某VLCC船锅炉给水泵故障原因分析

唐传安，杨述闯，柯小磊，严建兵，王 旭，王 昆

(大连船舶重工集团设计研究院有限公司，辽宁 大连 116021)

技术交流

某VLCC船锅炉给水泵故障原因分析

唐传安，杨述闯，柯小磊，严建兵，王 旭，王 昆

(大连船舶重工集团设计研究院有限公司，辽宁 大连 116021)

某VLCC船2台锅炉给水泵在试航期间相继发生故障，文章根据泵的相关理论，结合泵的特性曲线、工厂试验数据和电气系统设计，分析了故障原因，并提出了预防措施。经交船后运营检验，其控制预防措施合理，无问题反馈。

锅炉给水泵；特性曲线；过载电流保护

1 故障经过

某30.8万吨级VLCC船在试航期间，锅炉给水系统的其中2台给水泵(共3台)相继发生故障。主要故障经过如下。

1)在货舱压载阶段,1#锅炉处于自动模式，负荷为25%～30%左右；2#锅炉处于手动模式，负荷为15%。2#锅炉给水泵运行一段时间后，该泵发生过载报警，经检查电机下轴承抱死。

2)在货舱扫舱阶段，2台锅炉以自动模式运行，总负荷约为单台锅炉的60%～70%，此时1#和3#锅炉给水泵运行。先是突然出现水位变化异常的情况，服务商在调试水位期间，3#给水泵突然过载报警，经检查发现电机下轴承同样抱死。

经过拆检发现，2台给水泵除有电机下轴承抱死现象外，轴承端盖均出现裂纹，电机输出轴由于温度过高，轴承区域出现变色，部分包线烧毁。

2 锅炉给水系统组成

该船的锅炉给水系统简图见图1。设有2台辅锅炉，用以保证VLCC型船的货油泵透平和压载泵透平的蒸汽供应[1]；设有3台锅炉给水泵，每台锅炉给水泵可以保证1台辅锅炉的水量，剩余1台给水泵作为备用。正常工作时，给水泵从热井中抽水，经给水控制阀调节后，将锅炉需求的水量打入锅炉中用于产生蒸汽。蒸汽在各用户使用后，经冷凝又返回至热井中形成循环。

图1 锅炉给水系统简图

该船每台辅锅炉蒸发量：46 m3/h ，2台；锅炉工作压力：0.6～2.0 MPa，设计压力为2.4 MPa；每台锅炉给水泵(立式多级离心泵)：60 m3/h、2.64 MPa，3台；给水泵电机：额定输出功率 55 kW，额定电流 84 A。图2～图4为锅炉给水泵的特性曲线，分别为流量—扬程、流量—必需汽蚀余量、流量—额定输出功率曲线。

图2 锅炉给水泵流量—扬程曲线

图3 锅炉给水泵流量—必需汽蚀余量曲线

图4 锅炉给水泵流量—额定输出功率曲线

3 故障原因分析

3.1 综合分析

结合相关设计手册和泵的常见故障[2-3]，锅炉给水泵的故障可能由以下3个原因造成：①泵的自身装配问题。主要包括装配不当，润滑不良等。②泵的振动。包括船体结构振动，自身不平衡或汽蚀等引发的振动。③泵的外部条件变化。包括外部管路阻力变化或混入异物等导致电机过载。

根据泵故障后的拆检和试航期间的观测记录，分析可得该泵的装配和润滑没有问题，泵所在区域船体振动情况较好，未发现泵内有异物或叶轮变形的现象，故从汽蚀振动和电机过载2方面进一步分析泵故障原因。

3.2 汽蚀可能性分析

泵在输送流体过程中，当部分区域的压力小于该温度下的流体饱和蒸汽压力时，液体将汽化，汽化产生的气泡破灭时，会对泵体造成很大的冲击，形成“汽蚀现象”，汽蚀会导致较大的噪声和振动，可能导致电机轴承损坏[4]。为此，根据汽蚀理论，按式(1)进行校核[3]：

h=(PNPSH-Pf-Pv-Ps)/ρg，

(1)

式中：h为避免汽蚀允许的泵进口安装高度，m，如h为正值，表示泵可安装在液面以上的最大距离，如h为负值，表示泵应安装在液面以下的最小距离。P0为标准大气压压力，约等于0.1 MPa；PNPSH为泵的必需汽蚀余量，根据图3可得，在泵曲线范围内其最大值为0.027 MPa；Pf为泵的吸口管路阻力损失，经过计算约为0.005 MPa；Pv为饱和气体压力，锅炉给水系统的设计温度为80 ℃，对应的水蒸气饱和压力约为0.05 MPa；Ps为安全余量，根据泵厂家要求，取0.005 MPa；ρ为水的密度，取1×103kg/m3；g为重力加速度，取10 m/s2。

