汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（華電國(guó)際十里泉發(fā)電廠，山東 棗莊 277100）

0 引言

國(guó)內(nèi)大部分火電機(jī)組受自身因素的限制，在電網(wǎng)出現(xiàn)事故時(shí)，不能及時(shí)降低負(fù)荷，滿足自身廠用電的需求，常常面臨全廠大停電或中斷廠用電的危險(xiǎn)。對(duì)于大型火電廠來說，全廠大停電是災(zāi)難性的事故。發(fā)生全廠大停電事故時(shí)，威脅最大的系統(tǒng)是汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)，一旦潤(rùn)滑油壓力低或者中斷，常常引起汽輪發(fā)電機(jī)組軸承斷油燒瓦等事故，因此提高汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的可靠性，保障機(jī)組在惡劣條件下安全停機(jī)十分必要［1-4］。

為提高汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的可靠性，確保在最惡劣的工況下能夠提供汽輪發(fā)電機(jī)組軸瓦潤(rùn)滑，設(shè)計(jì)了一種汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)，即將汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵的出油管路接至交流備用潤(rùn)滑油泵出口管路，利用高輔蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵，潤(rùn)滑油增壓后并入原來的供油管路，為汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)供油，確保汽輪發(fā)電機(jī)組在現(xiàn)有潤(rùn)滑油系統(tǒng)故障情況下能夠?yàn)檩S承潤(rùn)滑，保障機(jī)組事故狀態(tài)下安全停機(jī)［5］。

1 汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)采用小汽輪機(jī)拖動(dòng)潤(rùn)滑油泵實(shí)現(xiàn)對(duì)潤(rùn)滑油系統(tǒng)供油，如圖1 所示，蒸汽由高低輔聯(lián)箱聯(lián)絡(luò)母管引出，經(jīng)隔離閥至自啟式主汽門、汽輪機(jī)汽閥總成后進(jìn)入汽缸，經(jīng)噴嘴組、沖動(dòng)葉輪做功后，排向汽機(jī)房外部大氣，在汽閥總成和汽缸里面的蒸汽疏水經(jīng)疏水母管排入地溝，汽封漏汽經(jīng)過汽封抽氣器后直接排入外部大氣，圖中的藍(lán)色實(shí)線代表蒸汽管路，V-1 至V-6 代表該管路上的閥門，綠色虛線代表熱力系統(tǒng)的疏水，V-7 至V-16 代表該疏水部分管路上的閥門，直接排入地溝，藍(lán)色虛線代表做完功的蒸汽和汽封漏汽，直接排入機(jī)房外部。

圖1 汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)

汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)潤(rùn)滑油泵的進(jìn)油由交流備用潤(rùn)滑油泵的入口經(jīng)過閥門V-17 引入，為了方便檢修、調(diào)壓和油泵再循環(huán)，設(shè)置了V-18 出口再循環(huán)門，潤(rùn)滑油經(jīng)過汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵、閥門V-19、V-20 進(jìn)入交流備用潤(rùn)滑油泵出口管道向潤(rùn)滑油系統(tǒng)供油，其油路管道如圖1 的黃色實(shí)線所示。

1.2 汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵選型

機(jī)組原潤(rùn)滑油系統(tǒng)的交流潤(rùn)滑油泵采用離心泵，泵的流量為162 m3／h，揚(yáng)程為29 m，轉(zhuǎn)速為2 950 r／min，進(jìn)口壓力為0.04 MPa，出口壓力為0.285 MPa，配置的電機(jī)功率為30 kW，電流為56.9 A，電壓為380 V，轉(zhuǎn)速為2 950 r／min。為保證潤(rùn)滑油系統(tǒng)對(duì)于潤(rùn)滑油油量的需求，選擇的潤(rùn)滑油泵流量為162 m3／h，揚(yáng)程計(jì)算如式（1）所示［6］。

式中：H 為泵的揚(yáng)程，m；Z1、Z2分別為泵的入口和出口高度，m；P1、P2分別為泵的入口和出口潤(rùn)滑油壓力，Pa；γ 為潤(rùn)滑油的容重，kN／m3；v1、v2分別為泵的入口和出口潤(rùn)滑油平均流速，m／s；g 為重力加速度，m／s2。

