電動主給水泵液力耦合器油溫高問題原因分析及處理

馬慶飛 段智彪 解程宇

摘 要：某核電廠電動給水泵調試期間出現了液力耦合器工作油和潤滑油溫度高問題，影響了設備質量和工程進度。本文從液力耦合器運行原理和油系統工藝流程設計出發，采用排除法對可能的原因進行逐個排查分析，最終找到油溫高的主要原因是由于工作油通過耦合器充油管線逆向流入潤滑油回路加熱了潤滑油，最終采取調整工作油壓力以避免工作油逆流的方法使問題得以解決。

關鍵詞：給水泵;液力耦合器;工作油溫度;潤滑油溫度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.148

0 引言

給水泵作為熱力發電廠關鍵輔機設備之一，其能否穩定運行與電廠的安全性和經濟性直接相關，大型熱力發電廠配置的電動給水泵多采用液力耦合器對給水泵進行調速控制，液力耦合器的性能關乎給水泵運行的穩定性。某核電廠單臺機組配置有三臺電動主給水泵，給水泵配套的液力耦合器為福伊特（VOITH）公司生產的型號為RK17K450M的調速型液力耦合器。在每臺給水泵調試期間，均出現了潤滑油回路及液力耦合器工作油溫度高問題，導致設備被迫打閘停運，對設備質量和工程進度造成了極大的影響。該型號液力耦合器為福伊特公司的成熟產品，在化工、電力等行業均應用廣泛，同類型耦合器試運過程中，僅發生過工作油溫度高的故障案例，但是同時出現潤滑油及工作油回路溫度過高的現象尚屬少見，因無成熟的可借鑒經驗，原因查找存在很大的難度。現場技術人員從液力耦合器的工作原理和油系統工藝流程設計出發，結合現場的試驗數據，深入排查各種可能因素，最終找到原因，并提出了針對性的解決措施。

1 問題描述

某核電廠工程建設調試期間，在給水泵組安裝完成后，對給水泵進行首次試轉過程中，啟動給水泵后手動提升轉速，約8分鐘后轉速升高至4400rpm，泵組繼續維持運行約7分鐘后，液力耦合器潤滑油冷油器入口油溫升高至保護跳泵值70℃，給水泵保護跳閘。與此同時工作油冷油器入口油溫接近報警值110℃，潤滑油冷油器及工作油冷油器出口油溫均正常，工作油泵出口、調節油壓等壓力均在設計范圍內，泵組各軸瓦溫度均正常。3臺給水泵首次試運過程均出現同樣現象，導致試驗失敗。

2 原因分析及處理過程

結合試驗數據，從耦合器的工作原理和系統工藝流程設計方面分別對工作油和潤滑油溫度高問題展開分析和排查。

2.1 工作油溫度高原因分析

根據液力耦合器工作原理可知，液力耦合器由主動軸、泵輪、渦輪、從動軸和防止漏油的轉動外殼等主要部件組成，如圖1所示。泵輪和渦輪一般對稱布置，幾何尺寸相同，在輪內裝有許多徑向輻射葉片。工作時，在聯軸器中充以工作油，傳動設備的動力通過主渦輪（又稱泵輪）傳遞到工作油;工作油在主渦輪內加速，機械能轉變成動能。從動渦輪（又稱渦輪）吸收動能，并轉化成機械能。在該動力傳遞到被驅動設備在動力傳輸中，從動渦輪的速度小于主渦輪速度。該速度差稱為滑差。由于速度差而導致的動力損失對工作油加熱升溫，動力損傷產生的熱量通過工作油冷卻器由閉冷水帶走。

因此，針對工作油溫度高問題可以從以下因素進行分析：

（1）潤滑油品質問題，如潤滑油中顆粒度和含水量超標，將增大摩擦損失產生熱量，使油溫升高。泵組試轉前潤滑油已經沖洗合格，試驗室油質分析結果為NAS7級水平，水分<0.05%，清潔度和水分均在合格范圍內，因此該因素可排除。

（2）冷油器冷卻水流量不足或溫度過高，導致工作油中的熱量無法得到及時有效的冷卻。檢查工作油和潤滑油冷卻水回水總管冷卻水流量為150m?/h（設計流量為>139m?/h），冷卻水溫度<36.5℃，均滿足設計要求。而且，從冷油器出口油溫來看，潤滑油冷油器出口油溫為43.2℃，工作油冷油器出口油溫為59.0℃，冷卻效果較好。因此，可以排除冷卻系統故障因素。

