沈彥卿(大唐內(nèi)蒙古多倫煤化工有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 多倫 027300)

離心機(jī)組輔泵不備用問(wèn)題分析及技改方案

沈彥卿(大唐內(nèi)蒙古多倫煤化工有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 多倫 027300)

對(duì)化工廠生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)的大型機(jī)組備泵不備用問(wèn)題進(jìn)行深入分析，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，提出可行性技術(shù)改造方案，分析所提方案中氣囊排油及充油期間氮?dú)鈮毫?體積變化曲線，最終套用波義耳定律推導(dǎo)公式，計(jì)算所增加蓄能器相關(guān)參數(shù)。

離心機(jī)組油系統(tǒng)聯(lián)鎖試驗(yàn)；技改方案；囊式蓄能器；波義耳定律；預(yù)充氮?dú)怏w積

1 簡(jiǎn)述現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題及故障原因分析

1.1 現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題簡(jiǎn)述

2015年9月，裝置正常生產(chǎn)運(yùn)行中，380V電源突發(fā)故障導(dǎo)致主油泵停運(yùn)，輔助油泵因油壓低報(bào)聯(lián)鎖啟動(dòng)，但未能阻止循環(huán)氣壓縮機(jī)停運(yùn)，導(dǎo)致生產(chǎn)線停車(chē)，至此，PP分廠發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)主輔油泵不能互為備用問(wèn)題。為確定問(wèn)題根源，發(fā)生了隨后的驗(yàn)證試驗(yàn)。

筆者所在公司DH7JM型循環(huán)氣壓縮機(jī)為單級(jí)離心壓縮機(jī)組，由G&E油氣公司提供，其功能是為Unipol氣態(tài)流化床提供動(dòng)力源，一樓為油站，主輔兩臺(tái)完全一樣的潤(rùn)滑油泵(一段、二段電分別供電)，出口壓力設(shè)定值為0.6MPa，輔助油泵啟動(dòng)聯(lián)鎖PT394(0.25MPa)引壓點(diǎn)在一層油站過(guò)濾器后單向閥出口處；機(jī)組布置在二樓，油路P&ID見(jiàn)下圖，潤(rùn)滑點(diǎn)分別為軸承箱、電機(jī)、離合器、事故透平，機(jī)組油壓跳車(chē)聯(lián)鎖65A/B/C引壓點(diǎn)在機(jī)組二層潤(rùn)滑點(diǎn)供油末端，接至潤(rùn)滑點(diǎn)回油總管回油箱。

1.2 事故原因分析

第一，本套機(jī)組配備與主泵完全一樣、但分別取電的輔助油泵，在試驗(yàn)前，要確認(rèn)主輔油泵單試正常，以此排除油泵能力問(wèn)題。

第二，本套機(jī)組配有容量為300Lt高位油槽，按二層潤(rùn)滑油流量87Lt/min計(jì)算，足夠保證機(jī)組近3分半內(nèi)的潤(rùn)滑；鑒于國(guó)內(nèi)部分進(jìn)口機(jī)組中有在每個(gè)軸承箱上配置一個(gè)小油箱的，其主要作用與蓄能器作用相當(dāng)，是保證主、輔助油泵切換過(guò)程中壓力穩(wěn)定[1]，為驗(yàn)證本套機(jī)組高位油槽是否具備蓄能作用，做計(jì)算如下：

由壓強(qiáng)公式P=ρgh，計(jì)算切泵期間高位油槽最高液位時(shí)補(bǔ)充壓力P：

ρ取32#汽輪機(jī)油20℃密度865kg/m3，g=9.8n/kg，安裝位置距機(jī)組中心線高度為h=3657.6mm套公式計(jì)算得出：P≈31.028kPa，即便忽略管道壓力損失，也遠(yuǎn)低于機(jī)組跳車(chē)壓力，也就是說(shuō)，按計(jì)算結(jié)果推測(cè)：僅憑高位油槽的勢(shì)能不能保證切泵期間油壓穩(wěn)定。

由于計(jì)算方法、相關(guān)數(shù)據(jù)或計(jì)算取值可能存在誤差，為驗(yàn)證以上的兩項(xiàng)機(jī)組保護(hù)措施是否能夠保證油系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，從而保證主泵故障期間機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行，筆者組織了隨后的驗(yàn)證試驗(yàn)。

(1)試驗(yàn)步驟。驗(yàn)證內(nèi)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(jī)組在事故切泵期間油系統(tǒng)壓力正常。

