闭冷水泵切换时润滑油压下降原因分析及对策研究

2022-11-30李丰均居国腾梅益铭

节能技术 2022年5期

李丰均，居国腾，梅益铭

(1.浙江浙能绍兴滨海热电有限责任公司，浙江绍兴 312000;2.浙江浙能技术研究院有限公司，浙江杭州 310000)

0 引言

闭式冷却水系统是电厂重要的冷却水源，一般设置两台或多台闭冷水泵，一备一用，并定期进行切换，以验证设备的可靠性，增加设备使用寿命[1]。

在现场运行过程中有机组闭式冷却水系统曾发生大量空气窜入现象, 导致该系统的闭式冷却水泵工作失常, 经排查发现冷却水铜管破裂的故障点进而解决了空气窜入的问题[2-3]。现有存在最常见的问题是水压波动等问题，其主要原因有闭式水系统内空气聚集造成闭式水压力轻微波动[4], 闭式水系统各温调阀开度波动,增加了闭式水压力波动幅度以及落差管水位随系统压力波动大幅变化,造成闭式水落差管溢流管口存在间歇吸气现象,闭式水回水至闭式泵进口段内积气严重,加剧了闭式水压力波动幅度[5-6]。有研究者针对某沿海火电厂的实际需求, 为提高运行的安全性经济性，设计了三种火电厂冷却水系统方案[7]；而针对系统容量不匹配，从闭式水系统实际运行来看, 需要的冷却水量比设计冷却水量要小。夏季运行工况, 主辅设备的油温、水温最高仅在50～65℃, 且冷却水回水调整门只开至60%左右，为此进行了特异性改造，也达到了节能降耗的目标[8]。

基于上述相关研究，现针对上述问题研究闭冷水泵启动瞬间进入闭式水系统的空气容积，并以此推导水泵出口母管压力波动数值，验证能量流动方向，明确导致母管压力降低的原因，制定对策并进行效果验证。相对于现有的研究，本文以现场运行数据为基础，对泵运行本身状态、润滑油系统逐步分析，进而找到故障诱因，对现有机组的冷却水系统的故障排查具有很好的指导意义。

1 系统介绍及故障现象

1.1 现场闭式冷却水系统介绍

该厂闭式水系统由两台流量为970 t/h，扬程为60 m的SM250-470型离心泵提供循环动力，一备一用，为发电机空冷器、EH油系统、给水泵汽轮机、润滑油系统、炉侧系统等提供冷却水。水泵出口设置有垂直布置的逆止阀以及横向安装的出口电动阀，在出口母管上布置有放气阀，现场布置如图1所示。

图1 闭冷水泵现场布置图

图1为现场闭式水泵，图中问题在出口处没有设计排气口。

1.2 润滑油系统配置

该厂7号机组汽轮机由上海汽轮机股份有限公司制造，润滑油系统由一台交流离心油泵供给，同时配置交流备用油泵和直流事故油泵各一台，润滑油从润滑油箱中经主油泵、冷却器、过滤器送至各处轴承。润滑油系统冷却采用板式冷油器，一备一用，以闭式冷却水为冷却介质，保证润滑油温度在48～52℃。板式冷油器参数如表1[9]。

表1 板式冷油器设计参数

1.3 故障现象

该电厂7号机组，额定负荷57 MW，润滑油系统采用交流润滑油泵供油，配置备用泵，备用直流油泵各一台，正常运行时，润滑油系统主泵运行，备用泵联锁投入，润滑油母管压力为0.43 MPa，油泵出口压力为0.53 MPa。当润滑油母管压力小于0.25 MPa或者润滑油泵出口压力小于0.50 MPa时，备用泵联锁启动，直流事故油泵联锁逻辑相同。

2022年3月18日，运行人员例行闭冷水泵切换工作时，在进行备用泵放气操作后，备用泵启动瞬间闭式水母管压力由0.60 MPa突降至0.54 MPa。压力通过板式换热器传导至润滑油系统，主机润滑油泵出口压力由0.530 MPa同步下降至0.518 MPa，润滑泵出口压力开关保护动作，#7B主机交流润滑油泵、#7主机直流事故油泵自启。

