汽轮机顶轴油泵跳泵问题研究与处理

 汽轮机顶轴油泵跳泵问题研究与处理

苏达秋 旷庆 李晓辉

中广核核电运营有限公司

摘 要  国内某电站在机组停机打闸后，顶轴油泵启动并出口压力出现大幅波动，造成其中一台顶轴油泵触发出口油压低跳泵信号，连续两次跳泵。通过对历史数据、系统设备布置、运行参数等分析，得出造成顶轴油压力波动跳泵的根本原因为泵吸入压头不足，造成油泵汽蚀。通过改进泵吸入口孔板通径、调整油箱负压等措施，提高了泵吸入压头，经多次试验验证，压力波动现象消失，问题得到彻底解决。

关键词  顶轴油泵 压力波动 跳泵 负压 节流孔板

1.顶轴油系统（GGR）简介

 顶轴油系统(GGR)是汽轮机发电机组重要的辅助系统，在汽轮发电机组启动、运行、停机的全过程中必须连续运行，是关系到汽轮机安全和连续运行的关键性系统。顶轴油泵是润滑油系统的关键设备之一，其作用是在机组启动、停机过程中，向汽轮发电机转子支持轴承提供高压润滑油，顶起汽轮发电机转子，主动建立油膜，从而减小摩擦和降低盘车装置的启动转矩；另一个功能向辅助盘车提供动力油，拨动汽轮发电机转子缓慢旋转。辅助盘车主要是在安装阶段时用于转子对中；或者在停机阶段盘动转子，防止转子发生永久性弯曲。

该电站设置了2台100%容量的顶轴油泵，泵的型号为A11V0190DRS，设计流量为242L/min，带负荷敏感反馈恒压变量柱塞泵。在机组启机和停机过程中，两台顶轴油泵同时启动，为汽轮机轴系提供280bar的顶轴油。根据油泵启动建压逻辑，启动后180s后泵出口压力低于200bar则触发跳泵保护。

顶轴油泵入口油源来自两个位置：1）润滑油油箱经隔离阀后进入顶轴油泵泵组的吸入口；2）润滑油泵出口母管经节流孔板后进入顶轴油泵组的吸入口，如图1所示。

图1 顶轴油泵现场布置示意图

2.故障描述

国内某核电站在机组下行解列前提前启动GGR顶轴油泵。启动A列顶轴油泵，期间监测到A列顶轴油泵出口压力出现波动并触发跳泵（两次），后经讨论决策，更换此泵的出口调压阀。调压阀完成更换后重新启动，压力波动仍存在，经讨论决策，同时启动两台顶轴油泵并保持双泵运行11min，波动有所减小，停运两台GGR顶轴油泵。

机组打闸后两台顶轴油泵同时启动并均出现泵出口压力大幅波动，监测到B列顶轴油泵泵出口压力最低152bar，并在多次大幅波动后跳泵；重新启动后仍存在大幅波动并触发跳泵信号跳泵。第三次启动B列顶轴油泵后，波动现象仍存在，但幅度和频率大幅降低。

图2 顶轴油出口压力波动曲线

3.原因分析

在机组盘车状态下，润滑油泵启动，两台顶轴油启动，测量节流孔板后侧的压力为84.3KPa，由于孔板后侧的测点距离顶轴油泵泵组入口还有一定距离，顶轴油泵泵组吸入口压力要低于84.3KPa，而根据油泵设计手册，泵吸入压头需≥0.8bar（绝对压力）。因此可以确定，造成顶轴油泵出口压力波动的根本原因是泵吸入压头不足，油泵汽蚀。

查询该机组的历史启停机数据，顶轴油泵出口压力历史上即存在波动，但波动幅值和频率与此次故障现象不匹配，因此，需进一步研究造成此次跳泵故障的影响因素。

3.1顶轴油泵入口节流孔板影响分析

根据ERP机型顶轴油系统设计要求，顶轴油泵组入口节流孔板通径设计应满足在孔板前后压差1.5bar时，流量需满足242L/min的要求。现场拆卸测量孔板通径为φ14.9mm，根据节流孔板流量计算公式：

式中——

  ：孔板流量，cc/s；

  ：孔板流量常数，选0.6

 ：节流孔板孔径  cm

 ：孔板前后压差 bar；

 ：润滑油密度 取0.865 kg/L

计算通径为15mm的孔板在1.5bar压差时实际流量为116L/min，与设计流量242L/min差距甚远。

核算在节流孔板前后压差为1.5bar状态下通过孔板的流量达到242 L/min时节流板孔的通径应为φ21.4 mm。当前节流孔板通径无法满足系统设计流量的要求。

3.2油箱负压影响分析

为促进汽轮发电机轴系上的润滑油回油，避免汽轮机轴承甩油，与轴系相通的润滑油系统主油箱会调整至负压状态。而顶轴油泵油源之一是汽轮机润滑油系统主油箱，主油箱负压直接影响顶轴油泵吸入压头。机组历史打闸前后负压变化见图3。