方案驗(yàn)證前準(zhǔn)備：

①為了保護(hù)機(jī)組，在驗(yàn)證時(shí)會(huì)通過(guò)電氣專(zhuān)業(yè)給壓縮機(jī)主電機(jī)虛擬試運(yùn)行信號(hào)；②主、輔油泵分別單機(jī)運(yùn)行，確認(rèn)兩泵出口壓力均正常后，啟動(dòng)主油泵，輔助油泵投用自動(dòng)位；③通過(guò)油系統(tǒng)供油壓力控制閥PCV395位號(hào)將油系統(tǒng)壓力調(diào)整至G&E隨機(jī)資料PID(07.042.0p)設(shè)定值140kPa；④檢查回油壓力控制閥PCV382位號(hào)閥門(mén)動(dòng)作情況，是否有卡澀現(xiàn)象；⑤對(duì)相關(guān)壓力變送器進(jìn)行標(biāo)定，保證傳輸數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

驗(yàn)證方案：

準(zhǔn)備工作確認(rèn)后，手動(dòng)啟動(dòng)主油泵A，輔助油泵B投自動(dòng)，給電機(jī)虛擬運(yùn)行信號(hào)，通過(guò)DCS控制畫(huà)面對(duì)各項(xiàng)檢查確認(rèn)，因現(xiàn)場(chǎng)溫度較低，油溫18℃，PT-4003-65壓力僅調(diào)至129kPa(設(shè)定值140kPa)，但已達(dá)正常工況，記錄過(guò)程(關(guān)注65ABC變化曲線)。

1)關(guān)閉PT394壓力變送器根部閥，打開(kāi)vent閥模擬PT394壓力下降到聯(lián)鎖值；2)手動(dòng)停A泵制造油泵電機(jī)供電一段電虛擬斷電故障

驗(yàn)證過(guò)程：2016/1/12

主油泵運(yùn)行，輔助油泵投自動(dòng)，聯(lián)系電氣運(yùn)行班對(duì)KM-4003投試驗(yàn)位，現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)壓縮機(jī)，進(jìn)行第一步試驗(yàn)1)關(guān)閉PT394壓力變送器根部閥，打開(kāi)vent閥模擬PT394壓力下降到聯(lián)鎖值；現(xiàn)場(chǎng)觀察，主油泵未停，因PT-394聯(lián)鎖(0.25MPa)輔助油泵立即啟動(dòng)，雙泵并列運(yùn)行。第二步試驗(yàn)2)手動(dòng)停A泵制造油泵電機(jī)供電一段電虛擬斷電故障；現(xiàn)場(chǎng)觀察，主油泵停運(yùn)約2秒后輔助油泵啟動(dòng)，壓縮機(jī)因PALL-4003-65三取二聯(lián)鎖跳車(chē)，之后65A/B/C壓力恢復(fù)正常。

(2)總結(jié)。油系統(tǒng)供油線有單向閥及壓力調(diào)節(jié)閥可保證潤(rùn)滑油不回流，但主回油線(供油末端ABC取壓點(diǎn)也通過(guò)孔板流回至主回油線)無(wú)任何維持油壓的設(shè)備，而油品壓縮比極低，一旦失去壓力源，系統(tǒng)內(nèi)壓力將迅速降低。在油系統(tǒng)失去主油泵的壓力源，到聯(lián)鎖啟動(dòng)備泵恢復(fù)供油壓力期間，系統(tǒng)內(nèi)潤(rùn)滑油會(huì)在重力作用下通過(guò)回油線流回油箱，而此時(shí)，因?yàn)橛拖到y(tǒng)內(nèi)壓力低于高位油槽壓力，高位油槽會(huì)自動(dòng)補(bǔ)充，但補(bǔ)充壓力低于跳車(chē)壓力，只要供油末端65A/B/C其中任意兩點(diǎn)捕捉到低低報(bào)信號(hào)(83kPa)，機(jī)組將啟動(dòng)聯(lián)鎖停機(jī)。

結(jié)論：機(jī)組ESD趨勢(shì)圖顯示，在模擬主泵故障停運(yùn)輔泵聯(lián)鎖啟動(dòng)過(guò)程中，油壓信號(hào)PT4003-65A/B/C(三取二)有6秒左右的波動(dòng)期，在此期間油壓谷值已經(jīng)低于壓縮機(jī)LL跳車(chē)聯(lián)鎖83kPa，試驗(yàn)證明本機(jī)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(jī)組油系統(tǒng)壓力。

2 技術(shù)改造方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，計(jì)劃通過(guò)技改增加潤(rùn)滑油蓄能器一臺(tái)，通過(guò)潤(rùn)滑油估算需求量及響應(yīng)時(shí)間要求，選擇了安裝容易、充氣方便的囊時(shí)蓄能器；由于本套機(jī)組潤(rùn)滑油泵為螺桿泵，流量連續(xù)、無(wú)脈沖，出口壓力穩(wěn)定，所以無(wú)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(jī)組位置，高位油槽供油線之后。

