超臨界火電機(jī)組頂軸油泵故障分析

本文作者：韓立爭   中國天辰工程有限公司

摘要：頂軸油泵是防止大型汽輪機(jī)低速碾瓦的關(guān)鍵設(shè)備，某660MW超臨界火電機(jī)組連續(xù)出現(xiàn)頂軸油泵損壞事故，通過理論分析、計算與調(diào)研各主機(jī)廠頂軸油系統(tǒng)的設(shè)計，指出頂軸油泵進(jìn)油壓力明顯低于調(diào)研項目與相關(guān)研究的下限值，是引起干磨、振動的首要因素，干磨、振動造成了頂軸油泵的配流盤與回程盤碎裂；因重力自流壓力所限，頂軸油泵的進(jìn)口過濾器精度遠(yuǎn)低于常規(guī)設(shè)計值與計算值，進(jìn)一步縮短了頂軸油泵的使用壽命。系統(tǒng)設(shè)計上必須考慮足夠的進(jìn)油壓力，同時滿足進(jìn)口過濾器精度的要求，應(yīng)該避免直接選用泵制造商提供的最低進(jìn)口壓力作為進(jìn)口壓力設(shè)計值，并給出了方案建議。

關(guān)鍵詞：頂軸油泵；斜盤式軸向柱塞泵；故障；汽蝕；進(jìn)油壓力；過濾器精度；前置泵

0 引言

汽輪機(jī)是現(xiàn)代火力發(fā)電機(jī)組中的三大核心設(shè)備之一，其轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，軸頸與軸承之間可以建立良好的潤滑油膜，但在低速運(yùn)行時，由于轉(zhuǎn)子自身重量大，軸承比壓高，無法建立穩(wěn)定的油膜，特別是大型汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，為防止低速碾瓦，設(shè)計上應(yīng)考慮足夠能力的頂軸油系統(tǒng)向頂軸油囊提供高壓油，以便在軸徑和軸瓦之間形成靜壓油膜，實(shí)現(xiàn)“靜壓升舉，動壓運(yùn)轉(zhuǎn)”的工作模式^[1]。因此，頂軸油系統(tǒng)對汽輪機(jī)組安全啟停起有關(guān)鍵作用。以往與頂軸油系統(tǒng)有關(guān)的文獻(xiàn)多涉及頂軸油泵排壓不足、頂軸油系統(tǒng)調(diào)試或低速碾瓦等，文章重點(diǎn)從頂軸油泵進(jìn)油壓力、汽蝕與進(jìn)口過濾器精度的角度對頂軸油泵的損壞進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)介紹

某660MW超臨界火電機(jī)組，汽輪機(jī)為N660-24.2/566/566超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、雙背壓凝汽式機(jī)組，高中壓轉(zhuǎn)子兩端的1#、2#徑向軸承選用LEG型（前緣帶進(jìn)油槽的可傾瓦軸承），未設(shè)頂軸油接口；其余3#~6#徑向軸承采用可傾瓦軸承，均設(shè)有頂軸油接口。頂軸油系統(tǒng)由汽輪機(jī)廠家成套提供。頂軸油裝置集成在一個公共底盤上，配有2×100%頂軸油泵（斜盤式軸向柱塞泵），進(jìn)口切斷球閥，進(jìn)口雙聯(lián)過濾器（濾芯精度80um），出口高壓板式過濾器（濾芯精度10um），出口單向閥及就地電控箱、儀表板等。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，頂軸油泵從主油箱重力自流進(jìn)油，油箱液位距頂軸油泵進(jìn)口管路中心3.5m，扣除進(jìn)口管路、閥門以及進(jìn)口過濾器等阻力降后，頂軸油泵進(jìn)口壓力為0.019MPaG。頂軸油系統(tǒng)流程示意見圖1，頂軸油泵參數(shù)見表1。

圖1 頂軸油系統(tǒng)示意圖

表1 頂軸油泵參數(shù)

