超临界火电机组顶轴油泵故障分析

本文作者：韩立争   中国天辰工程有限公司

摘要：顶轴油泵是防止大型汽轮机低速碾瓦的关键设备，某660MW超临界火电机组连续出现顶轴油泵损坏事故，通过理论分析、计算与调研各主机厂顶轴油系统的设计，指出顶轴油泵进油压力明显低于调研项目与相关研究的下限值，是引起干磨、振动的首要因素，干磨、振动造成了顶轴油泵的配流盘与回程盘碎裂；因重力自流压力所限，顶轴油泵的进口过滤器精度远低于常规设计值与计算值，进一步缩短了顶轴油泵的使用寿命。系统设计上必须考虑足够的进油压力，同时满足进口过滤器精度的要求，应该避免直接选用泵制造商提供的最低进口压力作为进口压力设计值，并给出了方案建议。

关键词：顶轴油泵；斜盘式轴向柱塞泵；故障；汽蚀；进油压力；过滤器精度；前置泵

0 引言

汽轮机是现代火力发电机组中的三大核心设备之一，其转子在额定转速运行时，轴颈与轴承之间可以建立良好的润滑油膜，但在低速运行时，由于转子自身重量大，轴承比压高，无法建立稳定的油膜，特别是大型汽轮机发电机组，为防止低速碾瓦，设计上应考虑足够能力的顶轴油系统向顶轴油囊提供高压油，以便在轴径和轴瓦之间形成静压油膜，实现“静压升举，动压运转”的工作模式^[1]。因此，顶轴油系统对汽轮机组安全启停起有关键作用。以往与顶轴油系统有关的文献多涉及顶轴油泵排压不足、顶轴油系统调试或低速碾瓦等，文章重点从顶轴油泵进油压力、汽蚀与进口过滤器精度的角度对顶轴油泵的损坏进行分析。

1 系统介绍

某660MW超临界火电机组，汽轮机为N660-24.2/566/566超临界、一次中间再热、三缸四排汽、双背压凝汽式机组，高中压转子两端的1#、2#径向轴承选用LEG型（前缘带进油槽的可倾瓦轴承），未设顶轴油接口；其余3#~6#径向轴承采用可倾瓦轴承，均设有顶轴油接口。顶轴油系统由汽轮机厂家成套提供。顶轴油装置集成在一个公共底盘上，配有2×100%顶轴油泵（斜盘式轴向柱塞泵），进口切断球阀，进口双联过滤器（滤芯精度80um），出口高压板式过滤器（滤芯精度10um），出口单向阀及就地电控箱、仪表板等。根据系统设计，顶轴油泵从主油箱重力自流进油，油箱液位距顶轴油泵进口管路中心3.5m，扣除进口管路、阀门以及进口过滤器等阻力降后，顶轴油泵进口压力为0.019MPaG。顶轴油系统流程示意见图1，顶轴油泵参数见表1。

图1 顶轴油系统示意图

表1 顶轴油泵参数

机组调试初期到168小时性能考核的半年时间里，顶轴油泵先后损坏3台，所出现的故障现象基本相同，即油泵噪音异常、振动大、油压波动，最终排压不足。将泵拆解后发现配流盘与回程盘碎裂，滑靴磨损、变形，斜盘受损严重，麻点明显，其余各机械接触面磨损痕迹明显，部分柱塞出现缸内卡涩（图2、图3）。

图2 损坏的回程盘、柱塞与滑靴

图3 斜盘受损情况

2 原因分析

斜盘式轴向柱塞泵兼具往复泵与容积式转子泵的特性。虽然往复泵具有良好的吸入性能，但进油压力不足同样会引发往复泵汽蚀，这是因为进油压力不足时，往复泵缸体内部的液柱将出现瞬时、微小的分离，液柱分离会令内件干磨，空隙处出现溶解气体的释放或泵送液体的汽化，产生汽泡，伴随汽泡在高压区溃灭，产生噪声和强烈高频振动，发生汽蚀。理论分析：在汽蚀开始发生的一定时间内，往复泵内部组件并未立刻损坏，但已存在干磨，出口压力表现只是波动，随着汽蚀时间延长，柱塞、滑靴与回程盘等内件会因持续高频振动而疲劳损坏。

