汽輪機(jī)主油泵異響與出口管道振動(dòng)原因分析

石寬寬

（海洋石油富島有限公司，海南東方 572600）

1 設(shè)備簡介

年產(chǎn)80 萬噸甲醇裝置轉(zhuǎn)化爐鼓風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)J501（以下簡稱汽輪機(jī)）由杭州汽輪機(jī)股份有限公司制造，型號(hào)為NG25/20/0。其主油泵安裝在汽輪機(jī)進(jìn)汽側(cè)軸頭位置，為SN 系列三螺桿泵，型號(hào)為SNGF440R40Q（圖1），使用長城牌ISOVG46 潤滑油。汽輪機(jī)與主油泵通過減速箱連接，減速箱輸入齒輪、輸出齒輪齒數(shù)分別為28 和88 齒。

圖1 主油泵三維剖視圖

汽輪機(jī)油箱位于汽輪機(jī)進(jìn)汽側(cè)南側(cè)下方，主油泵入口比油箱內(nèi)潤滑油液位高2 m。在油箱內(nèi)部，主油泵入口管道安裝有止逆閥和噴射器，從主油泵出口管線引出一公稱直徑為1″（2.54 cm）的回流管進(jìn)入主油泵入口噴射器內(nèi)。作為噴射器的高速流體，該回流管上有一個(gè)調(diào)節(jié)閥，用來控制噴射器高速流體的流量。主油泵出口壓力通過主油泵出口管與油箱之間的自力式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)壓后的潤滑油經(jīng)過油冷器和油濾器后分為兩路，一路作為控制油進(jìn)入汽輪機(jī)控制系統(tǒng)，另一路作為潤滑油進(jìn)入各潤滑點(diǎn)?？刂朴凸苈飞习惭b有一個(gè)緩沖罐。

2 故障現(xiàn)象

2018 年初，該汽輪機(jī)主油泵在運(yùn)行過程中出現(xiàn)異響同時(shí)出口管道強(qiáng)烈振動(dòng)，該現(xiàn)象一直持續(xù)到2019 年4 月裝置停車檢修。在大修停車檢修期間，對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升至8350 r/min時(shí)，主油泵出現(xiàn)明顯異響，出口管道也產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)。在上述過程中，控制油壓力保持在0.85 MPa、未出現(xiàn)明顯波動(dòng)，控制系統(tǒng)運(yùn)行正常，潤滑油壓力0.25 MPa 且未出現(xiàn)明顯波動(dòng)，各潤滑點(diǎn)溫度正常，油系統(tǒng)回油正常。

3 主油泵入口管道介質(zhì)流速

根據(jù)設(shè)備資料和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝情況，查得主油泵入口管道為4″（10.16 cm）不銹鋼無縫鋼管，公稱直徑d 為100 mm，直管長度Li為7 m，入口管道插入油箱中（當(dāng)量長度Le=3 m）。入口管道有4 個(gè)90°大圓角彎頭，其當(dāng)量長度Le=4×2 m，主油泵入口處有一個(gè)直角彎頭，其當(dāng)量長度Le=7 m。管道已使用10 年，管道內(nèi)表面粗糙度取ε=0.3 mm，油箱內(nèi)部壓力為微正壓。

3.1 設(shè)計(jì)工況

查主油泵設(shè)備資料可知，當(dāng)主油泵轉(zhuǎn)速n0為2900 r/min，潤滑油溫度為40 ℃，介質(zhì)為ISOVG46 潤滑油，主油泵的流量Q0為680 L/min 時(shí)（設(shè)計(jì)工況），主油泵入口管道內(nèi)介質(zhì)流速為v0：

3.2 正常工況

汽輪機(jī)的工作轉(zhuǎn)速N1為8700 r/min，則在正常工況下主油泵的工作轉(zhuǎn)速。螺桿泵實(shí)際流量Q=ηnAT[1]。其中，η、n、A 和T 分別為螺桿泵的容積效率、轉(zhuǎn)速、有效截面積和導(dǎo)程。A、T 為螺桿泵設(shè)計(jì)參數(shù)，固定不變，η 在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)基本不變，所以螺桿泵的實(shí)際流量Q 只與轉(zhuǎn)速n相關(guān)。因此，正常工況下主油泵入口管內(nèi)潤滑油流速v0=1.21 m/s。

3.3 極限工況

極限工況是指在主油泵出口回流管調(diào)節(jié)閥全關(guān)的情況下，主油泵入口管內(nèi)潤滑油依靠主油泵自吸能力達(dá)到最大流速時(shí)的工況。在極限工況下，主油泵依靠油箱內(nèi)部與主油泵入口處的壓差，將潤滑油吸入主油泵內(nèi)，油箱內(nèi)部壓力P0為微正壓（P0=0.101×106Pa）。因潤滑油成分復(fù)雜、分子量大，此處假設(shè)潤滑油在真空狀態(tài)下不發(fā)生氣化，因此當(dāng)主油泵入口處達(dá)到真空狀態(tài)時(shí)，油箱內(nèi)部與主油泵入口處壓差達(dá)到最大值ΔPmax=0.10×106Pa，此時(shí)主油泵入口管內(nèi)潤滑油流速也達(dá)到最大值v2。

