大型旋轉設備潤滑系統可靠性設計研究與應用

茍新超 唐世應 朱炎周 周 川

一、前言

大型旋轉設備是鋼鐵、冶金、石化、電力等行業的重點關鍵設備，如，壓縮機、汽輪機、電動機、發電機等，具有高轉速、大功率、高精密等特點。對此類設備潤滑，多設計為集中稀油潤滑系統（以下簡稱潤滑系統）。實踐表明，由潤滑系統故障引起的機組重大事故較多，因此，潤滑系統的可靠性設計一直是制造廠家和使用單位最為關心的問題。分析幾例典型事故實例，對大型旋轉設備潤滑系統的可靠性設計進行研究，提出三種設計思路，給出設計中節流孔板的選型方法，實現在供油管上并聯試驗管路對輔助油泵的在線、定期試驗。

二、大型旋轉設備潤滑系統的功能和原理

大型旋轉設備的潤滑系統通常由油箱（包括高位油箱）、油泵、調節閥組、冷卻過濾、儀控和管道等組成，功能主要是給機組提供壓力、流量、溫度、品質等性能參數正常的潤滑油或動力油。潤滑油主要為滑動軸承建立良好的油膜和帶走軸承摩擦產生的熱量，動力油主要用于液壓控制，如汽輪機調速控制、軸流壓縮機靜葉角度控制、大型閥門開關等。

常見的潤滑系統有兩類。第一類潤滑系統（圖1），主油泵為容積泵或離心泵，安裝在機組齒輪箱低速軸、電機或主機軸端。輔助油泵為容積泵，安裝在潤滑油站。主輔油泵互為聯鎖，供油壓力小于設定值時（如0.08MPa）輔助油泵啟動，大于設定值時（0.2MPa）主油泵投用、輔助油泵停止。機組正常運行時由主油泵供油，啟停過程和故障時由輔助油泵供油。

第二類潤滑系統（圖2），主輔油泵均為容積泵，都安裝在潤滑油站；機組啟動前人為確定一臺泵為主油泵，另一臺為輔助油泵，主輔油泵互為聯鎖，聯鎖條件與第一類相同。正常運行時由主油泵供油，故障時由輔助油泵供油。

三、問題的提出

1.一起高爐鼓風機倒轉造成的燒瓦事故

一動力廠風機房有高爐鼓風機6臺，4用2備，機組潤滑系統原理屬前述第一類。主油泵為齒輪泵，安裝在機組齒輪箱低速軸端。2003年夏，2號風機（電拖）因低壓電中斷同步電機失勵保護動作（跳機），為維持高爐生產開6號風機混風閥向2號風機對應高爐混風，此時，2號風機逆止閥閥板脫落，從6號風機（汽拖）混過的70kPa（G）左右壓縮空氣倒流入2號風機出風管，使2號風機倒轉，而此時2號風機潤滑油站油泵也因低壓電中斷停止工作，10min后操作工發現2號風機各軸瓦冒煙，隨即手動關閉2號風機出風閥，15min后機組停止倒轉。這起事故造成2號風機8副軸瓦報廢，因處理及時，未影響生產。

2.兩起燒結主抽風機主輔油泵聯鎖故障造成的燒瓦事故

一燒結廠3個主抽風機房，每個機房有主抽風機兩臺，無備機，機組潤滑系統原理屬前述第一類。主油泵為齒輪泵，安裝在風機主軸軸端。

2003年冬，1號主抽風機房一臺主抽風機主油泵故障，供油壓力下降，輔助油泵未自動投用，后因發現及時，手動啟動輔助油泵未造成停機事故，查為控制系統無輔助油泵壓力聯鎖。2004年夏，2號主抽風機房又有一臺主抽風機主油泵故障，供油壓力下降，輔助油泵未自動投用，后導致軸瓦冒煙，共報廢4副軸瓦，查為控制系統無輔助油泵壓力聯鎖。

3.一起油泵進口閥門誤操作全關引起的閥門爆裂事故

2001年冬，一高爐鼓風機潤滑油站的電動油泵，關閉了油泵進出閥門，試車時誤操作、油泵出口閥門未打開，啟動電動油泵2min后，油泵出口逆止閥閥體爆裂，閥門碎片飛出5m遠，潤滑油呈柱狀噴射，影響機組試車數小時。

此外，油泵出口閥門誤操作長時間（＞1min）全關，潤滑油在泵腔內產生漩渦，壓力增大、溫度升高，潤滑油易飽和，易產生汽蝕現象，損壞油泵；而油泵進口閥門誤操作長時間全關，使進口處壓力降低，易達到飽和壓強，也會誘發汽蝕現象，損壞油泵。

四、三種潤滑系統的可靠性設計原理

上述三類故障重復出現的機率較大，任一故障都會對機組連續優質運行造成極大威脅，只有在優化原有設計，采用預防性設計、提高機組潤滑系統的運行可靠性，才能徹底解決問題。為此，提出三種設計思路。