2.1 API674对往复泵NPIP的要求

汽蚀问题的关键在于净正吸入压力（Net Positive Inlet Pressure，简称NPIP），即泵吸入口处单位质量液体超出液体汽化压力的富余能量。为了确保往复泵在正常运行时不发生汽蚀，有效净正吸入压力（简称NPIPa）应大于必需净正吸入压力（简称NPIPr）。这是工艺系统的设计准则。人们习惯上重视离心泵的汽蚀问题并为此进行了大量、深入的研究，而往复泵的汽蚀问题往往被忽略。API674-2014《容积式泵-往复式》（以下简称“API674”）指出：“往复泵NPIPa的计算必须包括系统加速度压头的影响，即NPIPa的计算中需要增加一项加速度压头，用来防止在每次吸入冲程时，泵内和吸入管路内的液柱发生分离”。这是因为柱塞在整个往复行程过程中是非等速运动的，每个吸入行程，其吸入管路系统中的液柱总是由静止逐渐被加速，加速液柱所消耗的这部分压头被称为“加速度头损失ha”，加速度头损失是往复泵NPIPa的计算中比离心泵多出的一部分损失，而且加速度头损失通常要比同一管路内摩擦阻力损失的总和大十几到几十倍^[2]。

API674给出了往复泵加速度头损失的计算公式，见式（1）：

式中

ha —— 往复泵吸入管道加速度损失，m；

L — 往复泵吸入管道直线长度，m；

V — 往复泵吸入管道内流速，m/s；

n — 往复泵转速，rpm；

C — 泵型系数；取值按文献^[17]；

K — 液体校正系数，取值按文献^[17]；

g — 重力加速度，取9.81m/s²。

按式（1）计算，顶轴油吸入管路加速度损失达到89.7kPa，是吸入管路系统摩擦阻力损失（表2计算结果为16.5kPa）的5.4倍。

根据API674附录G计算得NPIPa为27.5kPa，根据NPIPa计算值，初步判断顶轴油泵尚未发生汽蚀。理论计算过程与结果见表2：

表2 NPIPa计算表       单位：kPa

2.2 顶轴油泵进油压力

国内不同规模火电机组顶轴油泵的进油参数汇总于表3，可以看出，东方汽轮机有限公司（以下简称东汽）125MW~600MW[13]机组的顶轴油系统设有两条进油管路（见图4），一条来自冷油器出口母管，另一条取自主油箱作为备用，备用管路专门设有前置泵增压，前置泵出口压力0.2MPaG，与冷油器出口母管压力基本相同；哈尔滨汽轮机厂有限责任公司（以下简称哈汽）350MW[3]以及ALSTOM 600MW[4]机组的顶轴油泵从润滑油母管取油，上汽300MW与600MW级机组的顶轴油泵吸油来自润滑油供油母管冷油器后^[5~7]，顶轴油泵进油压力都在0.2MPaG左右。

图4 东汽125~600MW机组顶轴油系统图

表3 顶轴油系统参数汇总

BDO（Butanediol的缩写，1, 4-丁二醇）项目中的BYD进料泵为3柱塞或5柱塞的高压往复泵，为了避免发生汽蚀故障，国外的泵制造商会在高压往复泵上游设置前置泵，使往复泵的进口压力从0.1MPaG（工艺专利商条件）增加到0.2MPaG，确保高压往复泵的进口压力比液体的汽化压力高得多，即NPIPa有足够的安全裕量。提高前置泵扬程所增加的费用仅约为主泵价格的二百分之一，这是最为经济可靠的技术措施^[8]。文献^[9]通过数值仿真计算指出：上死点低压腔压力应不低于0.2MPaG，以确保柱塞腔压力不会降至没有物理意义的负压。文献^[10]通过数值研究表明：输送海水介质的轴向柱塞泵，在入口压力为0MPaG时，其柱塞腔内的空化程度最为严重，当入口压力增加至0.1MPaG时，柱塞腔内的空化程度与作用时间均显著降低；文献^[11]指出闭式液压系统的实际应用中为了保证充分吸油，均配有补油泵，工况变化补油压力即入口压力也会变化，并通过模型计算发现，随着轴向柱塞泵入口压力的增加，斜盘绕三坐标力矩减小，噪声降低，增加入口压力有利于减弱斜盘的机械振动。