经过计算得知，h值为1.3 m，表示泵可安装在液面以上的最大距离为1.3 m，而泵的实际安装高度为液面以下5 m，远高于厂家要求，故泵发生汽蚀的可能性较小，实际拆检结果也显示泵叶轮状态正常，没有明显的汽蚀现象。

3.3 电机过载的可能性分析

3.3.1 泵曲线与试验报告分析

针对实际工作状态下，本船锅炉给水泵的电机是否过载的问题，首先可以确定该泵电机功率不满足其设计工作点60 m3/h、2.64 MPa的功率需求，如图4所示，在工作点时需求的功率为57 kW，而泵的电机输出功率只有55 kW，说明电机功率偏小。查阅该船锅炉给水泵的船级社证书，可以发现其工厂试验时的各项数据如表1所示。

表1 锅炉给水泵工厂试验数据

从表1可以得出以下结论。

1)泵的实测流量和扬程与图2中的特性曲线误差较小，可以认为符合性较好，泵本体设计没有问题。

2)在泵的设计工作点60 m3/h 、2.64 MPa，实测电流超过额定电流，电机是过载的，这与根据图4分析的结果一致。

3)泵只有在约53 m3/h、2.66 MPa工况以下运行，才能保证电机不过载，正常工作。

3.3.2 锅炉在稳定状态下的工况分析

在为锅炉供水时，该泵实际运行状态下电机是否过载，应从整个系统的配置和供水原理方面进行分析。结合图2和图4可知，泵的流量和所需电机功率取决于管路系统的外部阻力，外界阻力小时，泵的流量和所需电机功率增大；反之则减少。

锅炉运行时，给水泵的外部阻力P为：

P=P1+P2+P3+P4

(2)

式中：P1为锅炉内部蒸汽压力，最大值为锅炉设计压力，为2.4 MPa；P2为给水控制阀阻力，在最大蒸发量下，控制阀全开，约为0；P3为给水泵与锅炉之间由于高度差引起的压力，本船实际约为0.2 MPa；P4为整个管路系统阻力损失，约为0.05 MPa。经计算可得P为2.65 MPa。

而在锅炉最大负荷时，单台锅炉的蒸发量为46 m3/h。在稳定状态下，锅炉蒸发量与供水量趋于平衡，所需给水泵的供水流量也为46 m3/h。故在稳定状态下，当锅炉在最大负荷工作时，给水泵供水能力应满足46 m3/h、2.65 MPa的设计要求，低于53 m3/h、2.65 MPa这一实测电机过载临界点，故电机不会发生过载现象。

3.3.3 锅炉实际工作状态下的工况分析

在实际操作中，锅炉蒸发量与供水量不可能始终保持一致，其水位一直处于波动状态。锅炉补水是通过控制给水阀的开度来调节水量的，当锅炉实际水位小于理论水位时，给水控制阀打开，开始供水，且实际水位与理论水位的差值越大，给水阀的开度就越大；而当锅炉水位与理论水位差值变小时，给水阀开度就会逐渐变小直至关闭。根据这一控制原理，如果外部条件变化，造成锅炉实际水位与理论水位差值较大时，给水阀开度就会变得较大，会使给水系统外部阻力变小，给水泵功率增大。

故从补水控制程序原理上讲，这种方法仅保证了锅炉水位低情况下的快速补水，没有考虑系统阻力变化对锅炉给水泵电机功率的影响和是否会造成电机过载。由于本船锅炉给水泵的电机功率没有覆盖泵的整个曲线工作范围，在锅炉水位较低时，需求水量较大时，由于给水阀开度较大，外部阻力较小，根据泵的特性曲线，此时泵的工作点就会超过临界值，造成电机过载。结合操作经验，在下列工况下，会造成锅炉实际水位与理论水位相差较大，造成电机过载。

1)外部蒸汽负荷突变。如新启动1台货油泵或其它蒸汽需求量大的用户时，由于蒸汽需求量突然变大，水位快速下降，在锅炉调节水位至平衡的一段时间内，会发生电机过载现象；在调试或航海初期的频繁试气阶段，发生这种现象的次数将较多。

