水电站调速系统螺杆泵运行异常工况诊断与维护

段水航(中国长江电力股份有限公司向家坝电厂，四川 宜宾 644612)

螺杆泵在水电站调速器液压系统中应用广泛，螺杆泵属容积式转子泵，它是依靠由螺杆和衬套形成的密封腔的容积变化来吸入和排出液体的。在水电站机组运行过程中，调速系统螺杆泵及其过滤器、阀组在机组运行过程中出现的一些异常工况，比如：泵体振动过大，噪音增大、轴承温升过高、电机启动电流增大等，会导致调速器液压系统工况、工作条件的恶化，威胁到水轮发电机组的安全稳定运行[1-6]。

螺杆泵的突出特点是流量平稳、压力脉动小、自吸能力强、噪声低、效率高、寿命长、工作可靠；而其最大的优点是输送介质时不形成涡流、对介质的黏度不敏感，可输送较高黏度介质。因此研究、探讨调速系统螺杆泵异常工况，并有针对性的分析处理，对水电站调速系统的安全稳定运行具有实际意义。

1 水电站调速系统螺杆泵运行简介

依据螺杆泵的运行特点，水电站调速系统一般选择螺杆泵作为输油、加压泵，通常会选择输油特性最稳定的三螺杆泵，图1是调速系统三螺杆泵工作油路示意图。三螺杆泵主要用于输送不含固体颗粒、无腐蚀性的各种油类或者类似于油的润滑油性液体。在三螺杆泵内具有3个转动元件：一个主动螺杆和两个从动螺杆是决定三螺杆泵性能特征的关键因素，三螺杆泵结构如图2所示，包涵在衬套内的相互精密啮合的主、从螺杆在空间形成2个相互封闭的密闭腔室。当主动螺杆转动时，这些密闭腔室沿着主动螺杆轴线持续均匀地由泵吸入腔平动至排出腔，完成液体的吸入和排出，这种匀速轴向移动决定了三螺杆泵具有很好的吸入性能并且运行时脉动小、运转平稳。

图1 调速系统三螺杆泵工作油路示意图

图2 三螺杆泵结构示意图

2 水电站调速系统三螺杆泵异常工况诊断与处理措施

2.1 三螺杆泵运行振动增大、噪声异常

三螺杆泵运行振动增大、噪声异常是泵在实际运转过程中最为常见，也是最易被发现的异常工况，如果不能及时找出原因并加以处理，往往会引起油泵电机单元组的零件损坏，三螺杆泵运行振动、噪声异常升高应引起水电站运行维护人员的足够重视。

1)进口管道密封性能不良。如果三螺杆泵进口管道密封不好，三螺杆泵运转时泵腔里面吸入空气。输送带有空气的油液，会造成螺杆泵泵体内汽蚀，首要表现即振动增大、噪声异常。此时应检查吸入管道法兰密封和轴封，不允许空气进入，检查进口阀门是否漏入空气或完全打开。

2)基础安装不牢固。有的用户把三螺杆泵作为临时输送油液使用或移动后使用时，不固定三螺杆泵的地脚螺栓就投入使用，这种情况是螺杆泵振动大的原因之一，螺杆泵使用前一定要拧紧泵的地脚固定螺栓。

3)调速系统回油管路未插入油液内部。图1中蓝色回油管路如果未插入油液内部，回油冲入油箱后，会造成油箱内油液出现大量气泡，带有大量气泡的油液被吸入螺杆泵泵体内，会造成螺杆泵运转时振动过大，流量大、气泡多时可导致轴承损坏、定转子抱死等严重问题。回油管路须插入油液内部，距离回油箱底部20～30 cm为宜。

4)油泵、电机同轴度和同心度误差大。电机与油泵一般由联轴器联接，因制造、安装误差，或泵运转时间较长，以及输送介质的性质、承载后的变形等影响，往往会造成油泵、电机不同心、不同轴，进而导致油泵振动值超标。此时应重新调整油泵、电机的同轴度、同心度，误差控制在±0.05 mm以内。

