低壓透平油調(diào)節(jié)系統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)異常分析與建議

唐家毅，李立威，潘登洪，王 毅

（1.重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司；2.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122）

引言

甩負(fù)荷試驗(yàn)是檢驗(yàn)火力發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的重要試驗(yàn)，也是防止汽輪機(jī)超速事故的措施之一。該試驗(yàn)不僅考核發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，還可以檢驗(yàn)各配套輔機(jī)及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)甩負(fù)荷工況的適應(yīng)性[1]。汽輪機(jī)組投產(chǎn)前，需進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)，機(jī)組甩負(fù)荷后，最高飛升轉(zhuǎn)速不應(yīng)使危急保安器動(dòng)作，電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)能迅速穩(wěn)定，并能有效地控制機(jī)組空負(fù)荷運(yùn)行[2]。

汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)供油裝置的壓力和油品的不同，可分為低壓透平油和高壓抗燃油兩種。高壓抗燃油電調(diào)系統(tǒng)由于具有提高油動(dòng)機(jī)提升力和調(diào)節(jié)精確度以及靈活切換汽輪機(jī)進(jìn)汽方式等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍逐步從大型汽輪發(fā)電機(jī)組向中小型汽輪發(fā)電機(jī)組延伸[3-4]，使得低壓透平油電調(diào)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用受到一定的影響。近年來(lái)低壓透平油電調(diào)系統(tǒng)隨著DDV型電液伺服閥控制精度極大提高，控制精度達(dá)到1%，完全滿足汽機(jī)控制要求，同時(shí)采用常規(guī)的透平油液壓油源，不需另外配置油源站，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、維護(hù)量少等優(yōu)點(diǎn)，非電力行業(yè)自備電廠中小型機(jī)組中仍采用低壓透平油調(diào)節(jié)系統(tǒng)[5]。

本文以某鋼鐵企業(yè)自備電廠采用低壓透平油調(diào)節(jié)系統(tǒng)的小型汽輪發(fā)電機(jī)組為基礎(chǔ)，對(duì)該機(jī)組進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，針對(duì)高負(fù)荷工況甩負(fù)荷跳機(jī)的異常進(jìn)行了分析。

1 機(jī)組及油系統(tǒng)概述

該汽輪機(jī)為高溫高壓高轉(zhuǎn)速凝汽式汽輪機(jī)，無(wú)中間抽汽，額定進(jìn)汽壓力8.83 MPa（a）、額定進(jìn)汽溫度535 ℃，機(jī)組功率36 MW，汽輪機(jī)蒸汽來(lái)源為前端生產(chǎn)工藝設(shè)置的高溫高壓余熱鍋爐。

該汽機(jī)采用低壓透平油調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖1所示，該調(diào)節(jié)系統(tǒng)油源來(lái)自經(jīng)過(guò)進(jìn)一步過(guò)濾后的潤(rùn)滑油，通過(guò)速關(guān)組件等相關(guān)設(shè)備，控制汽機(jī)速關(guān)閥1只和調(diào)節(jié)汽閥1只。

圖1 低壓透平油調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖

低壓透平油調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的油一般分為潤(rùn)滑油、壓力油（也稱一次油）、二次油（也稱控制油、調(diào)速油）、啟動(dòng)油和速關(guān)油。汽機(jī)主油泵出口油路分兩路，一路為壓力油，壓力較高；另外一路降壓后為潤(rùn)滑油。二次油為壓力油通過(guò)電液轉(zhuǎn)換器后建立，用于控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度進(jìn)而調(diào)節(jié)汽機(jī)轉(zhuǎn)速或功率。啟動(dòng)油為壓力油通過(guò)啟動(dòng)油換向閥建立，用于啟動(dòng)速關(guān)閥前預(yù)先建立啟動(dòng)油壓。速關(guān)油為壓力油通過(guò)危急遮斷保安裝置及速關(guān)油換向閥建立，用于初始開(kāi)啟速關(guān)閥，緊急情況下卸掉速關(guān)油從而迅速關(guān)閉速關(guān)閥停機(jī)，是汽輪機(jī)安保用油。

2 甩負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)程

機(jī)組在完成單機(jī)試運(yùn)和分系統(tǒng)試運(yùn)后進(jìn)入整套啟動(dòng)試運(yùn)階段，在完成相關(guān)試驗(yàn)后進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)，甩負(fù)荷試驗(yàn)采用25%、50%、75%、100%負(fù)荷的步驟進(jìn)行。