2)在调试初期或使用过程中，为锅炉首次加水或换水期间，锅炉内部没有压力，同时给水改为手动操作，如阀门开度较大或操作不当，外界阻力非常小，就会造成电机过载。

3) 在给水阀故障或给水控制失效时，如果给水阀处于全开状态，则同样会造成电机过载。

综上所述，在锅炉稳定工作状态下，此时蒸汽需求量波动较小，水位变化较缓，本船的锅炉给水泵电机功率可以满足使用需求；但在某些实际存在的工况下，如蒸汽用户突变或压力突降，锅炉水位下降就会很快，由于本船的给水泵电机功率较小，无法覆盖泵的全部工作曲线范围，给水泵电机就会发生过载现象，分析认为这是本船2台锅炉给水泵电机故障的本质原因。

实际设计中，为了避免锅炉水位波动对给水系统带来的不利影响，锅炉给水泵的工作点和电机功率应大于锅炉的最大蒸发量，这也是厂家锅炉给水泵设计工作点为60 m3/h、2.64 MPa的初衷，但其电机功率却没有跟设计工作点相互匹配。

3.3.4 电机过载电流保护设置分析

由于锅炉给水泵在故障前，未发出任何电机过载报警，在故障分析期间也检查了电机的过载保护设置是否正确。经查该电机的额定电流为84 A，而实船过载电流保护的设置为100 A，分析其设定值偏大，无法在电机过载的情况下进行有效保护。经过查阅锅炉厂家资料和厂家的书面沟通，厂家电气设计人员经过校核也认为其电流过载保护设置过高。通过双方交流发现，该泵为锅炉厂家从外部采购，而电气系统设计由锅炉厂家负责。该厂家长期使用的标配电机额定电流为99 A，电流保护设定值为100 A。但在本项目的系列船中，泵厂家更换了电机品牌和技术参数，额定电流变为84 A，而对应的电气系统设计，包括过载电流设置，未随之更新，造成了这一设计失误。

如果过载电流保护设置正确，即使电机在实际工作中发生过载，过载保护也会及时停止电机，不会造成电机的损坏。故分析认为，过载电流保护设定值过高是电机损坏的直接原因。

4 解决及预防措施

根据原因分析，本船的电机故障主要是由2方面造成的，一方面为电机功率偏小，在某些蒸汽负荷变化较快的场合无法满足给水泵的功率需求，造成电机过载；另一方面为过载电流保护设计值过高，无法有效保护电机。为此，在修复2台损伤的电机后，采取以下预防措施来保护电机[5]。

1)按厂家电机实际技术参数，更改过载电流保护设置为92 A。

2)加装相关操作说明铭牌和更新锅炉操作程序，防止锅炉负荷突增。在有大量蒸汽用户使用的情况下，要求取消自动模式，改为手动逐渐增加锅炉负荷，待平稳后再将锅炉改为自动控制模式。

3)严格控制锅炉给水泵操作程序，在锅炉压力较低或手动补水的情况下，应手动控制泵出口阀，保证泵出口压力在允许范围内(不低于2.66 MPa )。

5 结束语

电机修复后，按上述控制措施重新进行试航交验，锅炉给水泵运行正常。交船后，也无任何问题反馈，证明这些操作控制程序是合理和可靠的。但对这种使用工况比较复杂的水泵，由于其实际需求的工作点较多，建议电机功率应满足整个泵曲线的工作范围要求，本船的电机输出功率应为62 kW以上。

[1] 中国船舶重工集团公司，中国船舶工业集团公司，中国造船工程学会，等.船舶设计实用手册轮机分册[M].3版. 北京：国防工业出版社，2013.

[2]陈绍纲,朱国伟,李渤仲，等. 轮机工程手册[M]. 北京：人民交通出版社，1992.

[3]关醒凡. 现代泵技术手册[M]. 北京：宇航出版社，1995.

[4]任福安, 王名涌. 轮机工程基础(上册)[M].大连：大连海事大学出版社，2008.

[5]童大鹏, 田野，任荣社. 船用离心泵典型故障及排除[J]. 中国修船，2013,26(5)：48-50.

请 珍 惜 每 一 滴 水

Two of the boiler water-feeding pumps are failure in turn during sea trial on a VLCC ship.The malfunction reason is analyzed based on the theory of centrifugal pumps,the pump characteristic curve,factory test data and the electric diagram design.The preventive means are given finally,which is certified as reasonable and no negative feedback after ship's delivery.

boiler water-feeding pump;characteristic curve;overload current protection

唐传安(1981-)，男，辽宁大连人，高级工程师，硕士，主要从事船舶和海洋平台的轮机设计工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.03.001

2017-01-22