5)螺杆泵安装高程过高。通过对三螺杆泵系统的吸油特性和汽蚀余量分析，可判断出螺杆泵的安装高度和其吸油能力的匹配程度，如螺杆泵的安装高程超过其吸油能力，泵在当前的高程运转就会造成泵体内部汽蚀的产生，进而导致泵体内噪声、振动的增大。为了避免螺杆泵汽蚀现象的发生，泵的安装应在距离油箱液面一定高度范围之内，具体高度值应依据螺杆泵工作特性曲线判定。

6)电机缺少润滑油。三螺杆泵电机缺少润滑油，会造成电机运转时噪音过大，一般用专用黄油枪给电机加注润滑油。

7)螺杆泵损坏。螺杆泵本体损坏，也会导致泵体内噪声、振动的增大。

2.2 三螺杆泵运行时轴承温升过高

机械行业标准JB/T8644-2007《单螺杆泵》中规定：轴承温升不得超过环境温度35℃，最高温度不得超过80℃。调速系统三螺杆泵可参考使用，油泵轴承温升试验须每年做一次，以保证轴承良好的运转工况。三螺杆泵运转时轴承温升过高的主要原因有：

1)三螺杆泵轴承内润滑油(脂)量不足，加注润滑油可解决。

2)三螺杆泵轴承损坏，常常是轴承发热的普遍原因，如滚动轴承保持架损坏、钢球压碎内圈或外圈断裂；滑动轴承的合金层剥落、掉块等；如轴承处声音异常、噪音明显增大，应及时检查轴承检查并更换。

3)油泵、电机同轴度和同心度误差增大也是导致轴承温升过高的常见原因，电机、油泵运转一段时间后，由于制造、安装、运行等原因，导致轴承摩擦增大，温升过高。此时重新调整油泵、电机的同轴度、同心度，误差控制在±0.05 mm以内。

2.3 三螺杆泵启动后电机电流过高

1)工作介质黏度较大，即实际黏度高于所选泵或设计泵的黏度值。不相匹配黏度的流体可能使橡胶溶胀，增加了定、转子之间的过盈配合值，使扭矩和消耗功率增大。增大三螺杆泵电机功率并降低电机的转速可解决工作介质黏度较大的问题。

2)出口管道压力过高，超过了安全阀的全排压力，而安全阀未动作。三螺杆泵运转过程中如发现电机电流异常升高，应首先检查泵出口压力是否正常，并根据情况调整安全阀的全排压力。

3)油泵、电机同轴度和同心度误差增大也是导致螺杆泵电机电流过高的常见原因，此种情况应重新调整油泵、电机的同轴度、同心度，误差控制在±0.05 mm以内。

2.4 三螺杆泵运行时输油效率降低

1)进口管道被堵塞造成油泵进口流量变小，是导致三螺杆泵输油效率降低的最主要原因，首先应检查过滤器及吸入管路，排除堵塞问题。

2)有的用户把螺杆泵的进口管道改小，由于吸入管路直径太小跟不上出油流量导致三螺杆泵出现空转的现象，应根据三螺杆的设计流量、工作特性曲线等修改进口管道直径。

3)介质黏度较大、转速太高也是三螺杆泵运行时输油效率降低的原因之一，输送介质黏度太大，而泵的转速太高导致，螺杆泵转子旋转时，泵两端存在一定的压差，油液可迅速充满空腔。如油液黏度较大，则流动性较差，吸入口的阻力较大，造成油液不能快速充满空腔，泵的效率会急剧下降。针对黏度较大的介质，三螺杆泵选型初期就应该低转速泵。