試驗(yàn)過(guò)程中，25%甩負(fù)荷試驗(yàn)一次成功；50%甩負(fù)荷試驗(yàn)第1次速關(guān)閥關(guān)閉，機(jī)組跳機(jī)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理，50%負(fù)荷甩負(fù)荷試驗(yàn)第2次成功；之后進(jìn)行2次75%負(fù)荷甩負(fù)荷試驗(yàn)均失敗。

3 異常分析

針對(duì)50%負(fù)荷、75%負(fù)荷甩負(fù)荷異常，初步分析是甩負(fù)荷瞬間速關(guān)油壓力低于切斷油壓，造成速關(guān)閥關(guān)閉從而導(dǎo)致跳機(jī)，造成此現(xiàn)象的原因可能如下：

（1）甩負(fù)荷瞬間跳機(jī)電信號(hào)輸出，停機(jī)電磁閥動(dòng)作卸油，速關(guān)閥關(guān)閉跳機(jī)；

（2）速關(guān)閥、危急遮斷滑閥或者插裝閥的彈簧剛度過(guò)大，切斷油壓較高，速關(guān)油壓下降合理的情況下，因彈簧剛度過(guò)高造成油壓和彈簧失衡，速關(guān)閥關(guān)閉跳機(jī)；

（3）甩負(fù)荷瞬間，油系統(tǒng)蓄能器供油不足導(dǎo)致油系統(tǒng)壓力下降過(guò)大，速關(guān)閥關(guān)閉跳機(jī)。

3.1 停機(jī)電磁閥動(dòng)作引起插裝閥卸油分析

停機(jī)電磁閥動(dòng)作是引起插裝卸油閥動(dòng)作卸油最常見(jiàn)的原因，首先應(yīng)判斷在甩負(fù)荷瞬間，停機(jī)電磁閥是否收到停機(jī)電信號(hào)而動(dòng)作，泄放速關(guān)油導(dǎo)致跳機(jī)。

為了判斷是否發(fā)生停機(jī)電磁閥動(dòng)作，試驗(yàn)過(guò)程中專門(mén)進(jìn)行了一次將所有停機(jī)聯(lián)鎖電信號(hào)解列的甩負(fù)荷試驗(yàn)（做好相應(yīng)安保措施的前提下），停機(jī)首出信號(hào)是發(fā)電機(jī)低頻跳機(jī)，可以認(rèn)定該次甩負(fù)荷失敗非由停機(jī)電磁閥動(dòng)作引起。

同時(shí)在75%甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，停機(jī)首出信號(hào)是油壓過(guò)低，根據(jù)目前DEH系統(tǒng)的特點(diǎn)：一是掃描周期在1 ms；二是DEH可以不受掃描周期的影響鎖定首出信號(hào)，可以認(rèn)定該次試驗(yàn)異常也非由停機(jī)電磁閥動(dòng)作引起。

從以上兩次試驗(yàn)可斷定甩負(fù)荷異常跳機(jī)不是由于停機(jī)電磁閥動(dòng)作引起，因此可進(jìn)一步推斷得出甩負(fù)荷異常不是由各種停機(jī)電信號(hào)聯(lián)鎖機(jī)組停機(jī)引起。

3.2 調(diào)節(jié)油系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備構(gòu)件分析

從調(diào)節(jié)油系統(tǒng)圖分析，可卸放速關(guān)油，導(dǎo)致油壓瞬間下降的，只有3個(gè)設(shè)備構(gòu)件，一是速關(guān)組合件內(nèi)插裝卸油閥；二是速關(guān)閥本身；三是危急保安器的危急遮斷滑閥。前文分析已知非停機(jī)電磁閥動(dòng)作卸油，則應(yīng)該是在速關(guān)閥、危急遮斷滑閥及插裝卸油閥內(nèi)彈簧部件的彈簧力與甩負(fù)荷試驗(yàn)瞬間油壓降低，導(dǎo)致失衡造成的。

經(jīng)查閱汽機(jī)說(shuō)明書(shū)，速關(guān)閥、危急遮斷滑閥以及插裝閥的彈簧部件設(shè)計(jì)動(dòng)作壓力約0.30 MPa，動(dòng)作原理都是基于彈簧與油壓的平衡。

