盧紅遠(yuǎn) 柏征宇 吳誠 強(qiáng)華 馬曉飛

摘 要：在小型汽輪機(jī)組的油系統(tǒng)中，有很大一部分采用雙螺桿泵供油?？紤]到有可能突然斷電而引起跳機(jī)惰走時(shí)，機(jī)組依然有部分供油能力，往往會(huì)將其中一臺(tái)螺桿泵采用軸頭機(jī)械驅(qū)動(dòng)而非電驅(qū)。該類供油系統(tǒng)在軸頭泵與電泵切換時(shí)，會(huì)因?yàn)橛土刊B加而使油系統(tǒng)壓力迅速上升?；诖?，研究了某40 MW汽輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場帶軸頭螺桿泵的潤滑油系統(tǒng)在做主輔油泵切換時(shí)油安全閥起跳的問題，在對其進(jìn)行原因分析的基礎(chǔ)上，提出了具體的改進(jìn)措施，同時(shí)提出了雙閥系統(tǒng)中聯(lián)調(diào)的機(jī)制。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī);油系統(tǒng);軸頭螺桿泵;安全閥起跳;原因;雙閥聯(lián)調(diào)

中圖分類號：TK267? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)組，軸系排布為汽輪機(jī)+齒輪箱+發(fā)電機(jī)。油系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)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(qū)動(dòng)端軸伸驅(qū)動(dòng)，輔助油泵集裝于油站，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于是容積泵油系統(tǒng)，泵口配置油壓安全閥以防油壓超標(biāo)[1]，損壞油系統(tǒng)設(shè)備。

該機(jī)組在現(xiàn)場試車啟動(dòng)階段，軸系未達(dá)全轉(zhuǎn)速情況下，即引起了油系統(tǒng)安全閥的起跳動(dòng)作，而如果在安全閥未起跳的系統(tǒng)最高壓力點(diǎn)將輔泵切除，則系統(tǒng)油壓瞬間下降至不可持續(xù)運(yùn)行的低壓力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)橛蛪哼^低引起跳機(jī)，導(dǎo)致主輔螺桿泵切換失敗。故判斷油系統(tǒng)不管出于何種原因，都出現(xiàn)了無法消納容積泵除用油設(shè)備以外多余油量的現(xiàn)象。

1? ? 汽輪機(jī)軸頭螺桿泵油系統(tǒng)的工作原理分析

該40 MW機(jī)組油系統(tǒng)油壓控制主要由三螺桿油泵、油壓安全閥、自力式調(diào)節(jié)閥等核心部件組成[2-3]，供油壓力控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

該油系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，容積泵的供油能力要求大于各設(shè)備的用油需求，通常會(huì)是潤滑油總量的1.2倍左右。多余的油量會(huì)通過圖1中自力式泄油閥回流至油箱，通過人為調(diào)整自力式泄油閥，使其可以控制主輔油泵出口壓力在一個(gè)合理的要求范圍內(nèi)。本項(xiàng)目中，油泵同時(shí)負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)保安用油和各設(shè)備潤滑油，在主輔油泵各自單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，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(biāo)示），而潤滑油壓力需求為0.35 MPa，通過自力式減壓閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

如圖2所示，自力式泄油閥[4-5]是一種有差調(diào)節(jié)閥，通過膜片使油壓與彈簧形成力的平衡，從而達(dá)到自動(dòng)控制閥位的目的。而初始平衡的設(shè)置則通過調(diào)節(jié)螺紋調(diào)整彈簧的初始伸長量實(shí)現(xiàn)，一旦調(diào)整完畢，閥門的開度與閥前壓力將是一一對應(yīng)的關(guān)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(tǒng)在不同工況下，各設(shè)備用油需求發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的油壓也會(huì)在一定范圍內(nèi)相應(yīng)浮動(dòng)。

2? ? 油系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比及原因分析

該機(jī)組油系統(tǒng)各設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

機(jī)組啟機(jī)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子所帶軸頭泵還未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，供油能力不足，故需開啟電動(dòng)輔助油泵承擔(dān)主要的供油。當(dāng)機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，即可關(guān)停輔助油泵，由主油泵承擔(dān)所有供油。而在整個(gè)運(yùn)行過程中，存在三個(gè)工況：（1）輔助油泵單獨(dú)供油;（2）主輔油泵同時(shí)供油并在機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，主輔油泵均為全油量輸出;（3）主油泵單獨(dú)供油。

