馬慶飛 段智彪 解程宇

摘 要：某核電廠電動(dòng)給水泵調(diào)試期間出現(xiàn)了液力耦合器工作油和潤(rùn)滑油溫度高問(wèn)題，影響了設(shè)備質(zhì)量和工程進(jìn)度。本文從液力耦合器運(yùn)行原理和油系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)出發(fā)，采用排除法對(duì)可能的原因進(jìn)行逐個(gè)排查分析，最終找到油溫高的主要原因是由于工作油通過(guò)耦合器充油管線(xiàn)逆向流入潤(rùn)滑油回路加熱了潤(rùn)滑油，最終采取調(diào)整工作油壓力以避免工作油逆流的方法使問(wèn)題得以解決。

關(guān)鍵詞：給水泵;液力耦合器;工作油溫度;潤(rùn)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(fā)電廠關(guān)鍵輔機(jī)設(shè)備之一，其能否穩(wěn)定運(yùn)行與電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性直接相關(guān)，大型熱力發(fā)電廠配置的電動(dòng)給水泵多采用液力耦合器對(duì)給水泵進(jìn)行調(diào)速控制，液力耦合器的性能關(guān)乎給水泵運(yùn)行的穩(wěn)定性。某核電廠單臺(tái)機(jī)組配置有三臺(tái)電動(dòng)主給水泵，給水泵配套的液力耦合器為福伊特（VOITH）公司生產(chǎn)的型號(hào)為RK17K450M的調(diào)速型液力耦合器。在每臺(tái)給水泵調(diào)試期間，均出現(xiàn)了潤(rùn)滑油回路及液力耦合器工作油溫度高問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)備被迫打閘停運(yùn)，對(duì)設(shè)備質(zhì)量和工程進(jìn)度造成了極大的影響。該型號(hào)液力耦合器為福伊特公司的成熟產(chǎn)品，在化工、電力等行業(yè)均應(yīng)用廣泛，同類(lèi)型耦合器試運(yùn)過(guò)程中，僅發(fā)生過(guò)工作油溫度高的故障案例，但是同時(shí)出現(xiàn)潤(rùn)滑油及工作油回路溫度過(guò)高的現(xiàn)象尚屬少見(jiàn)，因無(wú)成熟的可借鑒經(jīng)驗(yàn)，原因查找存在很大的難度?，F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員從液力耦合器的工作原理和油系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，深入排查各種可能因素，最終找到原因，并提出了針對(duì)性的解決措施。

1 問(wèn)題描述

某核電廠工程建設(shè)調(diào)試期間，在給水泵組安裝完成后，對(duì)給水泵進(jìn)行首次試轉(zhuǎn)過(guò)程中，啟動(dòng)給水泵后手動(dòng)提升轉(zhuǎn)速，約8分鐘后轉(zhuǎn)速升高至4400rpm，泵組繼續(xù)維持運(yùn)行約7分鐘后，液力耦合器潤(rùn)滑油冷油器入口油溫升高至保護(hù)跳泵值70℃，給水泵保護(hù)跳閘。與此同時(shí)工作油冷油器入口油溫接近報(bào)警值110℃，潤(rùn)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(diào)節(jié)油壓等壓力均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，泵組各軸瓦溫度均正常。3臺(tái)給水泵首次試運(yùn)過(guò)程均出現(xiàn)同樣現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

2 原因分析及處理過(guò)程

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從耦合器的工作原理和系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)方面分別對(duì)工作油和潤(rùn)滑油溫度高問(wèn)題展開(kāi)分析和排查。

2.1 工作油溫度高原因分析

根據(jù)液力耦合器工作原理可知，液力耦合器由主動(dòng)軸、泵輪、渦輪、從動(dòng)軸和防止漏油的轉(zhuǎn)動(dòng)外殼等主要部件組成，如圖1所示。泵輪和渦輪一般對(duì)稱(chēng)布置，幾何尺寸相同，在輪內(nèi)裝有許多徑向輻射葉片。工作時(shí)，在聯(lián)軸器中充以工作油，傳動(dòng)設(shè)備的動(dòng)力通過(guò)主渦輪（又稱(chēng)泵輪）傳遞到工作油;工作油在主渦輪內(nèi)加速，機(jī)械能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能。從動(dòng)渦輪（又稱(chēng)渦輪）吸收動(dòng)能，并轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。在該動(dòng)力傳遞到被驅(qū)動(dòng)設(shè)備在動(dòng)力傳輸中，從動(dòng)渦輪的速度小于主渦輪速度。該速度差稱(chēng)為滑差。由于速度差而導(dǎo)致的動(dòng)力損失對(duì)工作油加熱升溫，動(dòng)力損傷產(chǎn)生的熱量通過(guò)工作油冷卻器由閉冷水帶走。