甩負(fù)荷試驗(yàn)中，現(xiàn)場(chǎng)人員曾觀察到在速關(guān)油油壓相對(duì)較高時(shí)，危急遮斷滑閥已開(kāi)始動(dòng)作（卸油）的情況，說(shuō)明速關(guān)油壓力已經(jīng)無(wú)法平衡速關(guān)閥、危急遮斷滑閥以及插裝閥中一個(gè)或者幾個(gè)彈簧部件的彈簧力。該情況可發(fā)現(xiàn)危急遮斷滑閥處卸油，但不能判斷是危急遮斷滑閥最先動(dòng)作卸油，還是速關(guān)閥或者插裝卸油閥先于危急遮斷滑閥動(dòng)作，因?yàn)樗訇P(guān)閥或者插裝卸油閥動(dòng)作后也會(huì)引發(fā)試驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象。

同時(shí)，在速關(guān)閥動(dòng)作試驗(yàn)中，實(shí)測(cè)速關(guān)閥動(dòng)作油壓為0.45 MPa，比設(shè)計(jì)值0.3 MPa高出0.15 MPa，有較大偏差，意味著速關(guān)閥關(guān)閉油壓比設(shè)計(jì)值要高，因此在甩負(fù)荷試驗(yàn)瞬間，油壓相對(duì)較高時(shí)出現(xiàn)跳機(jī)現(xiàn)象是完全可能的。危急遮斷滑閥及插裝閥具體的動(dòng)作值在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法實(shí)測(cè)，是否有偏差需返廠取得相應(yīng)數(shù)據(jù)。

根據(jù)汽機(jī)說(shuō)明書(shū)，調(diào)節(jié)油壓下降至0.65 MPa時(shí)，啟動(dòng)輔助油泵，可以認(rèn)為甩負(fù)荷階段油壓下降值最低不能低于0.65 MPa。由于實(shí)測(cè)速關(guān)閥動(dòng)作油壓比設(shè)計(jì)值大幅增大，因此油壓和彈簧平衡的安全壓差值從0.35 MPa下降為0.2 MPa，意味著速關(guān)油壓可降幅度縮小，再加之甩負(fù)荷過(guò)程油壓為瞬間波動(dòng)狀態(tài)，不是油壓緩慢下降狀態(tài)，則要求速關(guān)油壓可降幅比理論計(jì)算值更小。

因此，速關(guān)閥（危急遮斷滑閥或插裝閥）彈簧動(dòng)作壓力偏離設(shè)計(jì)值可認(rèn)為是引起甩負(fù)荷異常的原因之一。

3.3 調(diào)節(jié)油系統(tǒng)蓄能器選型分析

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，考量工況變化導(dǎo)致的用油量變化將引起系統(tǒng)油壓波動(dòng)，因此在油管路上裝設(shè)蓄能器。蓄能器的作用是當(dāng)管路上某些原因造成油壓突然下降，對(duì)油壓進(jìn)行補(bǔ)充，消除機(jī)組非正常停機(jī)事故?！镀啓C(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能驗(yàn)收導(dǎo)則》（DL/T824）中明確指出，蓄壓（能）器應(yīng)有足夠的容量和充油壓力，以使在機(jī)組甩負(fù)荷的同時(shí)主油泵故障停止供油時(shí)，仍能維持系統(tǒng)液體壓力，保證系統(tǒng)正常工作[6]。

蓄能器的壓縮和膨脹過(guò)程遵循氣體狀態(tài)多變的規(guī)律，因此蓄能器體積可通過(guò)下式計(jì)算。

式中：P0——蓄能器氣囊預(yù)充壓力;

V0——?dú)饽矣行怏w容積;

P1——液壓系統(tǒng)最低工作壓力;

V1——?dú)饽以赑1時(shí)的氣體容積;

P2——液壓系統(tǒng)最高工作壓力;

V2——?dú)饽以赑2時(shí)的氣體容積;

n——多變指數(shù)，蓄能器工作時(shí)，氣囊快速膨脹或者壓縮，該過(guò)程近似于絕熱狀態(tài)變化，因此多變指數(shù)n=k=1.4（適用于雙原子氣體的氮?dú)猓?/p>

