否有堵塞情況；

2) 將主油泵泵體上的安全閥起跳設(shè)計(jì)值調(diào)至最高允許值的1.5倍【1】；

3) 由于油泵首先經(jīng)過了控制油系統(tǒng)自力式調(diào)節(jié)閥的調(diào)壓，因此在設(shè)備運(yùn)行設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，先將控制油系統(tǒng)的用油量調(diào)到最高值；

4) 將控制油系統(tǒng)的用油量調(diào)到最高值無效后，在設(shè)備運(yùn)行設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，將潤滑油系統(tǒng)的用油量調(diào)到最高值。

故障處理方案實(shí)施過程的具體步驟如下：

步驟一，將現(xiàn)場的閥門與倉庫相同規(guī)格的備件進(jìn)行比對，確認(rèn)閥門的開度，個別閥門在現(xiàn)場可進(jìn)行微量調(diào)整。經(jīng)檢查，2臺設(shè)備的汽輪機(jī)均未發(fā)現(xiàn)開啟異常的油路閥門。

步驟二的實(shí)施比較簡單。泵本體上的保護(hù)裝置——安全閥起跳，有可能是因?yàn)槠鹛鴫毫υO(shè)定值過低，只要將起跳壓力設(shè)定值調(diào)高即可。由于設(shè)備是在生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)下，為防止調(diào)校過高導(dǎo)致泵體超壓崩裂造成人員傷亡、設(shè)備損壞的重大事故，先利用倉庫備件在試驗(yàn)臺將安全閥調(diào)校至最高允許值1.5 MPa，然后根據(jù)備件調(diào)整量作為參照，調(diào)?，F(xiàn)場主油泵安全閥。經(jīng)此操作后，效果并不明顯，主油泵安全閥依然頻繁動作，為了安全起見，將泵體安全閥起跳壓力調(diào)整螺栓退回原來狀態(tài)。

步驟三和步驟四同時進(jìn)行。首先將汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制油系統(tǒng)的自力式調(diào)節(jié)閥開度適當(dāng)增大，在設(shè)備安全運(yùn)行允許范圍內(nèi)，使控制油系統(tǒng)的油更多地回流到油箱；同樣在設(shè)備允許范圍內(nèi)，將潤滑油系統(tǒng)的用油量調(diào)到最高值(包括汽輪機(jī)兩側(cè)軸承箱、主油泵齒輪箱以及風(fēng)機(jī)減速箱的潤滑油用量)，達(dá)到降低總管壓力和出口管阻的作用。通過對控制油系統(tǒng)和潤滑油系統(tǒng)油量進(jìn)行調(diào)節(jié)，J501主油泵安全閥頻繁起跳現(xiàn)象明顯減少，之后又經(jīng)過精細(xì)調(diào)整，使得安全閥起跳故障完全消除。但是，J502主油泵經(jīng)過上述調(diào)節(jié)后，安全閥起跳頻繁現(xiàn)象依然發(fā)生，只是頻率有所下降。

J501主油泵經(jīng)處理，故障得以徹底消除，為什么J502主油泵安全閥起跳現(xiàn)象沒有完全消除呢？技術(shù)人員經(jīng)過分析認(rèn)為：由于一段爐爐膛溫度較高，需要J502工作轉(zhuǎn)速由9 000 r/min升至10 400 r/min來提高引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，這樣才能使一段爐爐膛的溫度控制在880 ℃，而J502轉(zhuǎn)速的上升，致使其主油泵轉(zhuǎn)速由設(shè)計(jì)值2 863 r/min上升至3 340 r/min，超過設(shè)計(jì)值478 r/min，轉(zhuǎn)速過高。因?yàn)槁輻U泵是容積泵，其輸送的油量會隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，因此，高轉(zhuǎn)速會造成其輸送油量過多。由表1可知，輔助油泵在工作轉(zhuǎn)速1 460 r/min時的輸送油量為33.21 m3/h，主油泵在正常工作轉(zhuǎn)速2 863 r/min時的輸送油量是40.2 m3/h，而主油泵在3 340 r/min的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，毫無疑問輸送的油量會更多。過多的油量超過了自力式調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)范圍是故障無法消除的主要原因。此外，潤滑油和控制油2個系統(tǒng)用油調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型和參數(shù)設(shè)定，是同時兼顧輔助油泵設(shè)定的綜合值，而輔助油泵的安全閥并沒有出現(xiàn)起跳現(xiàn)象，因此將主油泵轉(zhuǎn)速降到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速減少油量輸出，就有可能消除安全閥起跳故障。

