基于節(jié)流孔板的單注油器汽輪機(jī)油系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 孟

（洛陽中重發(fā)電設(shè)備有限責(zé)任公司，洛陽 471003）

汽輪機(jī)的供油系統(tǒng)是汽輪機(jī)主要系統(tǒng)之一，也是關(guān)系到汽輪機(jī)安全和無事故運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)。在機(jī)組運(yùn)行中,即使短暫中斷供油，也會(huì)造成嚴(yán)重的設(shè)備事故，因此要求供油系統(tǒng)務(wù)必做到安全可靠而又經(jīng)濟(jì)實(shí)用[1]。對(duì)于小功率汽輪機(jī)，它主要包括調(diào)節(jié)、保安和潤滑三個(gè)供油系統(tǒng)。其中，潤滑油系統(tǒng)主要向汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和盤車裝置供應(yīng)潤滑油，保證其潤滑和冷卻。軸承進(jìn)口油壓要求0.08～0.12MPa，油壓對(duì)軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)形成油膜至關(guān)重要，因而要求在汽輪機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)任何時(shí)刻保持油壓波動(dòng)在要求的范圍內(nèi)。

小功率汽輪機(jī)（6000kW以下）在正常運(yùn)行時(shí)一般由“軸頭主油泵+單注油器”模式供油，此結(jié)構(gòu)簡單、可靠、節(jié)能。為保證調(diào)節(jié)、保安系統(tǒng)和注油器噴射用油，故主油泵出口壓力比汽輪機(jī)潤滑油壓力要高得多，一般在0.9MPa左右，考慮機(jī)組在啟動(dòng)、暖機(jī)過程中主油泵無法迅速投入，故設(shè)置有啟動(dòng)油泵一臺(tái)，其壓力略低于主油泵壓力，在0.8MPa左右。出于對(duì)汽輪機(jī)組安全考慮，還分別配備了交、直流潤滑油泵作為備用，其出口壓力較低，約為0.25MPa。

1 項(xiàng)目背景

洛陽中重發(fā)電設(shè)備有限責(zé)任公司一臺(tái)N5-2.0凝汽式汽輪機(jī)在安裝調(diào)試中出現(xiàn)潤滑油壓不穩(wěn)定，當(dāng)啟動(dòng)油泵或者主油泵處于工作狀態(tài)時(shí)通過潤滑油壓調(diào)整閥維持潤滑油壓0.11MPa，但是在進(jìn)行潤滑泵連鎖試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)潤滑油壓僅有0.05MPa，需要人為重新調(diào)節(jié)潤滑油壓調(diào)整閥維持油壓正常。但是，在機(jī)組運(yùn)行中，正常、危急停機(jī)且啟動(dòng)油泵無法正常投入時(shí)，操作人員無法迅速到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整潤滑油壓，存在一定的安全隱患。

2 原因分析及優(yōu)化措施

2.1 原因分析

經(jīng)分析認(rèn)為，泵的出口壓力不匹配是主要原因，如圖1所示。主油泵及啟動(dòng)泵出口壓力為0.8～1.0MPa，而交、直流潤滑泵出口壓力均為0.255MPa。若機(jī)組啟動(dòng)初次按潤滑泵調(diào)節(jié)潤滑油壓，則切換至啟動(dòng)泵和主油泵時(shí)潤滑油壓偏高；若機(jī)組啟動(dòng)初次按啟動(dòng)泵調(diào)節(jié)潤滑油壓，在切換至潤滑泵后時(shí)潤滑油壓偏低。均需對(duì)潤滑油壓進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，可操作性差。

2.2 改進(jìn)措施

由于主油泵及啟動(dòng)泵出口壓力較潤滑泵出口壓力高得多，二者相互切換時(shí)不可避免油壓異常波動(dòng)，為不影響調(diào)節(jié)、保安系統(tǒng)工作油壓和注油器所需的高壓噴射油，現(xiàn)考慮在高壓油經(jīng)過注油器后增加降壓裝置，將高壓油從0.932MPa降至0.255MPa，如圖2所示。對(duì)幾種降壓方式綜合對(duì)比后，筆者認(rèn)為孔板結(jié)構(gòu)簡單可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，因而在此次系統(tǒng)優(yōu)化中采用孔板結(jié)構(gòu)。

圖1 汽輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)圖（優(yōu)化前）

圖2 汽輪機(jī)潤滑油系統(tǒng)圖（優(yōu)化后）

2.3 節(jié)流孔板設(shè)計(jì)

當(dāng)小孔的通流長度l與孔徑d之比l/d≤0.5時(shí)，稱為薄壁小孔，如圖3所示。當(dāng)液流經(jīng)過管道由小孔流出時(shí)，由于液體的慣性作用，通過小孔后的液流形成一個(gè)收縮端面C-C，然后再擴(kuò)散，這一收縮和擴(kuò)散過程產(chǎn)生很大的能量損失[2]。

圖3 通過薄壁小孔的液流

將圖3所示的1、2兩個(gè)截面用伯努利方程表示為：

取動(dòng)能修正系數(shù)α=1，z1=z2,，式（1）可改寫為：

hw為透平油流經(jīng)小孔的局部能量損失，它包含兩部分：截面突然縮小時(shí)的hw1，截面突然擴(kuò)大時(shí)的hw2。

式中，ξ為局部阻力系數(shù)。

由于dc遠(yuǎn)小于d2，所以Ac/A2≈0，則式（4）可改寫為：

圖3中A1=A2，由流體連續(xù)性方程可知：

將式（3）、式（5）、式（6）帶入式（2）可得：

經(jīng)過薄壁小孔的流量為：

式中，d為小孔直徑；Cc為截面收縮系數(shù)，Cc=Ac/A0；cd為流量系統(tǒng)，Cd=Cccv。

查閱汽輪機(jī)油系統(tǒng)資料得知：此汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組潤滑油系統(tǒng)需油量約為q=10.8m3/h，ΔP=0.677MPa，ρ=870kg/m3，cd取0.6，代入式（8）得d=12.7mm。

3 優(yōu)化方案驗(yàn)證

考慮孔板結(jié)構(gòu)直徑不可調(diào)節(jié)，若流量系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)數(shù)值選取與實(shí)際有偏離時(shí)，便于將孔板更換，故采用法蘭對(duì)夾結(jié)構(gòu)。采用此結(jié)構(gòu)原則上在不拆除管路的基礎(chǔ)上即可安裝、更換節(jié)流孔板。此方案經(jīng)過公司內(nèi)部評(píng)審后，于2017年8月將節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)發(fā)往N5-2.0電站調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)原潤滑油管道進(jìn)行局部該進(jìn)。在機(jī)組再次開機(jī)中，高、低壓油泵切換時(shí)未出現(xiàn)油壓波動(dòng)，油壓一直維持在0.091MPa，與設(shè)計(jì)要求一致，并且油溫也未出現(xiàn)異常波動(dòng)。此方案可以較好解決單注油器汽輪機(jī)高、低壓油泵切換中油壓不匹配問題。

4 結(jié)論

與節(jié)流閥或減壓閥等方式相比，此節(jié)流孔板結(jié)構(gòu)簡單、可靠、經(jīng)濟(jì)，具備很高的推廣價(jià)值。目前，此結(jié)構(gòu)已在洛陽中重發(fā)電設(shè)備有限責(zé)任公司類似汽輪機(jī)組中得以推廣，保證單注油器汽輪機(jī)高、低壓油泵切換中油壓穩(wěn)定，為汽輪機(jī)組連續(xù)、安全運(yùn)行提供了可靠的潤滑油壓。