汽輪機軸頭螺桿泵油系統(tǒng)油泵切換問題分析及改進措施

盧紅遠 柏征宇 吳誠 強華 馬曉飛

摘 要：在小型汽輪機組的油系統(tǒng)中，有很大一部分采用雙螺桿泵供油。考慮到有可能突然斷電而引起跳機惰走時，機組依然有部分供油能力，往往會將其中一臺螺桿泵采用軸頭機械驅(qū)動而非電驅(qū)。該類供油系統(tǒng)在軸頭泵與電泵切換時，會因為油量疊加而使油系統(tǒng)壓力迅速上升?；诖耍芯苛四?0 MW汽輪發(fā)電機組現(xiàn)場帶軸頭螺桿泵的潤滑油系統(tǒng)在做主輔油泵切換時油安全閥起跳的問題，在對其進行原因分析的基礎(chǔ)上，提出了具體的改進措施，同時提出了雙閥系統(tǒng)中聯(lián)調(diào)的機制。

關(guān)鍵詞：汽輪機;油系統(tǒng);軸頭螺桿泵;安全閥起跳;原因;雙閥聯(lián)調(diào)

中圖分類號：TK267? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）12-0076-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.12.021

0? ? 引言

某40 MW冷凝機組，軸系排布為汽輪機+齒輪箱+發(fā)電機。油系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)保安油與潤滑油共用油站，主輔油泵配置螺桿泵，其中主油泵由齒輪箱低速軸非驅(qū)動端軸伸驅(qū)動，輔助油泵集裝于油站，采用電動機驅(qū)動。由于是容積泵油系統(tǒng)，泵口配置油壓安全閥以防油壓超標(biāo)[1]，損壞油系統(tǒng)設(shè)備。

該機組在現(xiàn)場試車啟動階段，軸系未達全轉(zhuǎn)速情況下，即引起了油系統(tǒng)安全閥的起跳動作，而如果在安全閥未起跳的系統(tǒng)最高壓力點將輔泵切除，則系統(tǒng)油壓瞬間下降至不可持續(xù)運行的低壓力，嚴(yán)重時會因為油壓過低引起跳機，導(dǎo)致主輔螺桿泵切換失敗。故判斷油系統(tǒng)不管出于何種原因，都出現(xiàn)了無法消納容積泵除用油設(shè)備以外多余油量的現(xiàn)象。

1? ? 汽輪機軸頭螺桿泵油系統(tǒng)的工作原理分析

該40 MW機組油系統(tǒng)油壓控制主要由三螺桿油泵、油壓安全閥、自力式調(diào)節(jié)閥等核心部件組成[2-3]，供油壓力控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

該油系統(tǒng)在設(shè)計時，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，容積泵的供油能力要求大于各設(shè)備的用油需求，通常會是潤滑油總量的1.2倍左右。多余的油量會通過圖1中自力式泄油閥回流至油箱，通過人為調(diào)整自力式泄油閥，使其可以控制主輔油泵出口壓力在一個合理的要求范圍內(nèi)。本項目中，油泵同時負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)保安用油和各設(shè)備潤滑油，在主輔油泵各自單獨運行時，要求油泵出口油壓控制在0.85 MPa（G）左右（下文所有油壓值均為表壓值，不再標(biāo)示），而潤滑油壓力需求為0.35 MPa，通過自力式減壓閥實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。

如圖2所示，自力式泄油閥[4-5]是一種有差調(diào)節(jié)閥，通過膜片使油壓與彈簧形成力的平衡，從而達到自動控制閥位的目的。而初始平衡的設(shè)置則通過調(diào)節(jié)螺紋調(diào)整彈簧的初始伸長量實現(xiàn)，一旦調(diào)整完畢，閥門的開度與閥前壓力將是一一對應(yīng)的關(guān)系，閥前壓力越高，閥門的開度越大（泄油量越多）。因此，該油系統(tǒng)在不同工況下，各設(shè)備用油需求發(fā)生變化時，整個系統(tǒng)的油壓也會在一定范圍內(nèi)相應(yīng)浮動。

2? ? 油系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比及原因分析

該機組油系統(tǒng)各設(shè)計數(shù)據(jù)如表1所示。

機組啟機時，由于轉(zhuǎn)子所帶軸頭泵還未達到額定轉(zhuǎn)速，供油能力不足，故需開啟電動輔助油泵承擔(dān)主要的供油。當(dāng)機組達到額定轉(zhuǎn)速后，即可關(guān)停輔助油泵，由主油泵承擔(dān)所有供油。而在整個運行過程中，存在三個工況：（1）輔助油泵單獨供油;（2）主輔油泵同時供油并在機組達到額定轉(zhuǎn)速時，主輔油泵均為全油量輸出;（3）主油泵單獨供油。

機組運行過程中，系統(tǒng)中多余油量的數(shù)據(jù)邊界如下（為方便描述，這里忽略了系統(tǒng)油壓高低對油泵流量的影響，不影響分析結(jié)論）：