機(jī)組調(diào)試初期到168小時性能考核的半年時間里，頂軸油泵先后損壞3臺，所出現(xiàn)的故障現(xiàn)象基本相同，即油泵噪音異常、振動大、油壓波動，最終排壓不足。將泵拆解后發(fā)現(xiàn)配流盤與回程盤碎裂，滑靴磨損、變形，斜盤受損嚴(yán)重，麻點(diǎn)明顯，其余各機(jī)械接觸面磨損痕跡明顯，部分柱塞出現(xiàn)缸內(nèi)卡澀（圖2、圖3）。

圖2 損壞的回程盤、柱塞與滑靴

圖3 斜盤受損情況

2 原因分析

斜盤式軸向柱塞泵兼具往復(fù)泵與容積式轉(zhuǎn)子泵的特性。雖然往復(fù)泵具有良好的吸入性能，但進(jìn)油壓力不足同樣會引發(fā)往復(fù)泵汽蝕，這是因為進(jìn)油壓力不足時，往復(fù)泵缸體內(nèi)部的液柱將出現(xiàn)瞬時、微小的分離，液柱分離會令內(nèi)件干磨，空隙處出現(xiàn)溶解氣體的釋放或泵送液體的汽化，產(chǎn)生汽泡，伴隨汽泡在高壓區(qū)潰滅，產(chǎn)生噪聲和強(qiáng)烈高頻振動，發(fā)生汽蝕。理論分析：在汽蝕開始發(fā)生的一定時間內(nèi)，往復(fù)泵內(nèi)部組件并未立刻損壞，但已存在干磨，出口壓力表現(xiàn)只是波動，隨著汽蝕時間延長，柱塞、滑靴與回程盤等內(nèi)件會因持續(xù)高頻振動而疲勞損壞。

2.1 API674對往復(fù)泵NPIP的要求

汽蝕問題的關(guān)鍵在于凈正吸入壓力（Net Positive Inlet Pressure，簡稱NPIP），即泵吸入口處單位質(zhì)量液體超出液體汽化壓力的富余能量。為了確保往復(fù)泵在正常運(yùn)行時不發(fā)生汽蝕，有效凈正吸入壓力（簡稱NPIPa）應(yīng)大于必需凈正吸入壓力（簡稱NPIPr）。這是工藝系統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則。人們習(xí)慣上重視離心泵的汽蝕問題并為此進(jìn)行了大量、深入的研究，而往復(fù)泵的汽蝕問題往往被忽略。API674-2014《容積式泵-往復(fù)式》（以下簡稱“API674”）指出：“往復(fù)泵NPIPa的計算必須包括系統(tǒng)加速度壓頭的影響，即NPIPa的計算中需要增加一項加速度壓頭，用來防止在每次吸入沖程時，泵內(nèi)和吸入管路內(nèi)的液柱發(fā)生分離”。這是因為柱塞在整個往復(fù)行程過程中是非等速運(yùn)動的，每個吸入行程，其吸入管路系統(tǒng)中的液柱總是由靜止逐漸被加速，加速液柱所消耗的這部分壓頭被稱為“加速度頭損失ha”，加速度頭損失是往復(fù)泵NPIPa的計算中比離心泵多出的一部分損失，而且加速度頭損失通常要比同一管路內(nèi)摩擦阻力損失的總和大十幾到幾十倍^[2]。

API674給出了往復(fù)泵加速度頭損失的計算公式，見式（1）：

式中

ha —— 往復(fù)泵吸入管道加速度損失，m；

L — 往復(fù)泵吸入管道直線長度，m；

V — 往復(fù)泵吸入管道內(nèi)流速，m/s；

n — 往復(fù)泵轉(zhuǎn)速，rpm；

C — 泵型系數(shù)；取值按文獻(xiàn)^[17]；

K — 液體校正系數(shù)，取值按文獻(xiàn)^[17]；

g — 重力加速度，取9.81m/s²。

按式（1）計算，頂軸油吸入管路加速度損失達(dá)到89.7kPa，是吸入管路系統(tǒng)摩擦阻力損失（表2計算結(jié)果為16.5kPa）的5.4倍。

根據(jù)API674附錄G計算得NPIPa為27.5kPa，根據(jù)NPIPa計算值，初步判斷頂軸油泵尚未發(fā)生汽蝕。理論計算過程與結(jié)果見表2：