（3）工作油循環流量過低，導致大部分熱量無法被冷卻器帶走，熱量累積導致油溫升高。通過現場檢查，工作油泵出口油壓正常，可以正常對油系統進行補充;循環油量控制閥開度可以隨勺管上下移動而調整大小，無卡澀現象。為加大循環油量，增大工作油換熱量，現場調大了給水泵液力耦合器循環油量控制閥開度，啟動給水泵組進行再驗證，試驗結果表明，工作油溫升有所降低，但潤滑油溫度急劇升高。

（4）滑差導致的動力損失是產生熱量的主要因素，因此可通過能量分析來研究能損-轉速曲線特性，滑差導致的能量損失Q與滑差率s和輸出功率P成正比，而輸出功率P與渦輪輸出轉速n2的三次方成正比，設泵輪輸入轉速為n1，k為修正系數，可得以下關系式（1）：

（1）

由，可求得當時，能量損失最大，能損-轉速曲線如圖2所示。

已知輸入轉速n1為5204rpm，因此當輸出轉速在3500rpm附近，滑差導致的能量損失最大，盡量避免在該區間長期運行。現場對給水泵組啟動方案進行優化，即手動啟泵時，為避免泵組在能損較大轉速區間運行時間過長，需在泵組啟動后快速提升轉速至4000rpm以上，進入能損相對較小工況，從而避免工作油油溫升高過快。

試驗表明，該方案可在一定程度上降低工作油溫升，但泵組運行一段時間后，潤滑油溫繼續升高至報警值以上，因此需對導致潤滑油溫度高的原因展開進一步分析。

2.2 潤滑油溫度高原因分析

根據液力耦合器油系統工藝流程設計可知，系統主要分為潤滑油回路和工作油回路，如圖3所示。潤滑油回路主要流程為主潤滑油泵（給水泵正常運行時）或輔助油泵（給水泵啟動、備用或停止時）從油箱吸油經逆止閥，經潤滑油冷卻器、雙聯過濾器、孔板后送到潤滑油供油總管，通過總管上各支管向前置泵、電機、耦合器、壓力級泵軸承提供潤滑油。工作油回路包括一個閉式回路與一個開式回路。在閉式回路中，在耦合器中旋轉油環在動壓力的作用下從可移位的勺管引出經工作油冷卻器、油量控制閥后返回耦合器，或經卸壓閥流入油箱。在開環回路中，工作油泵從油箱吸油，一方面通過油量控制閥向耦合器充油，另一方面過剩的油經卸壓閥回到油箱。此外在潤滑油泵出口設置一根帶孔板管線，其作用是當給水泵處于備用狀態，電動輔助油泵運行時，向工作油系統充油。

從潤滑油回路設計來看，冷卻器換熱效果、軸瓦磨損產生的熱量、以及高溫工作油泄露進入潤滑油回路是導致潤滑油溫度高的主要因素。從現場冷卻水流量、溫度和潤滑油回油溫度來看，各項參數均正常，可排除冷卻系統故障因素;而從前置泵、電機、耦合器及壓力級泵各軸瓦溫度測點及就地回油溫度顯示表來看，各軸瓦回油溫度均無異常，軸承磨損產生熱量的因素同樣可以排除。因此，可以推斷潤滑油溫度高最可能的原因是攜帶熱量的工作油泄露進入油箱或潤滑油，根據工作油和潤滑油回路工藝流程，可從以下部位開展檢查：

（1）易熔塞融化導致溫度較高的工作油進入油箱。

為保護設備，耦合器外殼上設計有易熔塞，見圖4所示。主要作用是當耦合器內油溫上升到160℃，易熔塞熔毀，熱油流出液力偶合器的機殼將油排出，導致工作油泵不送油，機器停止工作。易熔塞融化是導致油箱溫度上升最常見的原因之一。易熔塞融化將導致耦合器工作腔內溫度較高的油泄露進入潤滑油箱內，導致潤滑油溫度升高。現場分別打開3臺泵組液力耦合器工作腔室的蓋板，對易熔塞進行了細致的檢查，發現易熔塞均完好無損，并無過熱融化現象。

（2）冷油器排氣管孔板尺寸過大，溫度較高的工作油通過冷油器排氣管混入潤滑油箱。

每臺工作油冷油器布置有3根排氣管，在排氣管上設計有4mm的節流孔板，如孔板尺寸過大，將導致溫度較高且未經冷卻的工作油流入油箱，從而加熱潤滑油。現場對三根排氣管孔板安裝情況進行了檢查，經檢查，孔板均已安裝，且尺寸與設計一致。