从数据分析，润滑油系统主油箱负压一直低于设计标准（-0.25KPa~-0.5KPa）且在此次跳泵时（第三轮大修）负压已严重偏离运行标准。

图3 润滑油油箱负压变化图

对现场各点进行高度测量，见图4。机组103大修1500rpm打闸，顶轴油跳泵故障发生时，主油箱真实液位为1418mm，根据压强计算公式：

式中——：液体各部位的压强，pa；

        ：液体介质的密度，kg/m³，取865kg/m³

    ：常数，取9.8N/kg；

h：液位高度，m；

由于主油箱液位顶部为-4.87KPa，根据液位高度差计算出打闸时顶轴油泵的油箱吸入口A点压力为-8.15mbar，即，在打闸时，A点的油压处于负压状态。

图4 顶轴油系统各部位高度示意图

同时，在盘车状态下测量C点压力为84.3KPaKpa，根据伯努利方程：

根据图4，由于＜，且由于B点是吸入口，流速VB≥VC；可以确定PB＜PC=84.3KPa

3.3润滑油母管压力提升影响分析

102大修启机阶段提升GGR润滑油母管压力，润滑油母管压力从1.9bar提升至2.1bar。表3为调整前后汽轮发电机组轴系流量变化统计表。从表中可以看出，提升润滑油油压后，各轴瓦流量增加明显。

表3为调整前后汽轮发电机组轴系流量变化统计表

按照运行期间GGR主油箱油液容积为95.04m³，计算压力调整前油箱循环倍率：512.3÷95.04=5.39次/h，压力调整后油箱循环倍率=626.98:÷95.04=6.59次/h，调整后油箱循环倍率增加，系统回油在油箱中停留时间缩短。

润滑油在运行过程中，进入轴瓦完成润滑冷却后，少量气体会溶解到润滑油中并被带入到润滑油主油箱。所以润滑油主油箱在结构设计上回油区与油泵取油区会增设隔板以增长油液在油箱内的停留时间，以达到气体充分释放排出的目的，但润滑油母管油压提升后，循环倍率提升将缩短油液在油箱内停留的时间，进而导致油液内气体含量增加。同时，结合表3，润滑油母管压力提升后，单位时间的润滑油流量增加，在气体溶解度不变的前提下，单位时间带入到润滑油中的气体增加。

为更直观的体现油液中气泡的形成，简化的气泡生长模型分析：①油中气泡为2个；②气泡每次相遇均为有效碰撞，可克服表面张力合并为大气泡；③气泡之间的距离远大于气泡的直径；④其中1个气泡静止，另1个气泡往各方向运动的概率相等 ，如图4所示：

图5 气泡生长模型

由于L远大于R，则a≈sina≈tana=R/L（当a很小时，可近似认为a≈sina≈tana），任何2个相邻气泡相遇的概率为 ：                 

G=2a/2π=R/（πL）

式中，L为2个气泡之间的距离；R为气泡的半径；a为气泡边缘与其中心点连线之间的夹角。

由于润滑油油压提升，润滑油含汽量增加，式中L减小，气泡形成概率提升。而油液中气体的增加最直接的影响是进入到泵吸入口，造成油泵吸空、汽蚀。

3.4影响因素综合分析

 结合以上三点影响因素及系统设计参数要求，可以作以下判断：

 （1）顶轴油泵出口流量=入口流量

 （2）1500rpm带载平台和打闸期间顶轴油流量远大于辅助盘车运行时顶轴油流量且应该是接近系统设计流量242L/min。

根据流量连续性公式：

Q泵入口=Q孔板+Q油箱

由于孔板后侧流量无法满足泵吸入需求，需要增大油箱侧吸入量，但是由于负压增加，油箱侧吸入困难增加，同时叠加油液气泡析出影响，油泵吸入口流量将进一步降低，流量与压力等同，即在满负荷状态下，泵吸入口压力会比辅助盘车状态下低，油泵吸入压头不足，同时，压力降低造成气泡析出，柱塞泵吸空汽蚀。

因此，造成顶轴油泵出口压力波动的根本原因是泵吸入压头不足，油泵汽蚀。

由于节流孔板通流能力不足，造成顶轴油泵吸入口形成负压，顶轴油泵吸空汽蚀，泵出口压力出现波动，因此，节流孔板通流能力不足是造成顶轴油泵出口压力波动的诱因之一。

润滑油压提升使系统润滑油流量增大，导致单位时间混入润滑油内气体增加，而循环倍率提升导致油液在润滑油油箱停留时间缩短，不利于气体有效析出，造成润滑油含气量增加是造成顶轴油泵油压波动的诱因之一；

油箱负压增加导致在第三轮大修停机打闸时顶轴油泵油箱侧吸入口形成负压，造成顶轴油泵吸入压头减小，也是造成顶轴油泵压力波动的诱因之一。

4.处理措施

结合上述原因分析，要解决油泵跳泵缺陷就要改变油泵吸入压力不足，气泡积聚问题，结合伯努利方程：

提高泵入口压力的最直接方法是提高节流孔板后侧压力Pc；而节流孔板压力损失与节流孔板通径为反比关系，同时流量与孔板通径的平方为正比关系，压力增加可以减少孔板后侧的气泡析出（变大）。即扩大节流孔板孔径可以提升孔板后侧压力和流量，可以有效解决顶轴油泵吸入压头不足的缺陷。

  同时，油箱负压减小也有助于提高泵的吸入压头，但是考虑负压降低不利于油箱内气体析出，只能作为辅助调整手段。

结合系统设计孔板流量满足≥242L/min的要求，计算出节流孔板孔径需扩大至φ23.68mm。现场按照此方案实施后，顶轴油泵油压波动现象消失，问题得到彻底解决。

5.结束语

针对顶轴油泵出口压力波动问题，结合历史运行数据，深入分析了顶轴油入口节流孔板孔径、油箱负压及润滑油母管压力提升的相互影响，并最终确定了造成顶轴油跳泵的根本原因为顶轴油泵吸入压头不足，油泵汽蚀，通过扩大节流孔板通径，增大了泵入口压力，彻底解决了机组打闸期间顶轴油泵跳泵问题，提高了机组的安全稳定性。在此过程中消除了孔板通径偏小的原始制造问题安装和油箱负压超出运行规范的潜在缺陷。