水電站調速系統螺桿泵運行異常工況診斷與維護

段水航(中國長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川 宜賓 644612)

螺桿泵在水電站調速器液壓系統中應用廣泛，螺桿泵屬容積式轉子泵，它是依靠由螺桿和襯套形成的密封腔的容積變化來吸入和排出液體的。在水電站機組運行過程中，調速系統螺桿泵及其過濾器、閥組在機組運行過程中出現的一些異常工況，比如：泵體振動過大，噪音增大、軸承溫升過高、電機啟動電流增大等，會導致調速器液壓系統工況、工作條件的惡化，威脅到水輪發電機組的安全穩定運行[1-6]。

螺桿泵的突出特點是流量平穩、壓力脈動小、自吸能力強、噪聲低、效率高、壽命長、工作可靠；而其最大的優點是輸送介質時不形成渦流、對介質的黏度不敏感，可輸送較高黏度介質。因此研究、探討調速系統螺桿泵異常工況，并有針對性的分析處理，對水電站調速系統的安全穩定運行具有實際意義。

1 水電站調速系統螺桿泵運行簡介

依據螺桿泵的運行特點，水電站調速系統一般選擇螺桿泵作為輸油、加壓泵，通常會選擇輸油特性最穩定的三螺桿泵，圖1是調速系統三螺桿泵工作油路示意圖。三螺桿泵主要用于輸送不含固體顆粒、無腐蝕性的各種油類或者類似于油的潤滑油性液體。在三螺桿泵內具有3個轉動元件：一個主動螺桿和兩個從動螺桿是決定三螺桿泵性能特征的關鍵因素，三螺桿泵結構如圖2所示，包涵在襯套內的相互精密嚙合的主、從螺桿在空間形成2個相互封閉的密閉腔室。當主動螺桿轉動時，這些密閉腔室沿著主動螺桿軸線持續均勻地由泵吸入腔平動至排出腔，完成液體的吸入和排出，這種勻速軸向移動決定了三螺桿泵具有很好的吸入性能并且運行時脈動小、運轉平穩。

圖1 調速系統三螺桿泵工作油路示意圖

圖2 三螺桿泵結構示意圖

2 水電站調速系統三螺桿泵異常工況診斷與處理措施

2.1 三螺桿泵運行振動增大、噪聲異常

三螺桿泵運行振動增大、噪聲異常是泵在實際運轉過程中最為常見，也是最易被發現的異常工況，如果不能及時找出原因并加以處理，往往會引起油泵電機單元組的零件損壞，三螺桿泵運行振動、噪聲異常升高應引起水電站運行維護人員的足夠重視。

1)進口管道密封性能不良。如果三螺桿泵進口管道密封不好，三螺桿泵運轉時泵腔里面吸入空氣。輸送帶有空氣的油液，會造成螺桿泵泵體內汽蝕，首要表現即振動增大、噪聲異常。此時應檢查吸入管道法蘭密封和軸封，不允許空氣進入，檢查進口閥門是否漏入空氣或完全打開。

2)基礎安裝不牢固。有的用戶把三螺桿泵作為臨時輸送油液使用或移動后使用時，不固定三螺桿泵的地腳螺栓就投入使用，這種情況是螺桿泵振動大的原因之一，螺桿泵使用前一定要擰緊泵的地腳固定螺栓。

3)調速系統回油管路未插入油液內部。圖1中藍色回油管路如果未插入油液內部，回油沖入油箱后，會造成油箱內油液出現大量氣泡，帶有大量氣泡的油液被吸入螺桿泵泵體內，會造成螺桿泵運轉時振動過大，流量大、氣泡多時可導致軸承損壞、定轉子抱死等嚴重問題。回油管路須插入油液內部，距離回油箱底部20～30 cm為宜。

4)油泵、電機同軸度和同心度誤差大。電機與油泵一般由聯軸器聯接，因制造、安裝誤差，或泵運轉時間較長，以及輸送介質的性質、承載后的變形等影響，往往會造成油泵、電機不同心、不同軸，進而導致油泵振動值超標。此時應重新調整油泵、電機的同軸度、同心度，誤差控制在±0.05 mm以內。