表2 NPIPa計算表       單位：kPa

2.2 頂軸油泵進(jìn)油壓力

國內(nèi)不同規(guī)模火電機(jī)組頂軸油泵的進(jìn)油參數(shù)匯總于表3，可以看出，東方汽輪機(jī)有限公司（以下簡稱東汽）125MW~600MW[13]機(jī)組的頂軸油系統(tǒng)設(shè)有兩條進(jìn)油管路（見圖4），一條來自冷油器出口母管，另一條取自主油箱作為備用，備用管路專門設(shè)有前置泵增壓，前置泵出口壓力0.2MPaG，與冷油器出口母管壓力基本相同；哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司（以下簡稱哈汽）350MW[3]以及ALSTOM 600MW[4]機(jī)組的頂軸油泵從潤滑油母管取油，上汽300MW與600MW級機(jī)組的頂軸油泵吸油來自潤滑油供油母管冷油器后^[5~7]，頂軸油泵進(jìn)油壓力都在0.2MPaG左右。

圖4 東汽125~600MW機(jī)組頂軸油系統(tǒng)圖

表3 頂軸油系統(tǒng)參數(shù)匯總

BDO（Butanediol的縮寫，1, 4-丁二醇）項目中的BYD進(jìn)料泵為3柱塞或5柱塞的高壓往復(fù)泵，為了避免發(fā)生汽蝕故障，國外的泵制造商會在高壓往復(fù)泵上游設(shè)置前置泵，使往復(fù)泵的進(jìn)口壓力從0.1MPaG（工藝專利商條件）增加到0.2MPaG，確保高壓往復(fù)泵的進(jìn)口壓力比液體的汽化壓力高得多，即NPIPa有足夠的安全裕量。提高前置泵揚(yáng)程所增加的費(fèi)用僅約為主泵價格的二百分之一，這是最為經(jīng)濟(jì)可靠的技術(shù)措施^[8]。文獻(xiàn)^[9]通過數(shù)值仿真計算指出：上死點(diǎn)低壓腔壓力應(yīng)不低于0.2MPaG，以確保柱塞腔壓力不會降至沒有物理意義的負(fù)壓。文獻(xiàn)^[10]通過數(shù)值研究表明：輸送海水介質(zhì)的軸向柱塞泵，在入口壓力為0MPaG時，其柱塞腔內(nèi)的空化程度最為嚴(yán)重，當(dāng)入口壓力增加至0.1MPaG時，柱塞腔內(nèi)的空化程度與作用時間均顯著降低；文獻(xiàn)^[11]指出閉式液壓系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中為了保證充分吸油，均配有補(bǔ)油泵，工況變化補(bǔ)油壓力即入口壓力也會變化，并通過模型計算發(fā)現(xiàn)，隨著軸向柱塞泵入口壓力的增加，斜盤繞三坐標(biāo)力矩減小，噪聲降低，增加入口壓力有利于減弱斜盤的機(jī)械振動。

可見，適當(dāng)增加柱塞泵的吸入口壓力可以避免有害汽蝕，有利于降低機(jī)械振動，延長柱塞泵的使用壽命。

2.3 過濾器精度

斜盤式軸向柱塞泵典型的機(jī)械接觸面有柱塞與缸體孔、柱塞與滑靴、滑靴與斜盤、配流盤與缸體配流端面共4對（見圖5），較多的機(jī)械接觸面決定了該類型泵對輸送介質(zhì)中的顆粒度敏感。因而，進(jìn)口過濾器的精度會直接影響斜盤式軸向柱塞泵的使用壽命。