已知條件：機(jī)組二層油系統(tǒng)潤(rùn)滑油流量為87Lt/ min(1.45L/s)，壓縮機(jī)聯(lián)鎖跳車(chē)值為83kPa，運(yùn)行設(shè)定值為140kPa，通過(guò)查詢機(jī)組ESD壓力趨勢(shì)圖發(fā)現(xiàn)油壓波動(dòng)期為6秒。

計(jì)算依據(jù)Boyle-Mariotte波義耳定律：

式中：P0為預(yù)充氮?dú)鈮毫?P1為最小工作壓力，取機(jī)組聯(lián)鎖值83kPa;P2為最大工作壓力,取PID設(shè)定值140kPa;V0為預(yù)充壓力P0時(shí)預(yù)充氮?dú)獾捏w積;V1為最小壓力P1時(shí)預(yù)充氮?dú)獾捏w積; V2為最大壓力P2時(shí)預(yù)充氮?dú)獾捏w積，單位L；n為體積系數(shù)取值范圍1至1.4；本套機(jī)組油系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，所選蓄能器作為緊急動(dòng)力源，根據(jù)相關(guān)資料，預(yù)充壓力P0應(yīng)滿足0.9P1=74.7kPa≤P0≤0.25 =35kPa；ΔV為應(yīng)急期間蓄能器所需釋放潤(rùn)滑油量等于油系統(tǒng)正常供油量1.45L/s乘以油壓波動(dòng)期6s約為8.7L。

模擬機(jī)組主油泵故障期間蓄能器內(nèi)氮?dú)獾捏w積-壓力曲線如圖示： V0→V2為充油階段，V2→V1為放油階段，

設(shè)V0→V2充油階段絕熱系數(shù)為m，

設(shè)V2→V1放液階段絕熱系數(shù)為n，

應(yīng)急排油潤(rùn)滑油釋放量

由(1)(2)(3)式導(dǎo)出

為了防止蓄能器在充油階段充油需求量大導(dǎo)致油系統(tǒng)壓力波動(dòng)，將充油時(shí)間設(shè)計(jì)控制在10min以上，可將 V0→V2慢速充油階段預(yù)充氮?dú)怏w積變化視為等溫(充油時(shí)間＞10min)，多變系數(shù) 取值1.4；將V2→V1快速放液階段視為絕熱(放油時(shí)間≤1min)，絕熱系數(shù) 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(dāng)P0取74.7kPa時(shí)V0≈15.11L，而當(dāng)P0取35kPa時(shí)V0≈32.25L；參考[2]預(yù)充氮?dú)鈮毫閴嚎s機(jī)跳車(chē)壓力的0.9倍=83kPa×0.9=74.7kPa，代入得出V0≈15.11L。

關(guān)于技改實(shí)施細(xì)節(jié)：①為了減少管道阻力使?jié)櫥土鲿车难a(bǔ)入潤(rùn)滑系統(tǒng)，筆者計(jì)劃選用45°等徑斜三通作為蓄能器放油管道接入油系統(tǒng)；②而為了減少輔泵啟動(dòng)期間對(duì)油系統(tǒng)壓力的影響，選擇1/2"補(bǔ)油管道以降低蓄能器充油速度，原則是將充油時(shí)間控制在10min以上；③在保證油壓低報(bào)聯(lián)鎖啟備泵的同時(shí)加入電機(jī)供電信號(hào)聯(lián)鎖，即A斷B供信號(hào)聯(lián)鎖與油壓低報(bào)B泵啟動(dòng)信號(hào)聯(lián)鎖并列，減少主泵斷電備泵啟動(dòng)延時(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，本機(jī)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(hù)機(jī)組，但細(xì)節(jié)各有不同：高位油槽是保證事故期間機(jī)組潤(rùn)滑油短期供應(yīng)，防止軸承與軸干摩擦保護(hù)機(jī)組；輔助油泵作用是在主泵失效時(shí)及時(shí)補(bǔ)充油壓；蓄能器則是穩(wěn)定切泵時(shí)潤(rùn)滑油壓力，保證機(jī)組正常運(yùn)行。建議同類(lèi)型企業(yè)在壓縮機(jī)附屬設(shè)備選配時(shí)，將這三種安全保護(hù)措施全部設(shè)置。

具體的技改方案我們將與設(shè)計(jì)院做進(jìn)一步溝通并加以優(yōu)化，在下一步的實(shí)施過(guò)程中，我們會(huì)嚴(yán)格遵守規(guī)范結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)施技術(shù)改造，使本套機(jī)組能夠安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。

[1]楊佐衛(wèi),殷國(guó)富.大型汽輪機(jī)組高位油箱容積計(jì)算方法[A].機(jī)械,1006-0316(2016) 06-0001-05.

[2]蓄能器在壓縮機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工機(jī)械,0254-6094(2011)06-0766-03.