離心機組輔泵不備用問題分析及技改方案

沈彥卿(大唐內蒙古多倫煤化工有限責任公司， 內蒙古 多倫 027300)

離心機組輔泵不備用問題分析及技改方案

沈彥卿(大唐內蒙古多倫煤化工有限責任公司， 內蒙古 多倫 027300)

對化工廠生產中發現的大型機組備泵不備用問題進行深入分析，并通過現場機組試驗進行驗證，提出可行性技術改造方案，分析所提方案中氣囊排油及充油期間氮氣壓力-體積變化曲線，最終套用波義耳定律推導公式，計算所增加蓄能器相關參數。

離心機組油系統聯鎖試驗；技改方案；囊式蓄能器；波義耳定律；預充氮氣體積

1 簡述現場問題及故障原因分析

1.1 現場問題簡述

2015年9月，裝置正常生產運行中，380V電源突發故障導致主油泵停運，輔助油泵因油壓低報聯鎖啟動，但未能阻止循環氣壓縮機停運，導致生產線停車，至此，PP分廠發現壓縮機主輔油泵不能互為備用問題。為確定問題根源，發生了隨后的驗證試驗。

筆者所在公司DH7JM型循環氣壓縮機為單級離心壓縮機組，由G&E油氣公司提供，其功能是為Unipol氣態流化床提供動力源，一樓為油站，主輔兩臺完全一樣的潤滑油泵(一段、二段電分別供電)，出口壓力設定值為0.6MPa，輔助油泵啟動聯鎖PT394(0.25MPa)引壓點在一層油站過濾器后單向閥出口處；機組布置在二樓，油路P&ID見下圖，潤滑點分別為軸承箱、電機、離合器、事故透平，機組油壓跳車聯鎖65A/B/C引壓點在機組二層潤滑點供油末端，接至潤滑點回油總管回油箱。

1.2 事故原因分析

第一，本套機組配備與主泵完全一樣、但分別取電的輔助油泵，在試驗前，要確認主輔油泵單試正常，以此排除油泵能力問題。

第二，本套機組配有容量為300Lt高位油槽，按二層潤滑油流量87Lt/min計算，足夠保證機組近3分半內的潤滑；鑒于國內部分進口機組中有在每個軸承箱上配置一個小油箱的，其主要作用與蓄能器作用相當，是保證主、輔助油泵切換過程中壓力穩定[1]，為驗證本套機組高位油槽是否具備蓄能作用，做計算如下：

由壓強公式P=ρgh，計算切泵期間高位油槽最高液位時補充壓力P：

ρ取32#汽輪機油20℃密度865kg/m3，g=9.8n/kg，安裝位置距機組中心線高度為h=3657.6mm套公式計算得出：P≈31.028kPa，即便忽略管道壓力損失，也遠低于機組跳車壓力，也就是說，按計算結果推測：僅憑高位油槽的勢能不能保證切泵期間油壓穩定。

由于計算方法、相關數據或計算取值可能存在誤差，為驗證以上的兩項機組保護措施是否能夠保證油系統壓力穩定，從而保證主泵故障期間機組繼續運行，筆者組織了隨后的驗證試驗。

(1)試驗步驟。驗證內容：主油泵A、輔助油泵B(電源分別取自一段電與二段電)能否在高位油槽的作用下互為備泵，保證機組在事故切泵期間油系統壓力正常。

方案驗證前準備：

①為了保護機組，在驗證時會通過電氣專業給壓縮機主電機虛擬試運行信號；②主、輔油泵分別單機運行，確認兩泵出口壓力均正常后，啟動主油泵，輔助油泵投用自動位；③通過油系統供油壓力控制閥PCV395位號將油系統壓力調整至G&E隨機資料PID(07.042.0p)設定值140kPa；④檢查回油壓力控制閥PCV382位號閥門動作情況，是否有卡澀現象；⑤對相關壓力變送器進行標定，保證傳輸數據真實有效。

驗證方案：

準備工作確認后，手動啟動主油泵A，輔助油泵B投自動，給電機虛擬運行信號，通過DCS控制畫面對各項檢查確認，因現場溫度較低，油溫18℃，PT-4003-65壓力僅調至129kPa(設定值140kPa)，但已達正常工況，記錄過程(關注65ABC變化曲線)。

1)關閉PT394壓力變送器根部閥，打開vent閥模擬PT394壓力下降到聯鎖值；2)手動停A泵制造油泵電機供電一段電虛擬斷電故障

驗證過程：2016/1/12

主油泵運行，輔助油泵投自動，聯系電氣運行班對KM-4003投試驗位，現場啟動壓縮機，進行第一步試驗1)關閉PT394壓力變送器根部閥，打開vent閥模擬PT394壓力下降到聯鎖值；現場觀察，主油泵未停，因PT-394聯鎖(0.25MPa)輔助油泵立即啟動，雙泵并列運行。第二步試驗2)手動停A泵制造油泵電機供電一段電虛擬斷電故障；現場觀察，主油泵停運約2秒后輔助油泵啟動，壓縮機因PALL-4003-65三取二聯鎖跳車，之后65A/B/C壓力恢復正常。