根據(jù)式（1）可知，新增潤(rùn)滑油管道和交流油泵潤(rùn)滑油管道直徑相同，直接并入原潤(rùn)滑油系統(tǒng)，保證潤(rùn)滑油泵的揚(yáng)程，即能夠基本維持了潤(rùn)滑油泵的出口壓力，因此選擇潤(rùn)滑油泵的揚(yáng)程為30 m，能夠滿足潤(rùn)滑油系統(tǒng)用戶對(duì)于潤(rùn)滑油壓力的需求。

離心泵的有效功率Ne計(jì)算公式如式（2）所示［6］，為保證潤(rùn)滑油的有效出力，選擇和原交流潤(rùn)滑油泵電機(jī)相同的功率，即選擇30 kW 的功率。根據(jù)軸承功率原理，在考慮到小汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速影響，可以選擇提高轉(zhuǎn)矩，降低比原電機(jī)轉(zhuǎn)速低的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)出力，綜合考慮目前市場(chǎng)的產(chǎn)品，選擇潤(rùn)滑油泵額定轉(zhuǎn)速為1 450 r／min，小汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 500 r／min，詳細(xì)所選設(shè)備參數(shù)如表1 所示。

式中：Ne為有效功率，kW；Q 為泵流量，m3／s；γ 為流體的容重，kN／m3，H 為泵的揚(yáng)程，m。

表1 汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

1.3 小汽輪機(jī)選型

汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)的小汽輪機(jī)的型號(hào)及參數(shù)見表1，主要由汽缸、主軸、葉輪、軸承、汽封、汽閥、調(diào)速器等部分組成，具有結(jié)構(gòu)輕巧、啟動(dòng)速度快、安全可靠好、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。小汽輪機(jī)汽缸由上、下兩部分組成，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子和葉輪葉片組成，它們分別固定在前、后軸承座上，轉(zhuǎn)子的前部分裝有轉(zhuǎn)速發(fā)訊輪用來測(cè)量轉(zhuǎn)速，并通過轉(zhuǎn)速傳感器觸頭轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，而小汽輪機(jī)功率通過蒸汽室上的手動(dòng)閥來調(diào)整噴嘴數(shù)來控制小汽輪機(jī)的做功。其徑向軸承采用甩油環(huán)采油的非強(qiáng)迫潤(rùn)滑方式，滾子軸承的潤(rùn)滑油來自前徑向軸承的回油。汽封系統(tǒng)由各自擁有5副碳精汽封環(huán)前、后汽封組成。

1.4 小汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

小汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要是通過調(diào)速器、汽閥總成和調(diào)節(jié)汽閥連桿等組件來調(diào)節(jié)小汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速或負(fù)荷。調(diào)速器位于前軸承座端蓋上，其主要作用是將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角位移，改變調(diào)節(jié)汽閥開度以改變蒸汽流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)速給定值通過給定旋鈕來調(diào)整的。該小汽輪機(jī)為Woodward TG-17 型調(diào)速器，采用機(jī)械—液壓轉(zhuǎn)速有差調(diào)節(jié)，為提高小汽輪機(jī)的穩(wěn)定性，設(shè)置了如式（3）所示的降速率Δv，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況的需求，選擇降速率Δv 為6%。

式中：Δv 為降速率，%；v0為空載轉(zhuǎn)速，r／min；vT為額定轉(zhuǎn)速，r／min。

速關(guān)汽門作為汽閥總成的組成部分之一，主要用于緊急停機(jī)，當(dāng)汽輪機(jī)發(fā)生超速時(shí)，可以通過飛錘撞擊危急遮斷器控制，也可以手動(dòng)觸動(dòng)危急遮斷器，進(jìn)而直接關(guān)閉速關(guān)閥而緊急停機(jī)。

1.5 小汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)

為有效保護(hù)小汽輪機(jī)系統(tǒng)的安全，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用雙機(jī)熱備用PLC 控制的方式，其保護(hù)邏輯如圖2 所示，通過西門子PLC S7-200 控制模塊，不僅在就地控制柜盤面上顯示前軸承座油溫、前軸承座油溫和轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還設(shè)置了跳閘保護(hù)投切和復(fù)位指示燈，并配有操作按鈕，能夠?qū)D(zhuǎn)速高和軸瓦溫度高進(jìn)行報(bào)警和顯示，對(duì)轉(zhuǎn)速和軸瓦溫度設(shè)置保護(hù)整定值，在跳閘保護(hù)投入時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過1 650 r／min或前軸瓦溫度與后軸瓦溫度任一值超過112 ℃時(shí)，發(fā)出保護(hù)跳閘報(bào)警，該指示燈亮，同時(shí)自動(dòng)跳閘速關(guān)汽門的電磁閥而停機(jī)，還設(shè)置了緊急停機(jī)輸入信號(hào)，直接跳閘電磁閥，快速關(guān)閉速關(guān)汽門，對(duì)小汽輪機(jī)起到保護(hù)作用［7-9］。