機(jī)組運(yùn)行過程中，系統(tǒng)中多余油量的數(shù)據(jù)邊界如下（為方便描述，這里忽略了系統(tǒng)油壓高低對油泵流量的影響，不影響分析結(jié)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(tǒng)所配置的自力式泄油閥的泄油能力應(yīng)至少涵蓋范圍：48.54～212.34 m3/h。

該機(jī)組油系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)配置的自力式泄油閥為FISHER品牌的4寸EDR閥門，配置執(zhí)行機(jī)構(gòu)655R系列。整理廠家提供的數(shù)據(jù)后，分析如下：

執(zhí)行機(jī)構(gòu)，全行程0.437 5in（0.011 1 m）;整定后閥門全行程所產(chǎn)生的油壓上下浮動(dòng)范圍是0.558 MPa，即一旦閥門調(diào)整到位，在閥門全開全關(guān)過程中，相應(yīng)的油壓最大可變化0.558 MPa;油壓可調(diào)上下限為0.448～1.67 MPa，即閥門可以按需求在這個(gè)壓力范圍內(nèi)做調(diào)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(xù)按照線性閥考慮。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，油壓要求0.85 MPa，而油系統(tǒng)安全閥整定值為1.1 MPa，油壓浮動(dòng)空間實(shí)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(diào)節(jié)范圍ΔKv=0.448×71.6≈32。根據(jù)壓力和密度的變化，轉(zhuǎn)化為1.1 MPa時(shí)的調(diào)節(jié)流量范圍是×ΔKv×=×32×≈113 m3/h。

綜上可得，4寸自力式泄油閥，當(dāng)油系統(tǒng)油壓在0.85～1.1 MPa變化時(shí)，無論如何調(diào)整，最多可以調(diào)整的泄油量差值為113 m3/h，而實(shí)際該機(jī)組需求的范圍達(dá)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(shí)，未關(guān)注油壓變化范圍限制，當(dāng)忽略了該條件后，4寸閥門的泄油量調(diào)節(jié)范圍可達(dá)113/0.448≈252 m3/h，但是同時(shí)，粗略計(jì)算可得，油系統(tǒng)壓力將達(dá)到0.85+0.558×[252/（252+48.5）]≈1.32 MPa，確實(shí)會(huì)觸發(fā)油系統(tǒng)安全閥起跳，與實(shí)際情況吻合。

3? ? 針對性改進(jìn)措施

根據(jù)上文計(jì)算，在0.25 MPa的油壓浮動(dòng)范圍內(nèi)，需求泄油量范圍至少要達(dá)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(xiàn)場條件允許的情況下，擬在4寸閥門基礎(chǔ)上并列設(shè)置一個(gè)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(dòng)范圍內(nèi)可消納的泄油量為×ΔKv×=×43.3×0.448×≈69 m3/h>50.8 m3/h，認(rèn)為可以滿足容量要求。

4? ? 雙閥聯(lián)調(diào)機(jī)制分析及現(xiàn)場調(diào)整步驟制訂

改進(jìn)之后，形成了4寸閥和2寸閥疊加的情形，現(xiàn)場調(diào)試人員在操作時(shí)，出現(xiàn)了雙閥狀態(tài)始終無法調(diào)整到位的問題，主要是因?yàn)榕c只設(shè)單閥時(shí)情況不同，兩個(gè)閥是動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的，調(diào)整其中一個(gè)閥，另一個(gè)閥的狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致無法同時(shí)同步調(diào)整兩閥。另外，這類閥閥位并非直觀可見，使調(diào)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(guān)系特性軸線用如圖4方式表現(xiàn)。

