閉冷水泵切換時潤滑油壓下降原因分析及對策研究

李豐均，居國騰，梅益銘

(1.浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司，浙江 紹興 312000;2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

閉式冷卻水系統(tǒng)是電廠重要的冷卻水源，一般設(shè)置兩臺或多臺閉冷水泵，一備一用，并定期進(jìn)行切換，以驗(yàn)證設(shè)備的可靠性，增加設(shè)備使用壽命[1]。

在現(xiàn)場運(yùn)行過程中有機(jī)組閉式冷卻水系統(tǒng)曾發(fā)生大量空氣竄入現(xiàn)象, 導(dǎo)致該系統(tǒng)的閉式冷卻水泵工作失常, 經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)冷卻水銅管破裂的故障點(diǎn)進(jìn)而解決了空氣竄入的問題[2-3]。現(xiàn)有存在最常見的問題是水壓波動等問題，其主要原因有閉式水系統(tǒng)內(nèi)空氣聚集造成閉式水壓力輕微波動[4], 閉式水系統(tǒng)各溫調(diào)閥開度波動,增加了閉式水壓力波動幅度以及落差管水位隨系統(tǒng)壓力波動大幅變化,造成閉式水落差管溢流管口存在間歇吸氣現(xiàn)象,閉式水回水至閉式泵進(jìn)口段內(nèi)積氣嚴(yán)重,加劇了閉式水壓力波動幅度[5-6]。有研究者針對某沿?；痣姀S的實(shí)際需求, 為提高運(yùn)行的安全性經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)了三種火電廠冷卻水系統(tǒng)方案[7]；而針對系統(tǒng)容量不匹配，從閉式水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行來看, 需要的冷卻水量比設(shè)計(jì)冷卻水量要小。夏季運(yùn)行工況, 主輔設(shè)備的油溫、水溫最高僅在50～65℃, 且冷卻水回水調(diào)整門只開至60%左右，為此進(jìn)行了特異性改造，也達(dá)到了節(jié)能降耗的目標(biāo)[8]。

基于上述相關(guān)研究， 現(xiàn)針對上述問題研究閉冷水泵啟動瞬間進(jìn)入閉式水系統(tǒng)的空氣容積，并以此推導(dǎo)水泵出口母管壓力波動數(shù)值，驗(yàn)證能量流動方向，明確導(dǎo)致母管壓力降低的原因，制定對策并進(jìn)行效果驗(yàn)證。相對于現(xiàn)有的研究，本文以現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對泵運(yùn)行本身狀態(tài)、潤滑油系統(tǒng)逐步分析，進(jìn)而找到故障誘因，對現(xiàn)有機(jī)組的冷卻水系統(tǒng)的故障排查具有很好的指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)介紹及故障現(xiàn)象

1.1 現(xiàn)場閉式冷卻水系統(tǒng)介紹

該廠閉式水系統(tǒng)由兩臺流量為970 t/h，揚(yáng)程為60 m的SM250-470型離心泵提供循環(huán)動力，一備一用，為發(fā)電機(jī)空冷器、EH油系統(tǒng)、給水泵汽輪機(jī)、潤滑油系統(tǒng)、爐側(cè)系統(tǒng)等提供冷卻水。水泵出口設(shè)置有垂直布置的逆止閥以及橫向安裝的出口電動閥，在出口母管上布置有放氣閥，現(xiàn)場布置如圖1所示。

圖1 閉冷水泵現(xiàn)場布置圖

圖1為現(xiàn)場閉式水泵，圖中問題在出口處沒有設(shè)計(jì)排氣口。

1.2 潤滑油系統(tǒng)配置

該廠7號機(jī)組汽輪機(jī)由上海汽輪機(jī)股份有限公司制造，潤滑油系統(tǒng)由一臺交流離心油泵供給，同時配置交流備用油泵和直流事故油泵各一臺，潤滑油從潤滑油箱中經(jīng)主油泵、冷卻器、過濾器送至各處軸承。潤滑油系統(tǒng)冷卻采用板式冷油器，一備一用，以閉式冷卻水為冷卻介質(zhì)，保證潤滑油溫度在48～52℃。板式冷油器參數(shù)如表1[9]。