根據(jù)連續(xù)性方程，在油箱內(nèi)部潤滑油表面到主油泵入口處，可得：

其中，g 表示重力加速度，Σhf表示主油泵入口管內(nèi)潤滑油阻力損失，λ 表示摩擦因數(shù)。

合并式（1）、式（2），則潤滑油流速最大值v2：

λ 與雷諾數(shù)Re2、入口管道的相對(duì)粗糙度相關(guān)，可表示為：

通過摩擦因數(shù)λ 與雷諾準(zhǔn)數(shù)及相對(duì)粗糙度的關(guān)系[1]查得（圖2）：

圖2 摩擦因數(shù)λ 與雷諾數(shù)及相對(duì)粗糙度的關(guān)系

聯(lián)立式（3）、式（4）、式（5），使用試差法對(duì)方程組進(jìn)行求解。首先，設(shè)Re2=Re1→由式（5）求v2→由式（3）求λ→查圖λ=f（Re2，）得Re2′→比較Re2′與Re2，若Re2′與Re2不相等則以Re2′代替Re2重復(fù)上述步驟，直到合適為止。通過試差法，得λ=0.067、Re2=2670、v2=1.09 m/s。

即在極限工況下，主油泵入口管內(nèi)潤滑油流速最大值為1.09 m/s，此時(shí)主油泵轉(zhuǎn)速，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速

4 原因分析

通過上述計(jì)算得知，正常工況下汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為8700 r/min，主油泵轉(zhuǎn)速為2768 r/min，主油泵入口管內(nèi)潤滑油流速為1.21 m/s；但在主油泵出口回流管調(diào)節(jié)閥全關(guān)的狀態(tài)下，忽略潤滑油在負(fù)壓條件下可能發(fā)生的氣化現(xiàn)象，只依靠主油泵自吸能力，入口管內(nèi)潤滑油所能達(dá)到的最大流速也僅為1.09 m/s，低于正常工況下主油泵入口管道內(nèi)潤滑油所需流速；當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速提高，超過極限工況轉(zhuǎn)速7822 r/min 時(shí)，主油泵轉(zhuǎn)速也隨之提高，使主油泵所需流量增大，但此時(shí)僅依靠主油泵自吸能力，主油泵入口管內(nèi)潤滑油流速已經(jīng)無法繼續(xù)增大，因此出現(xiàn)主油泵所需流量大于實(shí)際供給流量的情況，螺桿內(nèi)部無法完全被潤滑油充滿、主油泵內(nèi)部出現(xiàn)空腔，隨著主油泵螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)空腔到達(dá)主油泵出口時(shí)，出口處的潤滑油以極高的速度流向空腔位置、產(chǎn)生沖擊，使出口管道產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)和異響。

結(jié)合上述分析，主油泵2018 年運(yùn)行中出現(xiàn)異響和在2019年調(diào)試中出現(xiàn)異響的原因，均是主油泵入口管道內(nèi)潤滑油流速未達(dá)到所需要求、造成主油泵內(nèi)部出現(xiàn)空腔。具體分析如下：

（1）在2018 年裝置運(yùn)行過程中，因裝置負(fù)荷增加，轉(zhuǎn)化爐鼓風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速由8200 r/min 升高至8700 r/min，主油泵入口管道內(nèi)潤滑油流速無法滿足轉(zhuǎn)速提升后的主油泵的需求，使主油泵出口管道也產(chǎn)生劇烈振動(dòng)和異響。在此期間整個(gè)汽輪機(jī)控制油壓力與潤滑油壓力未發(fā)生波動(dòng)，主要是因?yàn)橹饔捅贸隹诠艿郎系淖粤κ秸{(diào)節(jié)閥和緩沖罐起到了很好的穩(wěn)壓作用。

（2）在2019 年4 月轉(zhuǎn)化爐鼓風(fēng)機(jī)調(diào)試過程中，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升至8350 r/min 時(shí)，主油泵出口管道產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)和異響，此時(shí)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速高于極限工況下汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，說明主油泵出口回流管調(diào)節(jié)閥有一定的開度，使入口管道內(nèi)潤滑油流速有所提高，但依然無法達(dá)到主油泵所需流速。當(dāng)開大出口回流調(diào)節(jié)閥開度時(shí)，主油泵的異響逐漸消失，出口管道振動(dòng)也隨之消除。繼續(xù)提高汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速至正常工況轉(zhuǎn)速8700 r/min 時(shí)，主油泵也未出現(xiàn)異響，這說明開大主油泵回流管調(diào)節(jié)閥，增大入口管道噴射器高速介質(zhì)流量，有效提高了入口管道內(nèi)潤滑油的流速，使其達(dá)到了主油泵所需的流速。

5 結(jié)束語

轉(zhuǎn)化爐鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)是年產(chǎn)80萬噸甲醇裝置的關(guān)鍵動(dòng)設(shè)備，其主油泵在裝置運(yùn)行過程中出現(xiàn)出口管道異響和振動(dòng)，給整個(gè)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大隱患，在油泵出口管道強(qiáng)烈振動(dòng)下極易發(fā)生管道疲勞斷裂，造成整個(gè)裝置停車。因此，必須準(zhǔn)確分析出故障產(chǎn)生的原因，對(duì)故障準(zhǔn)確判斷，掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備重要調(diào)節(jié)點(diǎn)的作用，并以此為依據(jù)制定合理、可行的處理措施，才能從根本上解決問題、避免同類故障的發(fā)生。