5)螺桿泵安裝高程過高。通過對三螺桿泵系統的吸油特性和汽蝕余量分析，可判斷出螺桿泵的安裝高度和其吸油能力的匹配程度，如螺桿泵的安裝高程超過其吸油能力，泵在當前的高程運轉就會造成泵體內部汽蝕的產生，進而導致泵體內噪聲、振動的增大。為了避免螺桿泵汽蝕現象的發生，泵的安裝應在距離油箱液面一定高度范圍之內，具體高度值應依據螺桿泵工作特性曲線判定。

6)電機缺少潤滑油。三螺桿泵電機缺少潤滑油，會造成電機運轉時噪音過大，一般用專用黃油槍給電機加注潤滑油。

7)螺桿泵損壞。螺桿泵本體損壞，也會導致泵體內噪聲、振動的增大。

2.2 三螺桿泵運行時軸承溫升過高

機械行業標準JB/T8644-2007《單螺桿泵》中規定：軸承溫升不得超過環境溫度35℃，最高溫度不得超過80℃。調速系統三螺桿泵可參考使用，油泵軸承溫升試驗須每年做一次，以保證軸承良好的運轉工況。三螺桿泵運轉時軸承溫升過高的主要原因有：

1)三螺桿泵軸承內潤滑油(脂)量不足，加注潤滑油可解決。

2)三螺桿泵軸承損壞，常常是軸承發熱的普遍原因，如滾動軸承保持架損壞、鋼球壓碎內圈或外圈斷裂；滑動軸承的合金層剝落、掉塊等；如軸承處聲音異常、噪音明顯增大，應及時檢查軸承檢查并更換。

3)油泵、電機同軸度和同心度誤差增大也是導致軸承溫升過高的常見原因，電機、油泵運轉一段時間后，由于制造、安裝、運行等原因，導致軸承摩擦增大，溫升過高。此時重新調整油泵、電機的同軸度、同心度，誤差控制在±0.05 mm以內。

2.3 三螺桿泵啟動后電機電流過高

1)工作介質黏度較大，即實際黏度高于所選泵或設計泵的黏度值。不相匹配黏度的流體可能使橡膠溶脹，增加了定、轉子之間的過盈配合值，使扭矩和消耗功率增大。增大三螺桿泵電機功率并降低電機的轉速可解決工作介質黏度較大的問題。

2)出口管道壓力過高，超過了安全閥的全排壓力，而安全閥未動作。三螺桿泵運轉過程中如發現電機電流異常升高，應首先檢查泵出口壓力是否正常，并根據情況調整安全閥的全排壓力。

3)油泵、電機同軸度和同心度誤差增大也是導致螺桿泵電機電流過高的常見原因，此種情況應重新調整油泵、電機的同軸度、同心度，誤差控制在±0.05 mm以內。

2.4 三螺桿泵運行時輸油效率降低

1)進口管道被堵塞造成油泵進口流量變小，是導致三螺桿泵輸油效率降低的最主要原因，首先應檢查過濾器及吸入管路，排除堵塞問題。

2)有的用戶把螺桿泵的進口管道改小，由于吸入管路直徑太小跟不上出油流量導致三螺桿泵出現空轉的現象，應根據三螺桿的設計流量、工作特性曲線等修改進口管道直徑。

3)介質黏度較大、轉速太高也是三螺桿泵運行時輸油效率降低的原因之一，輸送介質黏度太大，而泵的轉速太高導致，螺桿泵轉子旋轉時，泵兩端存在一定的壓差，油液可迅速充滿空腔。如油液黏度較大，則流動性較差，吸入口的阻力較大，造成油液不能快速充滿空腔，泵的效率會急劇下降。針對黏度較大的介質，三螺桿泵選型初期就應該低轉速泵。