可见，适当增加柱塞泵的吸入口压力可以避免有害汽蚀，有利于降低机械振动，延长柱塞泵的使用寿命。

2.3 过滤器精度

斜盘式轴向柱塞泵典型的机械接触面有柱塞与缸体孔、柱塞与滑靴、滑靴与斜盘、配流盘与缸体配流端面共4对（见图5），较多的机械接触面决定了该类型泵对输送介质中的颗粒度敏感。因而，进口过滤器的精度会直接影响斜盘式轴向柱塞泵的使用寿命。

图5 斜盘式轴向柱塞泵典型机械接触面

表3中进口过滤器的精度为20~25um，与文献^[12]的要求基本一致。根据多年实践经验与研究，缸体与柱塞的配合间隙取柱塞直径的1.3‰~1.5‰^[13]，案例项目顶轴油泵的柱塞直径为25mm，配合间隙计算值为32.5um~37.5um，计算得出进口过滤器滤芯精度应不低于32um。案例项目顶轴油依靠重力自流进油，由于油箱静液柱只有3.5m，32um过滤器阻力降太大，顶轴油装置厂家只得选配80um过滤器，80um精度远低于常规设计值与计算值，造成各机械接触面磨损加速。根据文献^[14]，哈汽与三菱联合设计制造的1250MW级核电机组，顶轴油泵为容积式叶片泵，取油来自润滑油母管，进口过滤器精度12um，当顶轴油泵进口压力低于98kPaG时，联锁跳闸，在容积式叶片泵具备良好的自吸能力的情况下，哈汽与三菱设计上依然从润滑油母管取油，既可确保进油压力裕度，又能提高进口过滤器精度，提升顶轴油的清洁度等级，从而有利于降低磨损、延长顶轴油泵使用寿命。

3 结论与建议

（1）根据NPIPa计算结果判断，顶轴油泵尚未发生汽蚀，但是顶轴油泵进油压力明显低于调研项目与相关研究的下限值，是引起干磨、振动的首要因素，而配流盘与回程盘碎裂是持续干磨、振动的结果。斜盘式轴向柱塞泵兼具往复泵与容积式转子泵的特性，其结构、性能方面与常规径向柱塞泵存在一定差异，严格讲并不适用API674。因此，NPIPa的理论计算结果仅作为参考。

（2）进口过滤器设计精度值不合理是导致顶轴油泵故障损坏的另一个重要因素。斜盘式轴向柱塞泵摩擦副多，柱塞、滑靴等内件受力复杂，易损件多，对输送介质的颗粒度敏感，其进口过滤器精度会直接影响斜盘式轴向柱塞泵的使用寿命。过滤器精度受制于进油压力，为了保证过滤器精度达到25um，进油压力应留有裕度。受重力自流进油压力所限，顶轴油装置厂家选配的进口过滤器精度80um，精度远低于常规设计值与计算值。

（3）基于斜盘式轴向柱塞泵固有的结构、性能特点，系统设计上必须考虑足够的进油压力，并同时满足进口过滤器精度的要求。顶轴油泵的样本中一般都提供了很宽的进口压力范围（如最低0.08MPaA，最高1.6MPaA），应避免直接选用泵制造商提供的最低进口压力作为进口压力设计值。最为便捷可靠的解决方案是将顶轴油泵的进油接口从主油箱处移至润滑油供油母管（润滑油过滤器后），将润滑油泵充当顶轴油泵的“前置泵”。

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