2 原因分析

2.1 闭冷水压力下降原因

2.1.1 现象分析

正常情况下备用泵启动，有一个超过额定电流的启动电流，并将闭式水母管压力抬高，稳定后备用泵电机电流小于正常运行电流，运行泵电机电流降低。而本次备用泵启动时，备用泵电流反馈晚于启泵信号和出口阀开信号出现，进一步查询数据可知，启泵指令发出后电机合闸信号马上出现，但是电流信号晚于合闸信号出现，且电流上升至14 A后不再上升，持续4 s后继续抬升至22 A，运行泵电流保持稳定，在此过程中闭式水母管压力不升反降。其过程如图2所示。从图中可以看出备用泵启动采用联启出口阀的方式，备用泵启动信号发出后联启出口阀，出口阀开指令发出后，闭式水母管压力开始下降，2 s后主机润滑泵出口压力受影响，备用泵自启，3 s后备用闭式泵电流开始上升至14.5 A闭式水母管压力开始回升，在备用闭冷水泵启动指令发出后3 s内备用闭式冷却水泵并未出力。

图2 3月18日闭式水母管压力波动趋势图

#7B闭冷水泵曾在2022年2月9日进行出口逆止阀解体检修工作，工作于当天结束，并对水泵进口滤网，以及泵壳顶部放气阀进行了放气操作，随后缓慢打开出口电动阀，#7B闭式泵投入备用状态，闭式水母管压力并未波动。

2.1.2 原因分析

第一，可排除压力测点故障，因为冷却水母管上数个压力测点同时波动，且波动通过板式冷油器传导到了润滑油系统，可以确定为真实压力波动。

第二，图2分析可知，闭式水母管压力波动与出口阀开启时间吻合，此时备用闭冷水泵尚未启动，电机电流为0A，可排除备用泵进口空气通过备用泵进入母管，导致压力波动的因素。

第三，#7机组闭式泵出口逆止阀为垂直布置，此处管道内径为400 mm，逆止阀中心离水泵出口法兰上端距离约为1 000 mm，此段管道无放气阀，根据圆管体积计算公式

V=πr2l

(1)

式中V——体积/m3；

r——半径/m；

l——长度/m。

由式(1)计算可知此处可聚集空气125.6 L(进口压力下)，出口逆止阀检修后，打开出口电动阀时，逆止阀被压死在阀座上，水泵顶部出口放气阀无法排尽空气。备用泵切换时，出口电动阀为联启，因此先将出口电动阀关闭，此时逆止阀和出口电动阀之间的闭式水压力无法维持，逐渐失压，逆止阀前聚集的空气缓慢进入电动阀和逆止阀之间的空间，且压力为闭式水进口压力，即0.18 MPa(G)。在备用泵出口电动阀打开过程中，此段管道内的空气受到出口闭式水高压力的作用，逐渐被压缩，闭式水系统扩容，导致了母管压力的波动。

2.1.3 水泵压头损失能量计算

在备用泵切换前后，闭式水箱液位下降23 mm，从侧面印证了空气的存在，闭式水箱截面尺寸为Ø1 800×8 mm，即内径为1 784 mm，减少的闭式水体积为57.5 L。在启泵的短时间内可以认为闭式水箱减少的体积为空气并入母管被压缩的体积，即闭式水母管扩容体积为57.5 L。

当运行人员发出启动#7B闭冷水泵指令时，出口电动阀开指令发出，出口电动阀打开，压力仅为0.18 MPa(G)的125.6 L空气并入母管，受母管压力0.6 MPa(G)的水压影响，体积减少，空气在不同压力温度下的密度计算公式如下

ρ=1.293(P1/P)(273.15/T)

(2)

式中ρ——空气密度/kg·m-3;

P1——实际绝对压力/MPa;

P——标准大气压/MPa;

T——实际绝对温度/℃。

取标准大气压为0.101 3 MPa，闭式冷却水温度38.15 ℃，计算可得0.54 MPa(G)和0.18 MPa(G)即0.64 MPa(A)和0.28 MPa(A)压力下的密度分别为7.17 kg/m3和3.14kg/m3，气体被压缩后体积将缩小至54.95 L，即闭式水扩容体积为70.65 L，数据与闭式水箱减少闭式水的体积基本一致，判断进入闭式水箱的空气体积为125.6 L(进口压力下)。