表1 板式冷油器設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 故障現(xiàn)象

該電廠7號機(jī)組，額定負(fù)荷57 MW，潤滑油系統(tǒng)采用交流潤滑油泵供油，配置備用泵，備用直流油泵各一臺，正常運(yùn)行時，潤滑油系統(tǒng)主泵運(yùn)行，備用泵聯(lián)鎖投入，潤滑油母管壓力為0.43 MPa，油泵出口壓力為0.53 MPa。當(dāng)潤滑油母管壓力小于0.25 MPa或者潤滑油泵出口壓力小于0.50 MPa時，備用泵聯(lián)鎖啟動，直流事故油泵聯(lián)鎖邏輯相同。

2022年3月18日，運(yùn)行人員例行閉冷水泵切換工作時，在進(jìn)行備用泵放氣操作后，備用泵啟動瞬間閉式水母管壓力由0.60 MPa突降至0.54 MPa。壓力通過板式換熱器傳導(dǎo)至潤滑油系統(tǒng)，主機(jī)潤滑油泵出口壓力由0.530 MPa同步下降至0.518 MPa，潤滑泵出口壓力開關(guān)保護(hù)動作，#7B主機(jī)交流潤滑油泵、#7主機(jī)直流事故油泵自啟。

2 原因分析

2.1 閉冷水壓力下降原因

2.1.1 現(xiàn)象分析

正常情況下備用泵啟動，有一個超過額定電流的啟動電流，并將閉式水母管壓力抬高，穩(wěn)定后備用泵電機(jī)電流小于正常運(yùn)行電流，運(yùn)行泵電機(jī)電流降低。而本次備用泵啟動時，備用泵電流反饋晚于啟泵信號和出口閥開信號出現(xiàn)，進(jìn)一步查詢數(shù)據(jù)可知，啟泵指令發(fā)出后電機(jī)合閘信號馬上出現(xiàn)，但是電流信號晚于合閘信號出現(xiàn)，且電流上升至14 A后不再上升，持續(xù)4 s后繼續(xù)抬升至22 A，運(yùn)行泵電流保持穩(wěn)定，在此過程中閉式水母管壓力不升反降。其過程如圖2所示。從圖中可以看出備用泵啟動采用聯(lián)啟出口閥的方式，備用泵啟動信號發(fā)出后聯(lián)啟出口閥，出口閥開指令發(fā)出后，閉式水母管壓力開始下降，2 s后主機(jī)潤滑泵出口壓力受影響，備用泵自啟，3 s后備用閉式泵電流開始上升至14.5 A閉式水母管壓力開始回升，在備用閉冷水泵啟動指令發(fā)出后3 s內(nèi)備用閉式冷卻水泵并未出力。

圖2 3月18日閉式水母管壓力波動趨勢圖

#7B閉冷水泵曾在2022年2月9日進(jìn)行出口逆止閥解體檢修工作，工作于當(dāng)天結(jié)束，并對水泵進(jìn)口濾網(wǎng)，以及泵殼頂部放氣閥進(jìn)行了放氣操作，隨后緩慢打開出口電動閥，#7B閉式泵投入備用狀態(tài)，閉式水母管壓力并未波動。

2.1.2 原因分析

第一，可排除壓力測點(diǎn)故障，因?yàn)槔鋮s水母管上數(shù)個壓力測點(diǎn)同時波動，且波動通過板式冷油器傳導(dǎo)到了潤滑油系統(tǒng)，可以確定為真實(shí)壓力波動。

第二，圖2分析可知，閉式水母管壓力波動與出口閥開啟時間吻合，此時備用閉冷水泵尚未啟動，電機(jī)電流為0A，可排除備用泵進(jìn)口空氣通過備用泵進(jìn)入母管，導(dǎo)致壓力波動的因素。