1.防倒轉設計

為了防止機組倒轉帶來的潤滑系統故障，對機組潤滑系統做如圖3的改造。在主油泵與油箱的連接管道中對稱的布置兩個方向并聯相同、串聯相反的逆止閥，逆止閥的作用是主油泵正反轉均能順利吸油；在主油泵與過濾、冷卻、調節系統之間對稱的布置兩個方向相同的對夾式逆止閥，對夾式逆止閥的作用是正向導通，反向逆止節流，逆止閥的全開條件是正向壓力大于反向壓力，節流的目的是在主油泵工作之前由輔助油泵對主油泵進出油管灌油，排出油泵腔室及管道中的空氣，不至使油泵產生氣縛，造成吸不上油的現象，特別是主油泵為自吸能力差的離心泵時更容易發生氣縛現象。工作原理是：在主油泵工作之前，由輔助油泵向系統供油，壓力油經過對夾式逆止閥節流孔為主油泵灌油，使主油泵滿足啟動條件，當主油泵達到倒泵條件后，系統由主油泵供油，主油泵吸油管（或倒轉時的排油管）壓力低于系統壓力，所以只有一對逆止閥和對夾式逆止閥導通；當機組倒轉時，改由另外一對逆止閥和對夾式逆止閥導通，這樣就不會使系統缺油發生燒瓦事故。

2.在線主輔油泵壓力聯鎖試驗設計

試驗管路與壓力變送器的排污管類似，在供油總管上并聯一路試驗管，試驗管路原理圖如圖4所示。試驗管由節流孔板、壓力變送器（壓力開關）、壓力顯示表和卸壓閥等組成。為了卸壓時不對供油總管的壓力和流量造成大的影響，在試驗管與供油總管連接處增加節流孔板，以達到限流的作用。工作原理是：先打開試驗管上的針型閥，試驗管中的壓力下降，但由于節流孔板的限流作用供油總管中的壓力和流量并不下降，壓力開關“開”，輔助油泵連鎖啟動，由于輔助油泵啟動條件被優先，輔助油泵不會因為總管中壓力正常而停止、造成主油泵反復啟停的現象，供油總管中的壓力由自力式調節閥自動調整，不影響機組的正常供油；關閉卸壓閥后，試驗管中的壓力恢復，壓力開關“關”，輔助油泵連鎖接觸，輔助油泵停止，供油總管中的壓力由自力式調節閥自動調整后恢復，試驗結束。輔助油泵的控制邏輯圖如圖5所示。

3.防油泵進出口閥門誤操作設計

為了避免檢修后的誤操作使油泵在未打開進出閥的情況下啟動運行，造成油泵高溫、汽蝕、閥門損壞等事故，在油泵進出口增添限位開關并參加油泵控制，只有進出閥全開，油泵才具備啟動條件。

通過上述三種改造后的潤滑系統原理圖如圖6所示，系統中對稱布置了兩對逆止閥和對夾式逆止閥、在供油總管上增添了試驗管路、在輔助油泵進出閥上增添了限位開關，并修改了輔助油泵的控制程序，圖6中用虛線框出。

4.現場應用與試驗效果

對夾式逆止閥和實驗管路均涉及節流孔板計算，節流孔板孔徑d算法如式1。

式中 Q—通過孔板的流量，L/min

C—流量系數，C=0.6～0.62，一般取 0.62

△P—孔板的壓降，kgf/cm2

以試驗管節流孔板選型為例。根據潤滑油站技術指標和相關要求，Q=4L/min，即通過孔板的流量限流為總管流量的1%，不對總管供油流量造成明顯影響。當卸壓閥全開時，試驗管壓力開關處從總管0.3MPa 降 至 0.05MPa，考慮到試驗管管路沿程損失、局部損失、閥門損失產生的壓降，孔板△P=0.1～0.2MPa。為加工方便，孔板孔徑按理論數據圓整。孔板計算見表1，最終孔板孔徑選3mm。

表1 孔板計算表

對夾式逆止閥節流孔徑計算相同，流量取10L/min、壓差0.01～0.02MPa，最終孔徑選 8mm。

上述三種改造在實際中被部分應用，這里給出了第二種設計思路的現場應用數據。在壓力總管上添加試驗管路、節流閥、壓力開關和針型閥，按圖6給出的邏輯圖修改輔助油泵的控制程序，通過試驗管路做輔助油泵壓力聯鎖自啟動試驗。

表2 試驗過程中控制系統報警列表與現場情況表

試驗過程中輔助油泵共啟停3次，其中3次啟動集中在試驗管卸壓閥漸開過程中，潤滑油站遠端壓力波動為輔助油泵啟停和自力式調節閥共同作用所致，壓力P=0.26±0.05MPa，波動在允許范圍內（遠端壓力＜0.11MPa啟動輔助油泵，遠端壓力＜0.06MPa主機組聯鎖停機）。試驗過程中控制系統報警記錄如表2所示，遠端供油壓力歷史趨勢如圖7所示。

W10.01-32