因此，針對(duì)工作油溫度高問(wèn)題可以從以下因素進(jìn)行分析：

（1）潤(rùn)滑油品質(zhì)問(wèn)題，如潤(rùn)滑油中顆粒度和含水量超標(biāo)，將增大摩擦損失產(chǎn)生熱量，使油溫升高。泵組試轉(zhuǎn)前潤(rùn)滑油已經(jīng)沖洗合格，試驗(yàn)室油質(zhì)分析結(jié)果為NAS7級(jí)水平，水分<0.05%，清潔度和水分均在合格范圍內(nèi)，因此該因素可排除。

（2）冷油器冷卻水流量不足或溫度過(guò)高，導(dǎo)致工作油中的熱量無(wú)法得到及時(shí)有效的冷卻。檢查工作油和潤(rùn)滑油冷卻水回水總管冷卻水流量為150m?/h（設(shè)計(jì)流量為>139m?/h），冷卻水溫度<36.5℃，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。而且，從冷油器出口油溫來(lái)看，潤(rùn)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(tǒng)故障因素。

（3）工作油循環(huán)流量過(guò)低，導(dǎo)致大部分熱量無(wú)法被冷卻器帶走，熱量累積導(dǎo)致油溫升高。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查，工作油泵出口油壓正常，可以正常對(duì)油系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充;循環(huán)油量控制閥開(kāi)度可以隨勺管上下移動(dòng)而調(diào)整大小，無(wú)卡澀現(xiàn)象。為加大循環(huán)油量，增大工作油換熱量，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)大了給水泵液力耦合器循環(huán)油量控制閥開(kāi)度，啟動(dòng)給水泵組進(jìn)行再驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，工作油溫升有所降低，但潤(rùn)滑油溫度急劇升高。

（4）滑差導(dǎo)致的動(dòng)力損失是產(chǎn)生熱量的主要因素，因此可通過(guò)能量分析來(lái)研究能損-轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)特性，滑差導(dǎo)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(zhuǎn)速n2的三次方成正比，設(shè)泵輪輸入轉(zhuǎn)速為n1，k為修正系數(shù)，可得以下關(guān)系式（1）：

（1）

由，可求得當(dāng)時(shí)，能量損失最大，能損-轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)如圖2所示。

已知輸入轉(zhuǎn)速n1為5204rpm，因此當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速在3500rpm附近，滑差導(dǎo)致的能量損失最大，盡量避免在該區(qū)間長(zhǎng)期運(yùn)行。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)給水泵組啟動(dòng)方案進(jìn)行優(yōu)化，即手動(dòng)啟泵時(shí)，為避免泵組在能損較大轉(zhuǎn)速區(qū)間運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，需在泵組啟動(dòng)后快速提升轉(zhuǎn)速至4000rpm以上，進(jìn)入能損相對(duì)較小工況，從而避免工作油油溫升高過(guò)快。

試驗(yàn)表明，該方案可在一定程度上降低工作油溫升，但泵組運(yùn)行一段時(shí)間后，潤(rùn)滑油溫繼續(xù)升高至報(bào)警值以上，因此需對(duì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油溫度高的原因展開(kāi)進(jìn)一步分析。

2.2 潤(rùn)滑油溫度高原因分析

根據(jù)液力耦合器油系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)可知，系統(tǒng)主要分為潤(rùn)滑油回路和工作油回路，如圖3所示。潤(rùn)滑油回路主要流程為主潤(rùn)滑油泵（給水泵正常運(yùn)行時(shí)）或輔助油泵（給水泵啟動(dòng)、備用或停止時(shí)）從油箱吸油經(jīng)逆止閥，經(jīng)潤(rùn)滑油冷卻器、雙聯(lián)過(guò)濾器、孔板后送到潤(rùn)滑油供油總管，通過(guò)總管上各支管向前置泵、電機(jī)、耦合器、壓力級(jí)泵軸承提供潤(rùn)滑油。工作油回路包括一個(gè)閉式回路與一個(gè)開(kāi)式回路。在閉式回路中，在耦合器中旋轉(zhuǎn)油環(huán)在動(dòng)壓力的作用下從可移位的勺管引出經(jīng)工作油冷卻器、油量控制閥后返回耦合器，或經(jīng)卸壓閥流入油箱。在開(kāi)環(huán)回路中，工作油泵從油箱吸油，一方面通過(guò)油量控制閥向耦合器充油，另一方面過(guò)剩的油經(jīng)卸壓閥回到油箱。此外在潤(rùn)滑油泵出口設(shè)置一根帶孔板管線(xiàn)，其作用是當(dāng)給水泵處于備用狀態(tài)，電動(dòng)輔助油泵運(yùn)行時(shí)，向工作油系統(tǒng)充油。