(2)總結。油系統供油線有單向閥及壓力調節閥可保證潤滑油不回流，但主回油線(供油末端ABC取壓點也通過孔板流回至主回油線)無任何維持油壓的設備，而油品壓縮比極低，一旦失去壓力源，系統內壓力將迅速降低。在油系統失去主油泵的壓力源，到聯鎖啟動備泵恢復供油壓力期間，系統內潤滑油會在重力作用下通過回油線流回油箱，而此時，因為油系統內壓力低于高位油槽壓力，高位油槽會自動補充，但補充壓力低于跳車壓力，只要供油末端65A/B/C其中任意兩點捕捉到低低報信號(83kPa)，機組將啟動聯鎖停機。

結論：機組ESD趨勢圖顯示，在模擬主泵故障停運輔泵聯鎖啟動過程中，油壓信號PT4003-65A/B/C(三取二)有6秒左右的波動期，在此期間油壓谷值已經低于壓縮機LL跳車聯鎖83kPa，試驗證明本機組所配備的高位油槽及備用油泵不能在主油泵異常故障情況下保證機組油系統壓力。

2 技術改造方案

根據現場情況，計劃通過技改增加潤滑油蓄能器一臺，通過潤滑油估算需求量及響應時間要求，選擇了安裝容易、充氣方便的囊時蓄能器；由于本套機組潤滑油泵為螺桿泵，流量連續、無脈沖，出口壓力穩定，所以無需考慮蓄能器吸收沖擊或消除脈沖。為了減少管道阻力，蓄能器安裝位置選在二層靠近機組位置，高位油槽供油線之后。

已知條件：機組二層油系統潤滑油流量為87Lt/ min(1.45L/s)，壓縮機聯鎖跳車值為83kPa，運行設定值為140kPa，通過查詢機組ESD壓力趨勢圖發現油壓波動期為6秒。

計算依據Boyle-Mariotte波義耳定律：

式中：P0為預充氮氣壓力;P1為最小工作壓力，取機組聯鎖值83kPa;P2為最大工作壓力,取PID設定值140kPa;V0為預充壓力P0時預充氮氣的體積;V1為最小壓力P1時預充氮氣的體積; V2為最大壓力P2時預充氮氣的體積，單位L；n為體積系數取值范圍1至1.4；本套機組油系統壓力穩定，所選蓄能器作為緊急動力源，根據相關資料，預充壓力P0應滿足0.9P1=74.7kPa≤P0≤0.25 =35kPa；ΔV為應急期間蓄能器所需釋放潤滑油量等于油系統正常供油量1.45L/s乘以油壓波動期6s約為8.7L。

模擬機組主油泵故障期間蓄能器內氮氣的體積-壓力曲線如圖示： V0→V2為充油階段，V2→V1為放油階段，

設V0→V2充油階段絕熱系數為m，

設V2→V1放液階段絕熱系數為n，

應急排油潤滑油釋放量

由(1)(2)(3)式導出

為了防止蓄能器在充油階段充油需求量大導致油系統壓力波動，將充油時間設計控制在10min以上，可將 V0→V2慢速充油階段預充氮氣體積變化視為等溫(充油時間＞10min)，多變系數 取值1.4；將V2→V1快速放液階段視為絕熱(放油時間≤1min)，絕熱系數 取值1.4。將(分別最大值74.7 kPa以及最小值35kPa)、P0=83kPa、P1=140kPa以及P2=8.7L分別帶入得出：當P0取74.7kPa時V0≈15.11L，而當P0取35kPa時V0≈32.25L；參考[2]預充氮氣壓力為壓縮機跳車壓力的0.9倍=83kPa×0.9=74.7kPa，代入得出V0≈15.11L。

關于技改實施細節：①為了減少管道阻力使潤滑油流暢的補入潤滑系統，筆者計劃選用45°等徑斜三通作為蓄能器放油管道接入油系統；②而為了減少輔泵啟動期間對油系統壓力的影響，選擇1/2"補油管道以降低蓄能器充油速度，原則是將充油時間控制在10min以上；③在保證油壓低報聯鎖啟備泵的同時加入電機供電信號聯鎖，即A斷B供信號聯鎖與油壓低報B泵啟動信號聯鎖并列，減少主泵斷電備泵啟動延時。

3 結語

通過現場試驗證明，本機組原配備的高位油槽、事故油泵以及改后的蓄能器的主要作用都是保護機組，但細節各有不同：高位油槽是保證事故期間機組潤滑油短期供應，防止軸承與軸干摩擦保護機組；輔助油泵作用是在主泵失效時及時補充油壓；蓄能器則是穩定切泵時潤滑油壓力，保證機組正常運行。建議同類型企業在壓縮機附屬設備選配時，將這三種安全保護措施全部設置。

具體的技改方案我們將與設計院做進一步溝通并加以優化，在下一步的實施過程中，我們會嚴格遵守規范結合現場情況實施技術改造，使本套機組能夠安全、穩定、長周期運行。

[1]楊佐衛,殷國富.大型汽輪機組高位油箱容積計算方法[A].機械,1006-0316(2016) 06-0001-05.

[2]蓄能器在壓縮機潤滑油系統中的應用[J].化工機械,0254-6094(2011)06-0766-03.