第三，#7機(jī)組閉式泵出口逆止閥為垂直布置，此處管道內(nèi)徑為400 mm，逆止閥中心離水泵出口法蘭上端距離約為1 000 mm，此段管道無放氣閥，根據(jù)圓管體積計(jì)算公式

V=πr2l

(1)

式中V——體積/m3；

r——半徑/m；

l——長度/m。

由式(1)計(jì)算可知此處可聚集空氣125.6 L(進(jìn)口壓力下)，出口逆止閥檢修后，打開出口電動閥時，逆止閥被壓死在閥座上，水泵頂部出口放氣閥無法排盡空氣。備用泵切換時，出口電動閥為聯(lián)啟，因此先將出口電動閥關(guān)閉，此時逆止閥和出口電動閥之間的閉式水壓力無法維持，逐漸失壓，逆止閥前聚集的空氣緩慢進(jìn)入電動閥和逆止閥之間的空間，且壓力為閉式水進(jìn)口壓力，即0.18 MPa(G)。在備用泵出口電動閥打開過程中，此段管道內(nèi)的空氣受到出口閉式水高壓力的作用，逐漸被壓縮，閉式水系統(tǒng)擴(kuò)容，導(dǎo)致了母管壓力的波動。

2.1.3 水泵壓頭損失能量計(jì)算

在備用泵切換前后，閉式水箱液位下降23 mm，從側(cè)面印證了空氣的存在，閉式水箱截面尺寸為?1 800×8 mm，即內(nèi)徑為1 784 mm，減少的閉式水體積為57.5 L。在啟泵的短時間內(nèi)可以認(rèn)為閉式水箱減少的體積為空氣并入母管被壓縮的體積，即閉式水母管擴(kuò)容體積為57.5 L。

當(dāng)運(yùn)行人員發(fā)出啟動#7B閉冷水泵指令時，出口電動閥開指令發(fā)出，出口電動閥打開，壓力僅為0.18 MPa(G)的125.6 L空氣并入母管，受母管壓力0.6 MPa(G)的水壓影響，體積減少，空氣在不同壓力溫度下的密度計(jì)算公式如下

ρ=1.293(P1/P)(273.15/T)

(2)

式中ρ——空氣密度/kg·m-3;

P1——實(shí)際絕對壓力/MPa;

P——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓/MPa;

T——實(shí)際絕對溫度/℃。

取標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為0.101 3 MPa，閉式冷卻水溫度38.15 ℃，計(jì)算可得0.54 MPa(G)和0.18 MPa(G)即0.64 MPa(A)和0.28 MPa(A)壓力下的密度分別為7.17 kg/m3和3.14kg/m3，氣體被壓縮后體積將縮小至54.95 L，即閉式水?dāng)U容體積為70.65 L，數(shù)據(jù)與閉式水箱減少閉式水的體積基本一致，判斷進(jìn)入閉式水箱的空氣體積為125.6 L(進(jìn)口壓力下)。

假設(shè)空氣被壓縮過程等同于活塞運(yùn)行，閉式水克服壓縮空氣阻力做功，壓縮空氣始終在管道內(nèi)保持圓柱形體積，其做功過程如圖3所示。

在dx微小距離內(nèi)，認(rèn)為空氣柱壓強(qiáng)恒定為Px，空氣柱長度為x，空氣柱端部面積為S(即管道截面積)，得出在該微小距離內(nèi)閉式水克服壓縮空氣阻力做功值d(Q)可由下式計(jì)算

dQ=PxSdx

(3)

固定質(zhì)量的空氣其壓強(qiáng)與體積成反比，由式PV=nRT(P是氣體壓強(qiáng)，V指氣體體積，n是分子個數(shù)，R為常數(shù)，T指絕對溫度)確定，在溫度恒定的情況下有

PxVx=P0V0

(4)

PxxS=P0V0

(5)

Px=P0V0/xS

(6)

dQ=(P0V0/xS)Sdx=(P0V0/x)dx

(7)

由空氣被壓縮前后x的取值分別為1.00和0.44，在此區(qū)間內(nèi)對Q進(jìn)行定積分，可得

(8)