假设空气被压缩过程等同于活塞运行，闭式水克服压缩空气阻力做功，压缩空气始终在管道内保持圆柱形体积，其做功过程如图3所示。

在dx微小距离内，认为空气柱压强恒定为Px，空气柱长度为x，空气柱端部面积为S(即管道截面积)，得出在该微小距离内闭式水克服压缩空气阻力做功值d(Q)可由下式计算

dQ=PxSdx

(3)

固定质量的空气其压强与体积成反比，由式PV=nRT(P是气体压强，V指气体体积，n是分子个数，R为常数，T指绝对温度)确定，在温度恒定的情况下有

PxVx=P0V0

(4)

PxxS=P0V0

(5)

Px=P0V0/xS

(6)

dQ=(P0V0/xS)Sdx=(P0V0/x)dx

(7)

由空气被压缩前后x的取值分别为1.00和0.44，在此区间内对Q进行定积分，可得

(8)

图3 空气柱被压缩计算模型

其中P0=0.28 MPa，V0=0.125 6 m3由上式计算可得闭式水克服空气阻力所做的功ΔQ1约为-29.07 kJ，负号代表能量传递方向为闭式水向空气传递。由DCS数据闭式水母管压力下降过程大概持续3 s时间，在此过程中运行电机电流无波动，水泵出力保持恒定，水泵的主要作用是将进口压力为0.28 MPa(A)的闭式水压力抬升至0.70 MPa(A)。闭式水压力下降过程中，水泵出力分为三部分，第一部分扔抬升原有流量的闭式水到出口压力，但压力由0.70 MPa减少0.63 MPa，多余的能量用于压缩管道内空气，转换为空气内能，即为第二部分。第三部分能量用于填充空气被压缩导致的管道内多余容积的闭式水流量增加的焓值。由现场运行参数，经公式计算，结果如表2及表3所示。

表2 压力波动前后闭式水系统能量差值计算表

根据以上结算结果有：|ΔQ2|≈|ΔQ1|+|ΔQ3|即水泵压头损失的能量转化为了对空气所做的功以及闭式水系统扩容部分所增加的内能，现象表征为闭式水系统压力下降。

表3 压力波动前后扩容部分吸收的焓值计算表

最后，备用泵启动电流晚于水泵启动指令以及出口电动阀开指令信号3 s出现，反映了备用泵在此期间并没有出力，也是导致母管压力波动的主要原因。后续数次启动过程未发现该现象重复出现，初步怀疑为主接触点存在卡涩点，在辅助接头已经合上的情况下，主接触点尚未合闸，3 s后完成主接触点合闸，水泵开始出力。这也直接导致了备用泵闭式水管道内的空气以进口管道的压力并入系统管道，最终导致了系统压力突降。

2.2 润滑油压力下降原因

2.2.1 波动原因分析

闭式冷却水泵定期切换过程中，润滑油油温变化范围43.10～43.08℃，未发生剧烈波动，可以排除油温引起油压突降的可能性。因闭式泵定期切换过程闭式水压力突降(0.60 MPa降至0.54 MPa)，板式换热器两侧介质差压平衡被打破，换热器板片油侧向水侧变形，油侧容积瞬间增大，造成系统充满度下降，表征为油压突降(0.530 MPa降至0.518 MPa)。闭式泵定期切换期间，闭式水压、润滑油压变化趋势如图4所示。

图4 闭式水压、润滑油压变化趋势

后经试验，确认闭式水系统无积聚空气时，在切泵过程中当双泵运行后母管压力抬高，停其中一台泵，闭式水母管压力也会突然降低，亦可能导致润滑油泵自启。

2.2.2 板式冷油器强度分析

板式冷油器板片由薄钢板冲击形成，中间带人字形沟槽，在板片、相邻板片沟槽交叉的地方起支撑作用。为了提高换热系数，板片厚度较薄，通常为0.5 mm。随着机组容量的提高，润滑油量也越大，板式冷油器尺寸和板片数量也增大，板片与板片间的贴合更加困难,容易发生板片局部没有贴合，没有形成有效支撑的情况，在运行时压力大的流体会挤压板片,使板片变形。板式冷油器高换热系统的设计结构决定了其存在先天抗压力变化能力不强的问题[10-12]。国家能源局板式换热器标准中对冷油器关于压力波动有描述如下：

