汽輪機軸頭螺桿泵油系統油泵切換問題分析及改進措施

盧紅遠 柏征宇 吳誠 強華 馬曉飛

摘 要：在小型汽輪機組的油系統中，有很大一部分采用雙螺桿泵供油。考慮到有可能突然斷電而引起跳機惰走時，機組依然有部分供油能力，往往會將其中一臺螺桿泵采用軸頭機械驅動而非電驅。該類供油系統在軸頭泵與電泵切換時，會因為油量疊加而使油系統壓力迅速上升。基于此，研究了某40 MW汽輪發電機組現場帶軸頭螺桿泵的潤滑油系統在做主輔油泵切換時油安全閥起跳的問題，在對其進行原因分析的基礎上，提出了具體的改進措施，同時提出了雙閥系統中聯調的機制。

關鍵詞：汽輪機;油系統;軸頭螺桿泵;安全閥起跳;原因;雙閥聯調

中圖分類號：TK267? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）12-0076-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.12.021

0? ? 引言

某40 MW冷凝機組，軸系排布為汽輪機+齒輪箱+發電機。油系統采用調節保安油與潤滑油共用油站，主輔油泵配置螺桿泵，其中主油泵由齒輪箱低速軸非驅動端軸伸驅動，輔助油泵集裝于油站，采用電動機驅動。由于是容積泵油系統，泵口配置油壓安全閥以防油壓超標[1]，損壞油系統設備。

該機組在現場試車啟動階段，軸系未達全轉速情況下，即引起了油系統安全閥的起跳動作，而如果在安全閥未起跳的系統最高壓力點將輔泵切除，則系統油壓瞬間下降至不可持續運行的低壓力，嚴重時會因為油壓過低引起跳機，導致主輔螺桿泵切換失敗。故判斷油系統不管出于何種原因，都出現了無法消納容積泵除用油設備以外多余油量的現象。

1? ? 汽輪機軸頭螺桿泵油系統的工作原理分析

該40 MW機組油系統油壓控制主要由三螺桿油泵、油壓安全閥、自力式調節閥等核心部件組成[2-3]，供油壓力控制系統示意圖如圖1所示。

該油系統在設計時，根據相關標準，容積泵的供油能力要求大于各設備的用油需求，通常會是潤滑油總量的1.2倍左右。多余的油量會通過圖1中自力式泄油閥回流至油箱，通過人為調整自力式泄油閥，使其可以控制主輔油泵出口壓力在一個合理的要求范圍內。本項目中，油泵同時負責調節保安用油和各設備潤滑油，在主輔油泵各自單獨運行時，要求油泵出口油壓控制在0.85 MPa（G）左右（下文所有油壓值均為表壓值，不再標示），而潤滑油壓力需求為0.35 MPa，通過自力式減壓閥實現自動調節。

如圖2所示，自力式泄油閥[4-5]是一種有差調節閥，通過膜片使油壓與彈簧形成力的平衡，從而達到自動控制閥位的目的。而初始平衡的設置則通過調節螺紋調整彈簧的初始伸長量實現，一旦調整完畢，閥門的開度與閥前壓力將是一一對應的關系，閥前壓力越高，閥門的開度越大（泄油量越多）。因此，該油系統在不同工況下，各設備用油需求發生變化時，整個系統的油壓也會在一定范圍內相應浮動。

2? ? 油系統的數據對比及原因分析

該機組油系統各設計數據如表1所示。

機組啟機時，由于轉子所帶軸頭泵還未達到額定轉速，供油能力不足，故需開啟電動輔助油泵承擔主要的供油。當機組達到額定轉速后，即可關停輔助油泵，由主油泵承擔所有供油。而在整個運行過程中，存在三個工況：（1）輔助油泵單獨供油;（2）主輔油泵同時供油并在機組達到額定轉速時，主輔油泵均為全油量輸出;（3）主油泵單獨供油。

機組運行過程中，系統中多余油量的數據邊界如下（為方便描述，這里忽略了系統油壓高低對油泵流量的影響，不影響分析結論）：

輔助油泵單開：163.8-96.7-11.9=55.2 m3/h;

主油泵單開：157.14-96.7-11.9=48.54 m3/h;

主輔雙泵同開[6]：157.14+163.8-96.7-11.9=212.34 m3/h。

綜上，油系統所配置的自力式泄油閥的泄油能力應至少涵蓋范圍：48.54～212.34 m3/h。

該機組油系統設計時配置的自力式泄油閥為FISHER品牌的4寸EDR閥門，配置執行機構655R系列。整理廠家提供的數據后，分析如下：

執行機構，全行程0.437 5in（0.011 1 m）;整定后閥門全行程所產生的油壓上下浮動范圍是0.558 MPa，即一旦閥門調整到位，在閥門全開全關過程中，相應的油壓最大可變化0.558 MPa;油壓可調上下限為0.448～1.67 MPa，即閥門可以按需求在這個壓力范圍內做調整。

4寸閥門的流量特性線可視化后整理如圖3所示，可見該閥門幾乎為線性閥，這有助于后續按照線性閥考慮。

系統正常運行時，油壓要求0.85 MPa，而油系統安全閥整定值為1.1 MPa，油壓浮動空間實際只有0.25 MPa，占閥門全行程油壓變化范圍0.558 MPa的44.8%。按線性閥考慮，4寸閥門流量調節范圍ΔKv=0.448×71.6≈32。根據壓力和密度的變化，轉化為1.1 MPa時的調節流量范圍是×ΔKv×=×32×≈113 m3/h。