圖3 空氣柱被壓縮計(jì)算模型

其中P0=0.28 MPa，V0=0.125 6 m3由上式計(jì)算可得閉式水克服空氣阻力所做的功ΔQ1約為-29.07 kJ，負(fù)號代表能量傳遞方向?yàn)殚]式水向空氣傳遞。由DCS數(shù)據(jù)閉式水母管壓力下降過程大概持續(xù)3 s時間，在此過程中運(yùn)行電機(jī)電流無波動，水泵出力保持恒定，水泵的主要作用是將進(jìn)口壓力為0.28 MPa(A)的閉式水壓力抬升至0.70 MPa(A)。閉式水壓力下降過程中，水泵出力分為三部分，第一部分扔抬升原有流量的閉式水到出口壓力，但壓力由0.70 MPa減少0.63 MPa，多余的能量用于壓縮管道內(nèi)空氣，轉(zhuǎn)換為空氣內(nèi)能，即為第二部分。第三部分能量用于填充空氣被壓縮導(dǎo)致的管道內(nèi)多余容積的閉式水流量增加的焓值。由現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)公式計(jì)算，結(jié)果如表2及表3所示。

表2 壓力波動前后閉式水系統(tǒng)能量差值計(jì)算表

根據(jù)以上結(jié)算結(jié)果有：|ΔQ2|≈|ΔQ1|+|ΔQ3|即水泵壓頭損失的能量轉(zhuǎn)化為了對空氣所做的功以及閉式水系統(tǒng)擴(kuò)容部分所增加的內(nèi)能，現(xiàn)象表征為閉式水系統(tǒng)壓力下降。

表3 壓力波動前后擴(kuò)容部分吸收的焓值計(jì)算表

最后，備用泵啟動電流晚于水泵啟動指令以及出口電動閥開指令信號3 s出現(xiàn)，反映了備用泵在此期間并沒有出力，也是導(dǎo)致母管壓力波動的主要原因。后續(xù)數(shù)次啟動過程未發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)，初步懷疑為主接觸點(diǎn)存在卡澀點(diǎn)，在輔助接頭已經(jīng)合上的情況下，主接觸點(diǎn)尚未合閘，3 s后完成主接觸點(diǎn)合閘，水泵開始出力。這也直接導(dǎo)致了備用泵閉式水管道內(nèi)的空氣以進(jìn)口管道的壓力并入系統(tǒng)管道，最終導(dǎo)致了系統(tǒng)壓力突降。

2.2 潤滑油壓力下降原因

2.2.1 波動原因分析

閉式冷卻水泵定期切換過程中，潤滑油油溫變化范圍43.10～43.08℃，未發(fā)生劇烈波動，可以排除油溫引起油壓突降的可能性。因閉式泵定期切換過程閉式水壓力突降(0.60 MPa降至0.54 MPa)，板式換熱器兩側(cè)介質(zhì)差壓平衡被打破，換熱器板片油側(cè)向水側(cè)變形，油側(cè)容積瞬間增大，造成系統(tǒng)充滿度下降，表征為油壓突降(0.530 MPa降至0.518 MPa)。閉式泵定期切換期間，閉式水壓、潤滑油壓變化趨勢如圖4所示。

圖4 閉式水壓、潤滑油壓變化趨勢

后經(jīng)試驗(yàn)，確認(rèn)閉式水系統(tǒng)無積聚空氣時，在切泵過程中當(dāng)雙泵運(yùn)行后母管壓力抬高，停其中一臺泵，閉式水母管壓力也會突然降低，亦可能導(dǎo)致潤滑油泵自啟。

2.2.2 板式冷油器強(qiáng)度分析

板式冷油器板片由薄鋼板沖擊形成，中間帶人字形溝槽，在板片、相鄰板片溝槽交叉的地方起支撐作用。為了提高換熱系數(shù)，板片厚度較薄，通常為0.5 mm。隨著機(jī)組容量的提高，潤滑油量也越大，板式冷油器尺寸和板片數(shù)量也增大，板片與板片間的貼合更加困難,容易發(fā)生板片局部沒有貼合，沒有形成有效支撐的情況，在運(yùn)行時壓力大的流體會擠壓板片,使板片變形。板式冷油器高換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)決定了其存在先天抗壓力變化能力不強(qiáng)的問題[10-12]。國家能源局板式換熱器標(biāo)準(zhǔn)中對冷油器關(guān)于壓力波動有描述如下：