3 調速液壓系統三螺桿泵選型注意事項

針對油泵運行中的異常工況，油泵電機單元選型前，要充分了解其使用條件，除了要獲得準確的運行流量、壓力外，還要明確輸送介質的特性，比如介質的腐蝕性強度，是否有固溶物，以及固溶物的比率和固體顆粒的大小，同時工作介質的工作溫度、粘度、比重也是重點考慮的因素；除此之外，設計人員需要到使用現場充分調查并記錄油泵裝置的吸入條件、安裝條件等。根據多年的運維經驗，為避免三螺桿油泵運行異常工況，三螺桿泵選型時應注意以下幾點：

1)以螺桿泵的工作特性曲線為基礎進行調速系統三螺桿泵的選型。螺桿泵工作特性曲線是指導螺桿泵抽油的技術基礎，無論是選油泵、選電機、施工設計和使用管理都要以泵的特性曲線為基礎，泵的特性曲線主要包括：①容積效率曲線-壓力與排量的關系曲線；②機械效率曲線(即扭矩曲線)-壓力與轉子扭矩關系曲線；③總效率曲線(即系統效率曲線)-壓力與系統效率關系曲線。

泵工作特性曲線如圖3示，圖3中的中間區域為泵的最佳工作區域。泵在這一區域效率最高，而且使用壽命長。設計人員必須找出螺桿泵的最佳工作區域，推薦給制造商用戶，才能使螺桿泵得到合理的使用，減少故障，并延長泵的壽命。

圖3 三螺桿泵工作特性曲線圖

2)設計布置三螺桿泵進出口管道時，應合理選擇管道直徑和彎頭。進口管道直徑大，在相同流量下，油液流速度小，阻力損失小，但價格高，管道直徑小，會導致阻力損失急劇增大，使所選泵的揚程、功率增加，成本和運行費用都增加。管道布置應盡可能布置成直管，盡量減小管道中的附件和盡量縮小管道長度，必須轉彎的時候，彎頭的彎曲半徑應該是管道直徑的3～5倍，角度盡可能大于90℃。應從技術和經濟的角度綜合考慮三螺桿泵進出口管道和彎頭的布置。

3)泵出口側必須裝設逆止閥。逆止閥在液體倒流時可防止泵反轉，并使泵避免油擊的破壞，當壓力油倒流時，會產生巨大的反向壓力，單向閥可避免泵體損壞。

4)泵流量的確定。如果生產工藝中已給出最小流量、工作流量、最大流量，應按最大流量考慮。如果生產工藝中只給出工作流量，則三螺桿泵流量選擇時應考慮留一定余量。

5)輸送介質黏度和轉速的匹配。依據前述，如果輸送的介質黏度超標，而泵的轉速又比較高，會造成泵的效率急劇下降。針對黏度較大的介質，三螺桿泵選型初期就應該選低轉速泵。

6)調速系統回油管路設計。依據前述，調速系統回油管路設計時，回油管路須插入油液內部，距離回油箱底部20～30 cm為宜。以避免泵體汽蝕、軸承損壞、定轉子抱死等嚴重問題的發生。

4 結 語

三螺桿泵在水電站調速系統中的作用舉足輕重，而且零件一旦損壞，維護、更換成本較高。及時發現三螺桿泵運轉過程中存在的異常工況，是每一個水電站運行維護人員的重要任務。運行維護人員應考慮工作介質特性、腐蝕性、黏度、工作溫度以及泵的壓力、流量等因素，結合螺桿泵的工作特性曲線、吸入條件、布置條件，深入分析三螺桿泵異常工況的原因。需要時調整油泵、電機的同軸度、同心度，更換進口密封、進口閥門、單向閥等措施，消除一般的異常工況。經設計單位、廠家共同驗證，如有設計選型、制造、管道施工布置方面存在的問題，應及時停止泵的運行，并由生產管理部門提出技術改造方案并實施，避免對螺桿泵造成更大的損害。選型得當，維護合理，三螺桿泵就可長周期、不間斷的運轉。本文對水電站調速系統中的三螺桿泵的異常工況作了歸納、總結，希望能帶給水電站運行維護人員一點啟發，確保水電站調速系統三螺桿泵長壽命高效運行。