（3）耦合器初始充油管線未安裝導致溫度較高的工作油通過預留孔流入油箱，或者溫度較高的工作油通過充油管線逆向流入潤滑油回路導致潤滑油溫度升高。

在潤滑油泵出口設計有與工作油系統相連的一根帶孔板的耦合器初始充油管，若該旁通管出廠時未安裝，工作油將會通過工作油管路上預制孔泄露進入潤滑油箱內，加熱潤滑油。因現場拆解耦合器箱體存在技術上的困難，在不打開液力耦合器箱整個上端蓋的情況下無法直接觀察該旁通管是否已經安裝，于是現場拆除勺管出口去工作油冷油器的法蘭，啟動輔助油泵，發現大量潤滑油被不斷注入工作油管路，進而間接判斷旁通管已安裝。

按照耦合器運行設計，正常工況下因為潤滑油泵出口壓力略高于勺管出口工作油壓力，因此通常不會存在工作油逆流問題，為了進一步判斷是否存在工作油逆流問題，現場啟動給水泵后分別對潤滑油泵出口潤滑油冷卻器后（圖中壓力測點M1）和勺管出口（圖中壓力測點M3）安裝臨時壓力表進行壓力測量，測量結果為，M1取壓點壓力為3.0bar，M3取壓點壓力為3.1bar，考慮潤滑油管路的沿程手頭損失后，兩個取壓點壓力值相當，因此存在工作油逆流風險。按照耦合器運行控制邏輯，給水泵啟動后延時3分鐘，如潤滑油壓力正常，將維持主潤滑油泵運行，輔助潤滑油泵自動停運，此時勺管引出的溫度較高的工作油將通過耦合器初始充油管線進入潤滑油管路，一部分流向潤滑油冷卻器與主油泵出口的潤滑油混合，加熱潤滑油，另一部分通過潤滑油壓力調節閥泄流進入油箱，加熱油箱中的油，油箱中被加熱的油通過工作油泵補充進入工作油回路，在耦合器中再次做功并被加熱，如此循環，導致潤滑油和工作油溫度不斷被提升。

綜上分析，工作油和潤滑油同時出現溫度高問題的主要原因是工作油通過耦合器充油管線逆向流入潤滑油回路，因此現場需采取措施避免工作油逆流，因耦合器初始充油管線管徑較小，且增加逆止閥存在技術困難，現場采取通過調節工作油壓調節閥調低工作油壓力措施，但若工作油壓太低，將導致補油量過大，且影響耦合器運行效率，工作油泵出口壓力（圖中壓力測點M2）需維持在1.5bar以上，因此現場將M2測點的壓力值由2.3bar調節至1.7bar，同時壓力測點M3測得的壓力值由3.1bar調整為2.4bar，遠低于潤滑油壓力，大大降低工作油逆流風險。

工作油壓力調節后，現場啟動給水泵進行再鑒定，泵組運行穩定后，潤滑油冷卻器入口油溫穩定在60℃以下（設計值為小于65℃），工作油冷油器入口油溫穩定在100℃以下（設計值為小于110℃），工作油和潤滑油溫度均在正常范圍內，耦合器油溫高問題最終得以有效解決。

3 結論

本文詳細介紹了某核電廠電動給水泵的液力耦合器油溫高問題的處理過程，從液力耦合器工作原理和系統工藝流程設計的角度分別對可能導致工作油溫度高和潤滑油溫度高的原因展開分析。分析結果表明，通過調整工作油循環油量或優化給水泵啟動方式快速提升轉速的方法對工作油的溫度控制起到一定作用，但無法解決潤滑油溫度高的問題，只有從設備結構和工藝流程設計上進行全面綜合分析，并結合試驗驗證后，才最終找到了油溫高問題是由于工作油通過耦合器初始充油管線逆流進入潤滑油回路導致，并提出通過調整工作油壓力來避免工作油逆流的措施。本文的分析思路和處理過程對深入了解液力耦合器運行特性、分析和解決耦合器油溫問題以及優化耦合器設計、運行控制方法等方面均具有參考意義。

參考文獻：

[1]廣東核電培訓中心.900MW壓水堆核電站系統和設備[M].北京：原子能出版社，2005：416-425.