(1)板式冷油器對冷、熱沖擊十分敏感，因此對任何流速的調(diào)整都應(yīng)緩慢進(jìn)行，以免對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。

(2)閥門關(guān)閉后，泵停止運(yùn)行。板式熱交換器對壓力沖擊很敏感，尤其關(guān)閉流體時，要絕對平緩的進(jìn)行，防止產(chǎn)生壓力沖擊，也就是發(fā)生所說的“水錘”現(xiàn)象。

3 應(yīng)對措施

3.1 閉冷水泵系統(tǒng)改進(jìn)

3.1.1 問題分析

閉式冷卻水泵進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)時，沒有充分考慮逆止閥垂直布置，逆止閥前垂直管段空氣無法排盡的問題，尤其是設(shè)備檢修后初次啟動時會造成母管壓力波動。

3.1.2 對策研究

根據(jù)該廠現(xiàn)場實(shí)際情況，受廠房布局限制，將閉式泵出口閥及逆止閥移位困難，且成本較高。修改油泵自啟定值和增加蓄能器提高潤滑油系統(tǒng)抗干擾能力，是改善備用交、直流油泵異常自啟現(xiàn)象的主要措施。同時降低閉式水系統(tǒng)對潤滑油系統(tǒng)板式換熱器的壓力沖擊的可能，也是一個重要補(bǔ)充措施。

措施1：可以在出口逆止閥的閥座下部合適位置加裝排氣閥。

措施2：考慮到排氣口定位選擇存在一定難度，可以將止回閥換成緩閉型蝶式止回閥，減少止回閥座與水泵排氣口的高差所形成的積氣容積。

措施3：通過對現(xiàn)有閉式泵采取軟啟動、切削葉輪等改進(jìn)措施，使該機(jī)組閉式水系統(tǒng)與二期4臺機(jī)組的閉式水系統(tǒng)連通，形成分段大母管制運(yùn)行方式，降低啟、停閉冷水泵對系統(tǒng)壓力的影響程度。

措施2以及措施3都要求對系統(tǒng)進(jìn)行較大的改動以及實(shí)驗(yàn)，并實(shí)時進(jìn)行優(yōu)化，操作周期長，見效慢。優(yōu)先采用措施1解決閉冷水泵因進(jìn)、出口管道上的設(shè)備，如逆止閥、進(jìn)口濾網(wǎng)、泵本體檢修而導(dǎo)致的空氣無法排盡問題。

3.2 潤滑油系統(tǒng)改進(jìn)

3.2.1 問題分析

2021年05月07日，該廠#7主機(jī)調(diào)試期間交流油泵出口壓力由0.52 MPa突降至0.50 MPa，備用交流油泵、直流事故油泵自啟。2021年06月05日，該廠#7主機(jī)交流油泵出口壓力由0.52 MPa突降至0.50 MPa，備用交流油泵和直流事故油泵自啟。原因?yàn)檫\(yùn)行進(jìn)行閉式水換熱器排污，造成閉式水壓力下降0.05 MPa，備用油泵自啟。

針對以上現(xiàn)象，電廠工作人員多次開展試驗(yàn)，證明在閉冷水泵切換時，雙泵運(yùn)行將閉式水母管壓力抬至0.81 MPa，當(dāng)停運(yùn)其中一臺閉冷水泵，潤滑油系統(tǒng)壓力失穩(wěn)也能導(dǎo)致備用泵自啟。該廠備用交流油泵、直流事故油泵自啟值與正常運(yùn)行值較為接近。交流潤滑油泵正常運(yùn)行出口壓力0.53 MPa，自啟定值為0.50 MPa，板冷水泵切換時，潤滑油壓力波動，壓力開關(guān)動作，備用泵自啟。潤滑油系統(tǒng)未設(shè)置蓄能器等穩(wěn)壓裝置，抗干擾能力差，上海汽輪機(jī)廠認(rèn)為機(jī)組配套潤滑油系統(tǒng)為成熟可靠的產(chǎn)品，但是沒有充分考慮系統(tǒng)擾動可能導(dǎo)致的壓力波動。