從潤(rùn)滑油回路設(shè)計(jì)來(lái)看，冷卻器換熱效果、軸瓦磨損產(chǎn)生的熱量、以及高溫工作油泄露進(jìn)入潤(rùn)滑油回路是導(dǎo)致潤(rùn)滑油溫度高的主要因素。從現(xiàn)場(chǎng)冷卻水流量、溫度和潤(rùn)滑油回油溫度來(lái)看，各項(xiàng)參數(shù)均正常，可排除冷卻系統(tǒng)故障因素;而從前置泵、電機(jī)、耦合器及壓力級(jí)泵各軸瓦溫度測(cè)點(diǎn)及就地回油溫度顯示表來(lái)看，各軸瓦回油溫度均無(wú)異常，軸承磨損產(chǎn)生熱量的因素同樣可以排除。因此，可以推斷潤(rùn)滑油溫度高最可能的原因是攜帶熱量的工作油泄露進(jìn)入油箱或潤(rùn)滑油，根據(jù)工作油和潤(rùn)滑油回路工藝流程，可從以下部位開(kāi)展檢查：

（1）易熔塞融化導(dǎo)致溫度較高的工作油進(jìn)入油箱。

為保護(hù)設(shè)備，耦合器外殼上設(shè)計(jì)有易熔塞，見(jiàn)圖4所示。主要作用是當(dāng)耦合器內(nèi)油溫上升到160℃，易熔塞熔毀，熱油流出液力偶合器的機(jī)殼將油排出，導(dǎo)致工作油泵不送油，機(jī)器停止工作。易熔塞融化是導(dǎo)致油箱溫度上升最常見(jiàn)的原因之一。易熔塞融化將導(dǎo)致耦合器工作腔內(nèi)溫度較高的油泄露進(jìn)入潤(rùn)滑油箱內(nèi)，導(dǎo)致潤(rùn)滑油溫度升高?，F(xiàn)場(chǎng)分別打開(kāi)3臺(tái)泵組液力耦合器工作腔室的蓋板，對(duì)易熔塞進(jìn)行了細(xì)致的檢查，發(fā)現(xiàn)易熔塞均完好無(wú)損，并無(wú)過(guò)熱融化現(xiàn)象。

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

每臺(tái)工作油冷油器布置有3根排氣管，在排氣管上設(shè)計(jì)有4mm的節(jié)流孔板，如孔板尺寸過(guò)大，將導(dǎo)致溫度較高且未經(jīng)冷卻的工作油流入油箱，從而加熱潤(rùn)滑油?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)三根排氣管孔板安裝情況進(jìn)行了檢查，經(jīng)檢查，孔板均已安裝，且尺寸與設(shè)計(jì)一致。

（3）耦合器初始充油管線(xiàn)未安裝導(dǎo)致溫度較高的工作油通過(guò)預(yù)留孔流入油箱，或者溫度較高的工作油通過(guò)充油管線(xiàn)逆向流入潤(rùn)滑油回路導(dǎo)致潤(rùn)滑油溫度升高。

在潤(rùn)滑油泵出口設(shè)計(jì)有與工作油系統(tǒng)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(shí)未安裝，工作油將會(huì)通過(guò)工作油管路上預(yù)制孔泄露進(jìn)入潤(rùn)滑油箱內(nèi)，加熱潤(rùn)滑油。因現(xiàn)場(chǎng)拆解耦合器箱體存在技術(shù)上的困難，在不打開(kāi)液力耦合器箱整個(gè)上端蓋的情況下無(wú)法直接觀察該旁通管是否已經(jīng)安裝，于是現(xiàn)場(chǎng)拆除勺管出口去工作油冷油器的法蘭，啟動(dòng)輔助油泵，發(fā)現(xiàn)大量潤(rùn)滑油被不斷注入工作油管路，進(jìn)而間接判斷旁通管已安裝。