綜上可得，4寸自力式泄油閥，當油系統油壓在0.85～1.1 MPa變化時，無論如何調整，最多可以調整的泄油量差值為113 m3/h，而實際該機組需求的范圍達212.34-48.54=163.8 m3/h，用0.25 MPa的油壓范圍顯然無法消納全部多余油量。

分析：懷疑閥門選型時，未關注油壓變化范圍限制，當忽略了該條件后，4寸閥門的泄油量調節范圍可達113/0.448≈252 m3/h，但是同時，粗略計算可得，油系統壓力將達到0.85+0.558×[252/（252+48.5）]≈1.32 MPa，確實會觸發油系統安全閥起跳，與實際情況吻合。

3? ? 針對性改進措施

根據上文計算，在0.25 MPa的油壓浮動范圍內，需求泄油量范圍至少要達到163.8 m3/h。而4寸閥門的泄油量范圍約為113 m3/h，距理想值還差163.8-113=50.8 m3/h。在現場條件允許的情況下，擬在4寸閥門基礎上并列設置一個2寸閥門（其具體流量特性線如圖3所示）。該2寸閥門在0.25 MPa的油壓浮動范圍內可消納的泄油量為×ΔKv×=×43.3×0.448×≈69 m3/h>50.8 m3/h，認為可以滿足容量要求。

4? ? 雙閥聯調機制分析及現場調整步驟制訂

改進之后，形成了4寸閥和2寸閥疊加的情形，現場調試人員在操作時，出現了雙閥狀態始終無法調整到位的問題，主要是因為與只設單閥時情況不同，兩個閥是動態自適應的，調整其中一個閥，另一個閥的狀態就會發生變化，導致無法同時同步調整兩閥。另外，這類閥閥位并非直觀可見，使調試人員無法很好地掌握閥位情況，也增加了操作難度。

分析兩閥的疊加特性，將閥門流量與行程關系特性軸線用如圖4方式表現。

如圖4所示，左右分別是4寸閥門和2寸閥門的流量特性軸線（以豎直方式布置，能更形象地反映閥門的調整位置），兩個平行四邊形分別是兩個閥門各自的可調整運行范圍（閥門實際的可調整范圍比圖中要大，為了更簡潔地表達，突出重點，只截取了其中一段范圍），兩條橫線分別代表油系統運行壓力的上下邊界。從圖中不難看出，正因為有油系統運行壓力的上下邊界限制，閥門的能力無法全部用足，只能用到其中的44.8%（前文已有描述）。

因為該油系統在單雙泵運行時，其多余油量范圍在48.54～212.34 m3/h。圖中，當閥位處于4寸閥剖面線的左側以及2寸閥剖面線的右側，而油壓為0.85 MPa時，各單閥泄油均超過48.54 m3/h，即便另一個閥全關，單泵運行時泄油量也已經過多，無法將油壓穩定在0.85 MPa以上。同理，將閥門的最低泄油壓力調整至0.85 MPa以上也不合適。故雙閥合理運行區間在圖中剖面線所示范圍。

另外，由圖可得出以下結論：

（1）當4寸閥運行在其剖面線右邊線時，2寸閥應運行在其剖面線右邊線。同理，當4寸閥運行在其剖面線左邊線時，2寸閥應運行在其剖面線左邊線。而當4寸閥運行在其合理運行剖面線區域時，2寸閥也會相應運行在其剖面線的某個位置，該位置實際上可理論計算。

（2）無論兩閥怎么調整，只要在剖面線區域內，由于兩閥門被上下壓力線截斷的行程相等，故泄油量的變化量不變，都是113+69=182 m3/h>163.8 m3/h。

根據現場實際條件，制訂以下調整步驟：調壓目標是主泵單開時油壓至少0.85 MPa，雙泵開時油壓控制在1.1 MPa以下。先將2寸閥屏蔽，單開主泵，慢慢將4寸閥調整至系統油壓0.9 MPa（調整過程中需要手動旁路閥配合，保證系統油壓穩定），調完后要保證旁路閥已完全關閉，這一步驟的目的是先讓4寸閥進入圖4中的剖面線區域。然后開雙泵，開手動旁路（目的是保證不因系統油量驟增導致油壓過高），待系統油壓穩定在略低于安全起跳油壓1.1 MPa時，開始調整2寸閥，最終調整到油系統油壓略低于1.1 MPa，調完后要保證手動旁路閥全關，這一步的目的是確保高油壓時，兩閥聯合泄油能力足夠，本質上是讓2寸閥進入圖4中其合理運行剖面線區域。此時關閉電泵，預計系統油壓略高于0.85 MPa，聯調結束。如果略低于0.85 MPa，可進一步微調。

實踐結果表明，現場調試人員按此操作后，在主油泵單泵運行時，最終油系統油壓為0.875 MPa，而雙泵運行時，未超1.1 MPa。

至此，在汽輪機組開機階段，可成功進行主輔油泵切換，而不會引起油安全閥起跳。

5? ? 結語

（1）通過對該類油系統的深入了解，找出了軸頭螺桿泵與電動輔助油泵切換問題的原因，分析得：在選型泄油閥時，要關注泄油量和差壓的關系，閥門在差壓區間窄的情況下，其泄油能力無法用足。

（2）分析總結了兩閥聯調的方法。可以通過閥門特性先制訂閥門合理運行區間，然后逐個調整;而聯調的閥門可以在合理區間范圍內任意組合，并不固定。

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收稿日期：2022-03-24

作者簡介：盧紅遠（1985—），男，浙江杭州人，工程師，主要從事汽輪機系統及工程方面的工作。