輔助油泵單開：163.8-96.7-11.9=55.2 m3/h;

主油泵單開：157.14-96.7-11.9=48.54 m3/h;

主輔雙泵同開[6]：157.14+163.8-96.7-11.9=212.34 m3/h。

綜上，油系統(tǒng)所配置的自力式泄油閥的泄油能力應(yīng)至少涵蓋范圍：48.54～212.34 m3/h。

該機組油系統(tǒng)設(shè)計時配置的自力式泄油閥為FISHER品牌的4寸EDR閥門，配置執(zhí)行機構(gòu)655R系列。整理廠家提供的數(shù)據(jù)后，分析如下：

執(zhí)行機構(gòu)，全行程0.437 5in（0.011 1 m）;整定后閥門全行程所產(chǎn)生的油壓上下浮動范圍是0.558 MPa，即一旦閥門調(diào)整到位，在閥門全開全關(guān)過程中，相應(yīng)的油壓最大可變化0.558 MPa;油壓可調(diào)上下限為0.448～1.67 MPa，即閥門可以按需求在這個壓力范圍內(nèi)做調(diào)整。

4寸閥門的流量特性線可視化后整理如圖3所示，可見該閥門幾乎為線性閥，這有助于后續(xù)按照線性閥考慮。

系統(tǒng)正常運行時，油壓要求0.85 MPa，而油系統(tǒng)安全閥整定值為1.1 MPa，油壓浮動空間實際只有0.25 MPa，占閥門全行程油壓變化范圍0.558 MPa的44.8%。按線性閥考慮，4寸閥門流量調(diào)節(jié)范圍ΔKv=0.448×71.6≈32。根據(jù)壓力和密度的變化，轉(zhuǎn)化為1.1 MPa時的調(diào)節(jié)流量范圍是×ΔKv×=×32×≈113 m3/h。

綜上可得，4寸自力式泄油閥，當(dāng)油系統(tǒng)油壓在0.85～1.1 MPa變化時，無論如何調(diào)整，最多可以調(diào)整的泄油量差值為113 m3/h，而實際該機組需求的范圍達212.34-48.54=163.8 m3/h，用0.25 MPa的油壓范圍顯然無法消納全部多余油量。

分析：懷疑閥門選型時，未關(guān)注油壓變化范圍限制，當(dāng)忽略了該條件后，4寸閥門的泄油量調(diào)節(jié)范圍可達113/0.448≈252 m3/h，但是同時，粗略計算可得，油系統(tǒng)壓力將達到0.85+0.558×[252/（252+48.5）]≈1.32 MPa，確實會觸發(fā)油系統(tǒng)安全閥起跳，與實際情況吻合。

3? ? 針對性改進措施

根據(jù)上文計算，在0.25 MPa的油壓浮動范圍內(nèi)，需求泄油量范圍至少要達到163.8 m3/h。而4寸閥門的泄油量范圍約為113 m3/h，距理想值還差163.8-113=50.8 m3/h。在現(xiàn)場條件允許的情況下，擬在4寸閥門基礎(chǔ)上并列設(shè)置一個2寸閥門（其具體流量特性線如圖3所示）。該2寸閥門在0.25 MPa的油壓浮動范圍內(nèi)可消納的泄油量為×ΔKv×=×43.3×0.448×≈69 m3/h>50.8 m3/h，認(rèn)為可以滿足容量要求。

4? ? 雙閥聯(lián)調(diào)機制分析及現(xiàn)場調(diào)整步驟制訂

改進之后，形成了4寸閥和2寸閥疊加的情形，現(xiàn)場調(diào)試人員在操作時，出現(xiàn)了雙閥狀態(tài)始終無法調(diào)整到位的問題，主要是因為與只設(shè)單閥時情況不同，兩個閥是動態(tài)自適應(yīng)的，調(diào)整其中一個閥，另一個閥的狀態(tài)就會發(fā)生變化，導(dǎo)致無法同時同步調(diào)整兩閥。另外，這類閥閥位并非直觀可見，使調(diào)試人員無法很好地掌握閥位情況，也增加了操作難度。

分析兩閥的疊加特性，將閥門流量與行程關(guān)系特性軸線用如圖4方式表現(xiàn)。

如圖4所示，左右分別是4寸閥門和2寸閥門的流量特性軸線（以豎直方式布置，能更形象地反映閥門的調(diào)整位置），兩個平行四邊形分別是兩個閥門各自的可調(diào)整運行范圍（閥門實際的可調(diào)整范圍比圖中要大，為了更簡潔地表達，突出重點，只截取了其中一段范圍），兩條橫線分別代表油系統(tǒng)運行壓力的上下邊界。從圖中不難看出，正因為有油系統(tǒng)運行壓力的上下邊界限制，閥門的能力無法全部用足，只能用到其中的44.8%（前文已有描述）。