3 调速液压系统三螺杆泵选型注意事项

针对油泵运行中的异常工况，油泵电机单元选型前，要充分了解其使用条件，除了要获得准确的运行流量、压力外，还要明确输送介质的特性，比如介质的腐蚀性强度，是否有固溶物，以及固溶物的比率和固体颗粒的大小，同时工作介质的工作温度、粘度、比重也是重点考虑的因素；除此之外，设计人员需要到使用现场充分调查并记录油泵装置的吸入条件、安装条件等。根据多年的运维经验，为避免三螺杆油泵运行异常工况，三螺杆泵选型时应注意以下几点：

1)以螺杆泵的工作特性曲线为基础进行调速系统三螺杆泵的选型。螺杆泵工作特性曲线是指导螺杆泵抽油的技术基础，无论是选油泵、选电机、施工设计和使用管理都要以泵的特性曲线为基础，泵的特性曲线主要包括：①容积效率曲线-压力与排量的关系曲线；②机械效率曲线(即扭矩曲线)-压力与转子扭矩关系曲线；③总效率曲线(即系统效率曲线)-压力与系统效率关系曲线。

泵工作特性曲线如图3示，图3中的中间区域为泵的最佳工作区域。泵在这一区域效率最高，而且使用寿命长。设计人员必须找出螺杆泵的最佳工作区域，推荐给制造商用户，才能使螺杆泵得到合理的使用，减少故障，并延长泵的寿命。

图3 三螺杆泵工作特性曲线图

2)设计布置三螺杆泵进出口管道时，应合理选择管道直径和弯头。进口管道直径大，在相同流量下，油液流速度小，阻力损失小，但价格高，管道直径小，会导致阻力损失急剧增大，使所选泵的扬程、功率增加，成本和运行费用都增加。管道布置应尽可能布置成直管，尽量减小管道中的附件和尽量缩小管道长度，必须转弯的时候，弯头的弯曲半径应该是管道直径的3～5倍，角度尽可能大于90℃。应从技术和经济的角度综合考虑三螺杆泵进出口管道和弯头的布置。

3)泵出口侧必须装设逆止阀。逆止阀在液体倒流时可防止泵反转，并使泵避免油击的破坏，当压力油倒流时，会产生巨大的反向压力，单向阀可避免泵体损坏。

4)泵流量的确定。如果生产工艺中已给出最小流量、工作流量、最大流量，应按最大流量考虑。如果生产工艺中只给出工作流量，则三螺杆泵流量选择时应考虑留一定余量。

5)输送介质黏度和转速的匹配。依据前述，如果输送的介质黏度超标，而泵的转速又比较高，会造成泵的效率急剧下降。针对黏度较大的介质，三螺杆泵选型初期就应该选低转速泵。

6)调速系统回油管路设计。依据前述，调速系统回油管路设计时，回油管路须插入油液内部，距离回油箱底部20～30 cm为宜。以避免泵体汽蚀、轴承损坏、定转子抱死等严重问题的发生。

4 结 语

三螺杆泵在水电站调速系统中的作用举足轻重，而且零件一旦损坏，维护、更换成本较高。及时发现三螺杆泵运转过程中存在的异常工况，是每一个水电站运行维护人员的重要任务。运行维护人员应考虑工作介质特性、腐蚀性、黏度、工作温度以及泵的压力、流量等因素，结合螺杆泵的工作特性曲线、吸入条件、布置条件，深入分析三螺杆泵异常工况的原因。需要时调整油泵、电机的同轴度、同心度，更换进口密封、进口阀门、单向阀等措施，消除一般的异常工况。经设计单位、厂家共同验证，如有设计选型、制造、管道施工布置方面存在的问题，应及时停止泵的运行，并由生产管理部门提出技术改造方案并实施，避免对螺杆泵造成更大的损害。选型得当，维护合理，三螺杆泵就可长周期、不间断的运转。本文对水电站调速系统中的三螺杆泵的异常工况作了归纳、总结，希望能带给水电站运行维护人员一点启发，确保水电站调速系统三螺杆泵长寿命高效运行。