圖2 保護(hù)系統(tǒng)邏輯

2 汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)運(yùn)行

2.1 汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)投運(yùn)條件

汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)投運(yùn)前，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，確保危急遮斷裝置和超速保護(hù)工作正常，速關(guān)汽門、調(diào)節(jié)汽門動(dòng)作正常和關(guān)閉嚴(yán)密，檢測(cè)裝置如進(jìn)汽壓力表、溫度表、排汽真空表、潤(rùn)滑油壓表和轉(zhuǎn)速表工作正常，軸承油箱油位不低于1／3油窗。

2.2 汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)投運(yùn)

當(dāng)汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)滿足投運(yùn)條件以后，首先開啟機(jī)組輔汽至汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵進(jìn)汽手動(dòng)門，打開小汽輪機(jī)本體和管道的所有疏水閥門進(jìn)行暖管疏水，疏水完畢后斷開汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵進(jìn)汽氣動(dòng)門電源，氣動(dòng)門開啟，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行小汽輪機(jī)的掛閘操作。掛閘成功后，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)主汽門手輪，控制小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速在500～600 r／min，進(jìn)行15～20 min 的低速暖機(jī)，暖機(jī)過程中可以逐步關(guān)閉管道疏水閥門。暖機(jī)結(jié)束后，檢查機(jī)組工作正常后，以300 r／min 的速率，逐步全開主汽門，并將轉(zhuǎn)速升至1 500 r／min 左右。

2.3 汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)停運(yùn)

汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)正常停機(jī)時(shí)，手動(dòng)脫扣危急遮斷器，主汽門快速關(guān)閉，同時(shí)關(guān)閉排汽管上的閘閥和排汽管上的隔離閥，打開所有的疏水閥門。在小汽輪機(jī)運(yùn)行過程中，如果發(fā)生轉(zhuǎn)速超過1 680 r／min時(shí)而危急遮斷器不動(dòng)作、機(jī)組發(fā)生劇烈振動(dòng)、機(jī)組內(nèi)部有明顯撞擊聲、調(diào)速器大幅度晃動(dòng)、油系統(tǒng)失火等情況時(shí)，汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)需要緊急停機(jī)，手動(dòng)脫扣危急遮斷器，使主汽門快速關(guān)閉而停機(jī)。

3 汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)該系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和潤(rùn)滑油系統(tǒng)進(jìn)行安裝調(diào)試，其現(xiàn)場(chǎng)安裝效果如圖3 所示。該系統(tǒng)配備有汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制柜控制柜有前后軸承溫度和軸承油溫LCS 顯示屏，設(shè)有電源指示、保護(hù)跳閘指示、超速報(bào)警、軸瓦溫度高報(bào)警、超速停機(jī)和軸瓦溫度高停機(jī)指示燈，同時(shí)設(shè)置了保護(hù)投切、緊急停機(jī)和復(fù)位按鈕，便于現(xiàn)場(chǎng)操作。

為檢驗(yàn)汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝質(zhì)量，了解設(shè)備運(yùn)行特性，以便保證該系統(tǒng)在事故狀態(tài)下的安全穩(wěn)定投運(yùn)，滿足機(jī)組在轉(zhuǎn)子惰走期間對(duì)潤(rùn)滑油的需求，保障機(jī)組安全停機(jī)，需要進(jìn)行系統(tǒng)投運(yùn)前的相關(guān)調(diào)試［10-11］。

圖3 汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)裝置

調(diào)試汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)前，需要對(duì)機(jī)組高、低輔聯(lián)絡(luò)管至汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵小機(jī)主汽門前的管路進(jìn)行吹掃，吹管前汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵進(jìn)汽管道需要與小汽輪機(jī)隔離，汽源由6 號(hào)機(jī)組高、低輔汽聯(lián)箱聯(lián)絡(luò)管汽源提供，控制輔汽壓力不低于0.7 MPa，每次吹掃5～8 min，每次吹掃后，熱力管道自然降溫至環(huán)境溫度，隨后再進(jìn)行吹掃，如此反復(fù)進(jìn)行3～5 次便完成吹管工作。