按照耦合器運(yùn)行設(shè)計(jì)，正常工況下因?yàn)闈?rùn)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(huì)存在工作油逆流問(wèn)題，為了進(jìn)一步判斷是否存在工作油逆流問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)給水泵后分別對(duì)潤(rùn)滑油泵出口潤(rùn)滑油冷卻器后（圖中壓力測(cè)點(diǎn)M1）和勺管出口（圖中壓力測(cè)點(diǎn)M3）安裝臨時(shí)壓力表進(jìn)行壓力測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為，M1取壓點(diǎn)壓力為3.0bar，M3取壓點(diǎn)壓力為3.1bar，考慮潤(rùn)滑油管路的沿程手頭損失后，兩個(gè)取壓點(diǎn)壓力值相當(dāng)，因此存在工作油逆流風(fēng)險(xiǎn)。按照耦合器運(yùn)行控制邏輯，給水泵啟動(dòng)后延時(shí)3分鐘，如潤(rùn)滑油壓力正常，將維持主潤(rùn)滑油泵運(yùn)行，輔助潤(rùn)滑油泵自動(dòng)停運(yùn)，此時(shí)勺管引出的溫度較高的工作油將通過(guò)耦合器初始充油管線(xiàn)進(jìn)入潤(rùn)滑油管路，一部分流向潤(rùn)滑油冷卻器與主油泵出口的潤(rùn)滑油混合，加熱潤(rùn)滑油，另一部分通過(guò)潤(rùn)滑油壓力調(diào)節(jié)閥泄流進(jìn)入油箱，加熱油箱中的油，油箱中被加熱的油通過(guò)工作油泵補(bǔ)充進(jìn)入工作油回路，在耦合器中再次做功并被加熱，如此循環(huán)，導(dǎo)致潤(rùn)滑油和工作油溫度不斷被提升。

綜上分析，工作油和潤(rùn)滑油同時(shí)出現(xiàn)溫度高問(wèn)題的主要原因是工作油通過(guò)耦合器充油管線(xiàn)逆向流入潤(rùn)滑油回路，因此現(xiàn)場(chǎng)需采取措施避免工作油逆流，因耦合器初始充油管線(xiàn)管徑較小，且增加逆止閥存在技術(shù)困難，現(xiàn)場(chǎng)采取通過(guò)調(diào)節(jié)工作油壓調(diào)節(jié)閥調(diào)低工作油壓力措施，但若工作油壓太低，將導(dǎo)致補(bǔ)油量過(guò)大，且影響耦合器運(yùn)行效率，工作油泵出口壓力（圖中壓力測(cè)點(diǎn)M2）需維持在1.5bar以上，因此現(xiàn)場(chǎng)將M2測(cè)點(diǎn)的壓力值由2.3bar調(diào)節(jié)至1.7bar，同時(shí)壓力測(cè)點(diǎn)M3測(cè)得的壓力值由3.1bar調(diào)整為2.4bar，遠(yuǎn)低于潤(rùn)滑油壓力，大大降低工作油逆流風(fēng)險(xiǎn)。

工作油壓力調(diào)節(jié)后，現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)給水泵進(jìn)行再鑒定，泵組運(yùn)行穩(wěn)定后，潤(rùn)滑油冷卻器入口油溫穩(wěn)定在60℃以下（設(shè)計(jì)值為小于65℃），工作油冷油器入口油溫穩(wěn)定在100℃以下（設(shè)計(jì)值為小于110℃），工作油和潤(rùn)滑油溫度均在正常范圍內(nèi)，耦合器油溫高問(wèn)題最終得以有效解決。

3 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了某核電廠電動(dòng)給水泵的液力耦合器油溫高問(wèn)題的處理過(guò)程，從液力耦合器工作原理和系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)的角度分別對(duì)可能導(dǎo)致工作油溫度高和潤(rùn)滑油溫度高的原因展開(kāi)分析。分析結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)整工作油循環(huán)油量或優(yōu)化給水泵啟動(dòng)方式快速提升轉(zhuǎn)速的方法對(duì)工作油的溫度控制起到一定作用，但無(wú)法解決潤(rùn)滑油溫度高的問(wèn)題，只有從設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝流程設(shè)計(jì)上進(jìn)行全面綜合分析，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證后，才最終找到了油溫高問(wèn)題是由于工作油通過(guò)耦合器初始充油管線(xiàn)逆流進(jìn)入潤(rùn)滑油回路導(dǎo)致，并提出通過(guò)調(diào)整工作油壓力來(lái)避免工作油逆流的措施。本文的分析思路和處理過(guò)程對(duì)深入了解液力耦合器運(yùn)行特性、分析和解決耦合器油溫問(wèn)題以及優(yōu)化耦合器設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制方法等方面均具有參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]廣東核電培訓(xùn)中心.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)和設(shè)備[M].北京：原子能出版社，2005：416-425.