圖5 斜盤式軸向柱塞泵典型機(jī)械接觸面

表3中進(jìn)口過濾器的精度為20~25um，與文獻(xiàn)^[12]的要求基本一致。根據(jù)多年實(shí)踐經(jīng)驗與研究，缸體與柱塞的配合間隙取柱塞直徑的1.3‰~1.5‰^[13]，案例項目頂軸油泵的柱塞直徑為25mm，配合間隙計算值為32.5um~37.5um，計算得出進(jìn)口過濾器濾芯精度應(yīng)不低于32um。案例項目頂軸油依靠重力自流進(jìn)油，由于油箱靜液柱只有3.5m，32um過濾器阻力降太大，頂軸油裝置廠家只得選配80um過濾器，80um精度遠(yuǎn)低于常規(guī)設(shè)計值與計算值，造成各機(jī)械接觸面磨損加速。根據(jù)文獻(xiàn)^[14]，哈汽與三菱聯(lián)合設(shè)計制造的1250MW級核電機(jī)組，頂軸油泵為容積式葉片泵，取油來自潤滑油母管，進(jìn)口過濾器精度12um，當(dāng)頂軸油泵進(jìn)口壓力低于98kPaG時，聯(lián)鎖跳閘，在容積式葉片泵具備良好的自吸能力的情況下，哈汽與三菱設(shè)計上依然從潤滑油母管取油，既可確保進(jìn)油壓力裕度，又能提高進(jìn)口過濾器精度，提升頂軸油的清潔度等級，從而有利于降低磨損、延長頂軸油泵使用壽命。

3 結(jié)論與建議

（1）根據(jù)NPIPa計算結(jié)果判斷，頂軸油泵尚未發(fā)生汽蝕，但是頂軸油泵進(jìn)油壓力明顯低于調(diào)研項目與相關(guān)研究的下限值，是引起干磨、振動的首要因素，而配流盤與回程盤碎裂是持續(xù)干磨、振動的結(jié)果。斜盤式軸向柱塞泵兼具往復(fù)泵與容積式轉(zhuǎn)子泵的特性，其結(jié)構(gòu)、性能方面與常規(guī)徑向柱塞泵存在一定差異，嚴(yán)格講并不適用API674。因此，NPIPa的理論計算結(jié)果僅作為參考。

（2）進(jìn)口過濾器設(shè)計精度值不合理是導(dǎo)致頂軸油泵故障損壞的另一個重要因素。斜盤式軸向柱塞泵摩擦副多，柱塞、滑靴等內(nèi)件受力復(fù)雜，易損件多，對輸送介質(zhì)的顆粒度敏感，其進(jìn)口過濾器精度會直接影響斜盤式軸向柱塞泵的使用壽命。過濾器精度受制于進(jìn)油壓力，為了保證過濾器精度達(dá)到25um，進(jìn)油壓力應(yīng)留有裕度。受重力自流進(jìn)油壓力所限，頂軸油裝置廠家選配的進(jìn)口過濾器精度80um，精度遠(yuǎn)低于常規(guī)設(shè)計值與計算值。

（3）基于斜盤式軸向柱塞泵固有的結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)計上必須考慮足夠的進(jìn)油壓力，并同時滿足進(jìn)口過濾器精度的要求。頂軸油泵的樣本中一般都提供了很寬的進(jìn)口壓力范圍（如最低0.08MPaA，最高1.6MPaA），應(yīng)避免直接選用泵制造商提供的最低進(jìn)口壓力作為進(jìn)口壓力設(shè)計值。最為便捷可靠的解決方案是將頂軸油泵的進(jìn)油接口從主油箱處移至潤滑油供油母管（潤滑油過濾器后），將潤滑油泵充當(dāng)頂軸油泵的“前置泵”。

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