(1)板式冷油器对冷、热冲击十分敏感，因此对任何流速的调整都应缓慢进行，以免对系统产生冲击。

(2)阀门关闭后，泵停止运行。板式热交换器对压力冲击很敏感，尤其关闭流体时，要绝对平缓的进行，防止产生压力冲击，也就是发生所说的“水锤”现象。

3 应对措施

3.1 闭冷水泵系统改进

3.1.1 问题分析

闭式冷却水泵进出口管道设计时，没有充分考虑逆止阀垂直布置，逆止阀前垂直管段空气无法排尽的问题，尤其是设备检修后初次启动时会造成母管压力波动。

3.1.2 对策研究

根据该厂现场实际情况，受厂房布局限制，将闭式泵出口阀及逆止阀移位困难，且成本较高。修改油泵自启定值和增加蓄能器提高润滑油系统抗干扰能力，是改善备用交、直流油泵异常自启现象的主要措施。同时降低闭式水系统对润滑油系统板式换热器的压力冲击的可能，也是一个重要补充措施。

措施1：可以在出口逆止阀的阀座下部合适位置加装排气阀。

措施2：考虑到排气口定位选择存在一定难度，可以将止回阀换成缓闭型蝶式止回阀，减少止回阀座与水泵排气口的高差所形成的积气容积。

措施3：通过对现有闭式泵采取软启动、切削叶轮等改进措施，使该机组闭式水系统与二期4台机组的闭式水系统连通，形成分段大母管制运行方式，降低启、停闭冷水泵对系统压力的影响程度。

措施2以及措施3都要求对系统进行较大的改动以及实验，并实时进行优化，操作周期长，见效慢。优先采用措施1解决闭冷水泵因进、出口管道上的设备，如逆止阀、进口滤网、泵本体检修而导致的空气无法排尽问题。

3.2 润滑油系统改进

3.2.1 问题分析

2021年05月07日，该厂#7主机调试期间交流油泵出口压力由0.52 MPa突降至0.50 MPa，备用交流油泵、直流事故油泵自启。2021年06月05日，该厂#7主机交流油泵出口压力由0.52 MPa突降至0.50 MPa，备用交流油泵和直流事故油泵自启。原因为运行进行闭式水换热器排污，造成闭式水压力下降0.05 MPa，备用油泵自启。

针对以上现象，电厂工作人员多次开展试验，证明在闭冷水泵切换时，双泵运行将闭式水母管压力抬至0.81 MPa，当停运其中一台闭冷水泵，润滑油系统压力失稳也能导致备用泵自启。该厂备用交流油泵、直流事故油泵自启值与正常运行值较为接近。交流润滑油泵正常运行出口压力0.53 MPa，自启定值为0.50 MPa，板冷水泵切换时，润滑油压力波动，压力开关动作，备用泵自启。润滑油系统未设置蓄能器等稳压装置，抗干扰能力差，上海汽轮机厂认为机组配套润滑油系统为成熟可靠的产品，但是没有充分考虑系统扰动可能导致的压力波动。

3.2.2 对策研究

润滑油工作油压与保护定值压力差值仅0.03 MPa,在系统安全冗余许可下，当波动在0.03 MPa以上时，应考虑重新设定备用泵自启定值，以规避润滑油母管压力波动导致的备用泵频繁自启现象，建议将备用泵自启定值修改为0.47 MPa。逻辑修改完成后，进行多次闭式冷却水泵切换试验，均未导致润滑油系统备用泵自启。

润滑油系统压力波动导致备用泵频繁自启，与该机组润滑油系统抗干扰能力差，油压易失稳关联性较大，为提高润滑油系统的抗干扰能力，建议在润滑油系统合适部位设置相应容量的蓄能器等稳压装置。