為了確認(rèn)J502主油泵安全閥起跳是否是因轉(zhuǎn)速過高造成的，經(jīng)與工藝溝通，決定在滿足裝置安全運(yùn)行的情況下，將J502轉(zhuǎn)速降到正常值8 800 r/min，觀察主油泵的運(yùn)行情況。經(jīng)申請并獲批準(zhǔn)后，按程序切斷聯(lián)鎖，調(diào)整至手動操作，使J502平穩(wěn)緩慢地降速。主油泵的轉(zhuǎn)速隨著汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而下降。在減速過程中，主油泵安全閥起跳聲逐漸變緩，當(dāng)轉(zhuǎn)速降至9 000 r/min左右時,安全閥起跳聲基本消失。由此可以確認(rèn)，J502主油泵安全閥頻繁起跳的主因是轉(zhuǎn)速過高造成的。

針對主油泵轉(zhuǎn)速過高的問題有以下幾項(xiàng)解決的方案：

1) 更換潤滑油和控制油系統(tǒng)自力式調(diào)節(jié)閥；

2) 更換風(fēng)機(jī)減速箱；

3) 更換主油泵型號；

4) 更換主油泵齒輪箱的齒輪。

針對上述方案進(jìn)行如下可行性分析，以確定最終的實(shí)施方案：

1) 更換潤滑油和控制油系統(tǒng)自力式調(diào)節(jié)閥。目前油路中自力式調(diào)節(jié)閥是適用于輔助油泵和主油泵的工作轉(zhuǎn)速狀態(tài)的，如果更換為調(diào)節(jié)能力較大的自力式調(diào)節(jié)閥，很有可能和輔助油泵不匹配，導(dǎo)致輔助油泵的出口油壓過低、汽輪機(jī)無法開車，在輔助油泵和主油泵切換時，需要人為重新調(diào)整和設(shè)定自力式調(diào)節(jié)閥的值。

2) 更換風(fēng)機(jī)減速箱。通過降低汽輪機(jī)的工作轉(zhuǎn)速至9 000 r/min，可使主油泵在設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，達(dá)到消除安全閥起跳目的。而為了維持風(fēng)機(jī)負(fù)荷不變，需要更換風(fēng)機(jī)減速箱以確保引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變。但這樣改造的費(fèi)用較高。另外，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，造成汽輪機(jī)的功率變小，可能出現(xiàn)小馬拉大車的情況，甚至可能帶動不了風(fēng)機(jī)。

3) 更換主油泵型號。經(jīng)查，按當(dāng)前的轉(zhuǎn)速，目前的主油泵型號是較為合適的，如果選擇更換其他型號泵，不但可能需要重新更改油泵進(jìn)、出口管道，還有可能需要更換油泵齒輪箱，這就比方案4)更麻煩。

4) 更換主油泵齒輪箱的齒輪，改變轉(zhuǎn)速比。此方案只將主油泵的轉(zhuǎn)速降到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，汽輪機(jī)和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變；特別是主油泵在現(xiàn)場經(jīng)過了降轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，無需更換整個齒輪箱和連接套，也無需更換齒輪箱體、軸承等，只需更換齒輪即可。該方案簡便易行，可確保改造效果，因此得到所有技術(shù)人員的一致認(rèn)可。

經(jīng)計(jì)算，將原齒輪箱輸入齒數(shù)由88齒改為91齒，將原輸出齒數(shù)由28齒改為25齒，齒輪箱轉(zhuǎn)速比則由3.143變?yōu)?.640【2】，汽輪機(jī)在轉(zhuǎn)速為10 400 r/min的情況下，油泵轉(zhuǎn)速將由原來的3 340 r/min降為2 857 r/min，在設(shè)計(jì)值2 863 r/min 范圍內(nèi)。

方案確定后，先向設(shè)備制造廠訂制了輸入軸和輸出軸齒輪，齒輪的更換處理則在生產(chǎn)裝置停車檢修時同期進(jìn)行。經(jīng)過改造后，J502主油泵未再發(fā)生安全閥起跳故障。

5 結(jié)語

甲醇二期裝置J501和J502的三螺桿主油泵運(yùn)行過程均出現(xiàn)安全閥頻繁起跳故障，其中J502主油泵故障引起的振動造成出口管線裂紋，經(jīng)采取帶壓堵漏的緊急檢修措施，避免了裝置停車的重大經(jīng)濟(jì)損失。為了避免再發(fā)生設(shè)備故障，根據(jù)設(shè)備故障現(xiàn)象及運(yùn)行狀況采取了不同的處理措施，J501主油泵通過調(diào)整潤滑油和控制油用油量消除了設(shè)備運(yùn)行故障，J502主油泵則通過進(jìn)行齒輪箱的技術(shù)改造消除了設(shè)備運(yùn)行故障。經(jīng)過運(yùn)行驗(yàn)證，2臺主油泵運(yùn)行良好，均未再發(fā)生安全閥起跳故障，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。