為保障汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)的安全，需要進(jìn)行汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵小汽輪機(jī)超速試驗(yàn)，對(duì)小汽輪進(jìn)項(xiàng)暖管，并在轉(zhuǎn)速在500～600 r／min 低速暖機(jī)15～20 min正常以后，以300 r／min 的速率升速至1 680 r／min，危急遮斷器飛錘飛出，小汽輪機(jī)跳閘，試驗(yàn)合格后，再進(jìn)行1～2 次試驗(yàn)即可完成超速試驗(yàn)。當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速超過1 680 r／min 以上時(shí)，危急遮斷器不動(dòng)作，則需手動(dòng)緊急停機(jī)。

在小汽輪機(jī)機(jī)械超速試驗(yàn)合格以后，需要進(jìn)行小汽輪機(jī)電源控制的啟動(dòng)和潤(rùn)滑油壓力的調(diào)試，手動(dòng)控制就地柜電源開關(guān)，通過對(duì)系統(tǒng)人為斷電，查看系統(tǒng)的啟動(dòng)情況及運(yùn)行情況，觀察記錄系統(tǒng)運(yùn)行過程中設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，系統(tǒng)調(diào)試正常后，手動(dòng)控制就地柜內(nèi)的電源開關(guān)，氣動(dòng)速開閥關(guān)閉，系統(tǒng)停機(jī)。

汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)調(diào)試期間系統(tǒng)的潤(rùn)滑油壓力變化和原系統(tǒng)正常運(yùn)行期間的變化，如圖4 所示。由于機(jī)組目前處于備用狀態(tài)，查看該機(jī)組之前正常運(yùn)行期間的歷史數(shù)據(jù)，基本維持在0.15 MPa 左右，本次調(diào)試后，系統(tǒng)潤(rùn)滑油壓力維持在0.13 MPa左右，符合機(jī)組對(duì)潤(rùn)滑油壓力不低于0.09 MPa 的要求，相對(duì)于原潤(rùn)滑油系統(tǒng)的主油泵和交流備用潤(rùn)滑油泵來說，略有油壓的波動(dòng)，主要因素是該調(diào)速系統(tǒng)屬于寬范圍調(diào)節(jié)，0.01 MPa 范圍內(nèi)的波動(dòng)在合理范圍內(nèi)，對(duì)于整個(gè)機(jī)組的潤(rùn)滑油系統(tǒng)影響較小。

圖4 試驗(yàn)期間潤(rùn)滑油壓力變化

根據(jù)汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)調(diào)試情況，結(jié)合對(duì)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)一步完善操作規(guī)范和對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)。汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵小汽輪機(jī)每次大修后、危急保安器解體或者調(diào)整以后以及停機(jī)一個(gè)月后再啟動(dòng)時(shí)，均需做超速試驗(yàn)。正常運(yùn)行中應(yīng)按規(guī)定每月定期做汽動(dòng)事故油泵啟停試驗(yàn)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速維持1 500 r／min 左右、進(jìn)汽壓力0.5～0.98 MPa、軸承溫度不大于75 ℃。汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵屬于純機(jī)械式，無遠(yuǎn)方控制，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)汽速關(guān)閥全開，機(jī)組異常時(shí)進(jìn)汽氣動(dòng)門失電后直接開啟沖轉(zhuǎn)汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵，需停止時(shí)，就地手動(dòng)脫扣。

4 結(jié)語

為提高汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)在惡劣工況下的安全性，防止因汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)故障造成斷油燒瓦惡性事故的發(fā)生，設(shè)計(jì)了一種汽動(dòng)事故潤(rùn)滑油泵系統(tǒng)，在保留原潤(rùn)滑油系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過高輔蒸汽來驅(qū)動(dòng)小汽輪機(jī)帶動(dòng)潤(rùn)滑油泵運(yùn)行，保障汽輪發(fā)電機(jī)組在惰走期間的潤(rùn)滑油供應(yīng)，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證明該系統(tǒng)滿足汽輪機(jī)在緊急停機(jī)過程中對(duì)潤(rùn)滑油的要求，能夠有效保障機(jī)組在事故狀態(tài)下安全平穩(wěn)的停運(yùn)。