根據(jù)汽機(jī)說(shuō)明書(shū)，可知P0=0.56 MPa（絕壓）、P2=0.86 MPa（絕壓）、100%甩負(fù)荷時(shí)△V=7.85 L，V0=72 L(該機(jī)組蓄能器公稱容積為80 L，因蓄能器達(dá)到最低工作壓力時(shí)膠囊外和油閥之間應(yīng)保留少量油液，約為蓄能器公稱容積的10%，因此有效容積為0.9×蓄能器公稱容積)。

經(jīng)計(jì)算，100%甩負(fù)荷工況，系統(tǒng)最低油壓P1=0.69 MPa，說(shuō)明100%甩負(fù)荷時(shí)油壓和彈簧之間的壓力差值只有0.24 MPa，低于設(shè)計(jì)值0.35 MPa，P1=0.69 MPa已接近油壓低聯(lián)鎖油泵啟泵值0.65 MPa，基于以上兩點(diǎn)可確認(rèn)，在彈簧剛度改變的情況下，現(xiàn)有蓄能器無(wú)法提供100%甩負(fù)荷時(shí)所需要保證的最低油壓。

而在50%甩負(fù)荷工況，經(jīng)計(jì)算P1=0.76 MPa，油壓和彈簧之間的差值為0.31 MPa，低于設(shè)計(jì)值(約0.5 MPa)，這樣的臨界差值比較符合50%甩負(fù)荷試驗(yàn)不是100%通過(guò)的情況。

根據(jù)DL/T824中要求：在異常工況下，一般要求系統(tǒng)液體壓力的降低值不大于正常工作壓力的5%[6]。根據(jù)該要求，則P1=0.95×P2=0.817 MPa（絕壓），按100%甩負(fù)荷計(jì)算，則V0=290 L?，F(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況，增加了1支150 L的蓄能器，加上現(xiàn)有80 L蓄能器，可計(jì)算得P1=0.80 MPa，此值離規(guī)范要求的0.817 MPa只有極小差距，但油壓和彈簧之間的實(shí)際差值已達(dá)到0.35 MPa，滿足主機(jī)廠關(guān)于最低油壓和彈簧之間壓差的設(shè)計(jì)值，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的100%甩負(fù)荷試驗(yàn)均成功。

值得說(shuō)明的是，甩負(fù)荷瞬間調(diào)節(jié)閥從100%開(kāi)度關(guān)閉至零位的時(shí)間≤0.3 s，根據(jù)△V=7.85 L，可知甩負(fù)荷瞬間調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)用油量最大達(dá)到27.2 L/s，但是單支蓄能器的最大排放流量為15～20 L/s，遠(yuǎn)小于調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)瞬間最大用油量27.2 L/s。同時(shí)蓄能器排放流量隨著壓力降低而減小，此系統(tǒng)為低壓系統(tǒng)，實(shí)際正常排放流量比最大排放流量要小，單支蓄能器明顯不能滿足瞬間大量用油的需求。

而50%負(fù)荷開(kāi)度關(guān)閉至零，調(diào)節(jié)閥油動(dòng)機(jī)用油量最大達(dá)到13.6 L/s，接近蓄能器排放流量限值的臨界值，故一定程度可以解釋50%甩負(fù)荷試驗(yàn)不是每次成功。

綜上所述，不管從蓄能器容積，還是從蓄能器最大排放流量，增加1支蓄能器形成蓄能器組對(duì)于解決該機(jī)組50%以上甩負(fù)荷異常問(wèn)題是有利的。

4 結(jié)論

(1)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要密切關(guān)注油壓和彈簧的平衡，甩負(fù)荷異?？蓮膬烧咧g在甩負(fù)荷工況時(shí)是否平衡進(jìn)行分析。

(2)調(diào)節(jié)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備彈簧構(gòu)件的加工，特別是彈簧剛度必須滿足設(shè)計(jì)要求，主機(jī)廠應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)關(guān)鍵構(gòu)件的質(zhì)檢工作。

(3)蓄能器的選型除考慮有效氣體容積外，還應(yīng)著重考慮蓄能器的最大排放流量，應(yīng)以蓄能器組的方式解決油動(dòng)機(jī)瞬間大量用油情況，同時(shí)通過(guò)蓄能器的適當(dāng)放大，減少系統(tǒng)油壓在異常工況下的下降幅度，以滿足規(guī)范中在異常情況下對(duì)油壓降低值的要求。