3.2.2 對策研究

潤滑油工作油壓與保護(hù)定值壓力差值僅0.03 MPa,在系統(tǒng)安全冗余許可下，當(dāng)波動在0.03 MPa以上時，應(yīng)考慮重新設(shè)定備用泵自啟定值，以規(guī)避潤滑油母管壓力波動導(dǎo)致的備用泵頻繁自啟現(xiàn)象，建議將備用泵自啟定值修改為0.47 MPa。邏輯修改完成后，進(jìn)行多次閉式冷卻水泵切換試驗(yàn)，均未導(dǎo)致潤滑油系統(tǒng)備用泵自啟。

潤滑油系統(tǒng)壓力波動導(dǎo)致備用泵頻繁自啟，與該機(jī)組潤滑油系統(tǒng)抗干擾能力差，油壓易失穩(wěn)關(guān)聯(lián)性較大，為提高潤滑油系統(tǒng)的抗干擾能力，建議在潤滑油系統(tǒng)合適部位設(shè)置相應(yīng)容量的蓄能器等穩(wěn)壓裝置。

3.3 實(shí)施效果

#7機(jī)組停機(jī)期間，在閉冷水泵出口逆止閥閥體上端靠近電動閥的位置加裝放氣閥(圖5)，并修改潤滑油系統(tǒng)備用泵自啟條件為0.47 MPa。后經(jīng)多次試驗(yàn)，閉冷水泵切換過程無壓力突降現(xiàn)象，閉冷水泵雙泵運(yùn)行停運(yùn)其中一臺水泵的過程中，也未導(dǎo)致潤滑油備用泵自啟，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

圖5 放氣閥加裝位置

表4 對策實(shí)施后效果驗(yàn)證

上圖是經(jīng)改造后的閉式水泵出口的現(xiàn)場圖，其中顯示了加裝的閥門。

4 結(jié)論

針對上述分析研究得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)水泵出口采用垂直安裝的逆止閥時，需要充分考慮檢修后排空氣的需求，防止因檢修遺留空氣進(jìn)入系統(tǒng)導(dǎo)致系統(tǒng)壓力波動的情況發(fā)生，將導(dǎo)致水泵壓頭降低，能量損失，轉(zhuǎn)換為空氣的內(nèi)能和增加水容積的焓值。為增加排氣可以采取加裝放氣閥、更換緩閉式逆止閥等措施防止類似事件發(fā)生；

(2)針對工質(zhì)壓力穩(wěn)定性要求較高的汽輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)，當(dāng)采用板式換熱器時，必須充分考慮備用泵啟動的壓力定值與系統(tǒng)實(shí)際工作壓力之間具備足夠的冗余。為提高潤滑油系統(tǒng)壓力穩(wěn)定性，宜設(shè)置合適的蓄能器等穩(wěn)壓裝置；

(3)針對設(shè)置對壓力沖擊較敏感的板式換熱器較多且壓力穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用場景，設(shè)計(jì)時宜充分考慮防止“水錘”、“空氣積聚”的措施，運(yùn)行操作要平緩，尤其是關(guān)閉流體時。

此次研究以閉冷水泵啟動瞬間出現(xiàn)的問題，以現(xiàn)場數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，推導(dǎo)水泵出口母管壓力波動數(shù)值，驗(yàn)證能量流動方向，找出了導(dǎo)致母管壓力降低的原因，同時制定出應(yīng)對措施并付諸實(shí)施。相關(guān)研究內(nèi)容詳實(shí)，結(jié)論明確、可靠，對現(xiàn)有機(jī)組的冷卻水系統(tǒng)的故障排查具有很好的指導(dǎo)意義。