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(diào)整位置），兩個(gè)平行四邊形分別是兩個(gè)閥門各自的可調(diào)整運(yùn)行范圍（閥門實(shí)際的可調(diào)整范圍比圖中要大，為了更簡潔地表達(dá)，突出重點(diǎn)，只截取了其中一段范圍），兩條橫線分別代表油系統(tǒng)運(yùn)行壓力的上下邊界。從圖中不難看出，正因?yàn)橛杏拖到y(tǒng)運(yùn)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?yàn)樵撚拖到y(tǒng)在單雙泵運(yùn)行時(shí)，其多余油量范圍在48.54～212.34 m3/h。圖中，當(dāng)閥位處于4寸閥剖面線的左側(cè)以及2寸閥剖面線的右側(cè)，而油壓為0.85 MPa時(shí)，各單閥泄油均超過48.54 m3/h，即便另一個(gè)閥全關(guān)，單泵運(yùn)行時(shí)泄油量也已經(jīng)過多，無法將油壓穩(wěn)定在0.85 MPa以上。同理，將閥門的最低泄油壓力調(diào)整至0.85 MPa以上也不合適。故雙閥合理運(yùn)行區(qū)間在圖中剖面線所示范圍。

另外，由圖可得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)4寸閥運(yùn)行在其剖面線右邊線時(shí)，2寸閥應(yīng)運(yùn)行在其剖面線右邊線。同理，當(dāng)4寸閥運(yùn)行在其剖面線左邊線時(shí)，2寸閥應(yīng)運(yùn)行在其剖面線左邊線。而當(dāng)4寸閥運(yùn)行在其合理運(yùn)行剖面線區(qū)域時(shí)，2寸閥也會(huì)相應(yīng)運(yùn)行在其剖面線的某個(gè)位置，該位置實(shí)際上可理論計(jì)算。

（2）無論兩閥怎么調(diào)整，只要在剖面線區(qū)域內(nèi)，由于兩閥門被上下壓力線截?cái)嗟男谐滔嗟?，故泄油量的變化量不變，都?13+69=182 m3/h>163.8 m3/h。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件，制訂以下調(diào)整步驟：調(diào)壓目標(biāo)是主泵單開時(shí)油壓至少0.85 MPa，雙泵開時(shí)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(diào)整至系統(tǒng)油壓0.9 MPa（調(diào)整過程中需要手動(dòng)旁路閥配合，保證系統(tǒng)油壓穩(wěn)定），調(diào)完后要保證旁路閥已完全關(guān)閉，這一步驟的目的是先讓4寸閥進(jìn)入圖4中的剖面線區(qū)域。然后開雙泵，開手動(dòng)旁路（目的是保證不因系統(tǒng)油量驟增導(dǎo)致油壓過高），待系統(tǒng)油壓穩(wěn)定在略低于安全起跳油壓1.1 MPa時(shí)，開始調(diào)整2寸閥，最終調(diào)整到油系統(tǒng)油壓略低于1.1 MPa，調(diào)完后要保證手動(dòng)旁路閥全關(guān)，這一步的目的是確保高油壓時(shí)，兩閥聯(lián)合泄油能力足夠，本質(zhì)上是讓2寸閥進(jìn)入圖4中其合理運(yùn)行剖面線區(qū)域。此時(shí)關(guān)閉電泵，預(yù)計(jì)系統(tǒng)油壓略高于0.85 MPa，聯(lián)調(diào)結(jié)束。如果略低于0.85 MPa，可進(jìn)一步微調(diào)。

實(shí)踐結(jié)果表明，現(xiàn)場調(diào)試人員按此操作后，在主油泵單泵運(yùn)行時(shí)，最終油系統(tǒng)油壓為0.875 MPa，而雙泵運(yùn)行時(shí)，未超1.1 MPa。

至此，在汽輪機(jī)組開機(jī)階段，可成功進(jìn)行主輔油泵切換，而不會(huì)引起油安全閥起跳。

5? ? 結(jié)語

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

（2）分析總結(jié)了兩閥聯(lián)調(diào)的方法?？梢酝ㄟ^閥門特性先制訂閥門合理運(yùn)行區(qū)間，然后逐個(gè)調(diào)整;而聯(lián)調(diào)的閥門可以在合理區(qū)間范圍內(nèi)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(yuǎn)（1985—），男，浙江杭州人，工程師，主要從事汽輪機(jī)系統(tǒng)及工程方面的工作。