因為該油系統(tǒng)在單雙泵運行時，其多余油量范圍在48.54～212.34 m3/h。圖中，當(dāng)閥位處于4寸閥剖面線的左側(cè)以及2寸閥剖面線的右側(cè)，而油壓為0.85 MPa時，各單閥泄油均超過48.54 m3/h，即便另一個閥全關(guān)，單泵運行時泄油量也已經(jīng)過多，無法將油壓穩(wěn)定在0.85 MPa以上。同理，將閥門的最低泄油壓力調(diào)整至0.85 MPa以上也不合適。故雙閥合理運行區(qū)間在圖中剖面線所示范圍。

另外，由圖可得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)4寸閥運行在其剖面線右邊線時，2寸閥應(yīng)運行在其剖面線右邊線。同理，當(dāng)4寸閥運行在其剖面線左邊線時，2寸閥應(yīng)運行在其剖面線左邊線。而當(dāng)4寸閥運行在其合理運行剖面線區(qū)域時，2寸閥也會相應(yīng)運行在其剖面線的某個位置，該位置實際上可理論計算。

（2）無論兩閥怎么調(diào)整，只要在剖面線區(qū)域內(nèi)，由于兩閥門被上下壓力線截斷的行程相等，故泄油量的變化量不變，都是113+69=182 m3/h>163.8 m3/h。

根據(jù)現(xiàn)場實際條件，制訂以下調(diào)整步驟：調(diào)壓目標(biāo)是主泵單開時油壓至少0.85 MPa，雙泵開時油壓控制在1.1 MPa以下。先將2寸閥屏蔽，單開主泵，慢慢將4寸閥調(diào)整至系統(tǒng)油壓0.9 MPa（調(diào)整過程中需要手動旁路閥配合，保證系統(tǒng)油壓穩(wěn)定），調(diào)完后要保證旁路閥已完全關(guān)閉，這一步驟的目的是先讓4寸閥進入圖4中的剖面線區(qū)域。然后開雙泵，開手動旁路（目的是保證不因系統(tǒng)油量驟增導(dǎo)致油壓過高），待系統(tǒng)油壓穩(wěn)定在略低于安全起跳油壓1.1 MPa時，開始調(diào)整2寸閥，最終調(diào)整到油系統(tǒng)油壓略低于1.1 MPa，調(diào)完后要保證手動旁路閥全關(guān)，這一步的目的是確保高油壓時，兩閥聯(lián)合泄油能力足夠，本質(zhì)上是讓2寸閥進入圖4中其合理運行剖面線區(qū)域。此時關(guān)閉電泵，預(yù)計系統(tǒng)油壓略高于0.85 MPa，聯(lián)調(diào)結(jié)束。如果略低于0.85 MPa，可進一步微調(diào)。

實踐結(jié)果表明，現(xiàn)場調(diào)試人員按此操作后，在主油泵單泵運行時，最終油系統(tǒng)油壓為0.875 MPa，而雙泵運行時，未超1.1 MPa。

至此，在汽輪機組開機階段，可成功進行主輔油泵切換，而不會引起油安全閥起跳。

5? ? 結(jié)語

（1）通過對該類油系統(tǒng)的深入了解，找出了軸頭螺桿泵與電動輔助油泵切換問題的原因，分析得：在選型泄油閥時，要關(guān)注泄油量和差壓的關(guān)系，閥門在差壓區(qū)間窄的情況下，其泄油能力無法用足。

（2）分析總結(jié)了兩閥聯(lián)調(diào)的方法?？梢酝ㄟ^閥門特性先制訂閥門合理運行區(qū)間，然后逐個調(diào)整;而聯(lián)調(diào)的閥門可以在合理區(qū)間范圍內(nèi)任意組合，并不固定。

[參考文獻]

[1] 李福天.單螺桿泵溢流作用的探討[J].流體工程，1989（9）：21-23.

[2] 張瑞琳，趙來國，楊曉明，等.加氫裂化裝置氫氣壓縮機潤滑系統(tǒng)的改造[J].流體機械，2010，38（1）：43-45.

[3] 張瑞琳，王文友，王威，等.新型壓縮機潤滑油站系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用[J].潤滑與密封，2007，32（10）：115-119.

[4] 率冉冉，董永武，范路芳.自力式壓力調(diào)節(jié)閥工作原理及其在石油工程中的應(yīng)用[J].石化技術(shù)，2015，22（10）：64-65.

[5] 蔣唐錦.自力式壓力調(diào)節(jié)閥在核電廠中的應(yīng)用[J].價值工程，2021，40（14）：237-238.

[6] 王朝暉，張永國，陳利安，等.淺析容積泵與離心泵的差異[J].山東化工，2019，48（12）：92.

收稿日期：2022-03-24

作者簡介：盧紅遠（1985—），男，浙江杭州人，工程師，主要從事汽輪機系統(tǒng)及工程方面的工作。