蓄能器在大型汽輪機(jī)組潤滑油系統(tǒng)中的應(yīng)用及試驗分析

王秋寶 郭艷妮

摘要：介紹了主流的大型汽輪機(jī)組潤滑油系統(tǒng)的設(shè)計特點(diǎn)，介紹了蓄能器在潤滑油系統(tǒng)中的應(yīng)用，并通過試驗分析對大型汽輪機(jī)組潤滑油系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行驗證，避免跳機(jī)風(fēng)險，具有重要的工程應(yīng)用參考價值。

關(guān)鍵詞：蓄能器;潤滑油系統(tǒng);試驗分析

中圖分類號：TM311? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??? 文章編號：2096-6903（2021）08-0000-00

0 引言

潤滑油系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對大型汽輪機(jī)組的安全至關(guān)重要。目前主流的大型汽輪機(jī)組多采用同軸主油泵或雙電泵方式供油，前者多配套用于早期的汽輪機(jī)組，后者隨著近年配電技術(shù)的不斷完善和機(jī)組大型化需求的發(fā)展而逐漸成為主流，這些機(jī)組國內(nèi)主要由東汽、上汽和哈汽三大動力供貨，在事故工況下保證供油壓力穩(wěn)定的措施因各家采用的技術(shù)方案不同也有差異。本文介紹這三種技術(shù)方案的設(shè)計特點(diǎn)以及蓄能器的應(yīng)用，并通過試驗分析的方法對大型汽輪機(jī)組潤滑油系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行驗證，提升運(yùn)行穩(wěn)定性，避免跳機(jī)風(fēng)險，具有重要的工程應(yīng)用參考價值。

1潤滑油系統(tǒng)的設(shè)計特點(diǎn)

雙電泵潤滑油系統(tǒng)主要由交流潤滑油泵（兩臺，一用一備）、直流潤滑油泵、雙聯(lián)冷油器、雙聯(lián)過濾器、回油濾網(wǎng)、油箱、蓄能器、壓力閥、儀表、附件等組成。其中，電動機(jī)的安全性是保證雙電泵潤滑油系統(tǒng)安全運(yùn)行的最重要因素，除此之外，還在于配置與控制邏輯、控制柜的設(shè)置、電網(wǎng)的穩(wěn)定性、運(yùn)行維護(hù)等外部因素。任何時候當(dāng)發(fā)生故障需要進(jìn)行油泵切換時，都應(yīng)該保證在規(guī)定的時間內(nèi)供給軸承的潤滑油不會因壓力波動大而造成機(jī)組的停機(jī)動作。

東汽典型的單軸聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)組的潤滑油系統(tǒng)采用三臺電動油泵與蓄能器相結(jié)合并輔助壓力調(diào)節(jié)閥的技術(shù)方案。交流潤滑油泵出口壓力0.54MPa，直流潤滑油泵出口壓力0.265MPa，直流潤滑油泵流量為交流潤滑油泵的75%，潤滑油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速選擇1500 r.min。經(jīng)過冷油器、過濾器后的潤滑油被旁路壓力調(diào)節(jié)閥調(diào)整到0.15MPa再進(jìn)入機(jī)組對各軸承進(jìn)行潤滑。潤滑油蓄能器被安排在交流油泵的出口管路上，以滿足油泵的切換運(yùn)行要求。壓力控制測點(diǎn)設(shè)置在壓力調(diào)節(jié)閥后，壓力下降到0.1MPa時聯(lián)鎖啟動備用交流潤滑油泵，壓力持續(xù)下降到0.08MPa時聯(lián)鎖啟動直流潤滑油泵并機(jī)組跳機(jī)。

上汽廠超超臨界600～1200MW汽輪機(jī)組潤滑油系統(tǒng)設(shè)置兩臺100%容量的電動交流潤滑油泵，和一臺100%容量的直流潤滑油泵，潤滑油泵均采用快速啟動式，在額定電壓下的啟動時間低于1 s。交流潤滑油泵出口壓力0.55MPa，直流潤滑油泵出口壓力0.25MPa，油泵自身的供油壓力有較大的冗余（至少比軸承最高所需供油壓力高0.1MPa）。在交流潤滑油泵出口和供油母管上各設(shè)置一個壓力開關(guān)，當(dāng)其中任意一個觸發(fā)告警時直接聯(lián)鎖備用交流潤滑油泵，并伴隨啟動直流潤滑油泵;供油母管上的另一個稍低壓力設(shè)定的壓力開關(guān)告警時直接聯(lián)鎖啟動直流潤滑油泵;供油母管上還設(shè)置3取2保護(hù)邏輯的壓力變送器，用于供油壓力低告警時主機(jī)跳機(jī)，但此信號設(shè)置了延時3 s發(fā)訊。

哈汽廠早期的大型汽輪機(jī)組潤滑油系統(tǒng)需要同時供給密封油，除了兩交流和一直流的潤滑油泵之外，還配有一臺直流密封事故油泵。潤滑油系統(tǒng)中，交流油泵出口壓力為0.9MPa，密封油從交流油泵出口直接引出，其余油液經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)閥減壓到0.25MPa后供給軸承潤滑用。近些年，對潤滑油系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，將密封油系統(tǒng)從潤滑油系統(tǒng)中剝離出來單獨(dú)設(shè)計，降低交流潤滑油泵出口壓力至0.55MPa，取消直流密封事故油泵，在直流事故油泵出口管路上設(shè)置蓄能器，并采用快速啟動油泵。壓力控制測點(diǎn)設(shè)置在汽輪機(jī)運(yùn)行平臺上，當(dāng)壓力下降到0.07MPa時聯(lián)鎖另一交流油泵啟動;壓力下降到0.05MPa時聯(lián)鎖直流潤滑油泵啟動并機(jī)組跳機(jī)。

2蓄能器的應(yīng)用

無論是電氣或非電氣原因，當(dāng)運(yùn)行潤滑油泵故障停運(yùn)、備用潤滑油泵聯(lián)鎖啟動時，潤滑油壓均是先下降后上升的過程，直到備用油泵運(yùn)行正常供油壓力達(dá)到穩(wěn)定。為了保證切換時油壓穩(wěn)定，通常從減緩壓力下降速率、提高油泵快速建壓能力和縮短備泵投入時間三方面進(jìn)行考慮。

（1）潤滑油壓下降是由軸瓦間隙泄油產(chǎn)生的固有特性，只能通過方案進(jìn)行延緩。在潤滑油系統(tǒng)中設(shè)置合適的蓄能器，通過蓄能器輔助動力源的作用，為輔助油泵爭取寶貴的啟動時間，防止汽輪機(jī)跳機(jī)，是使用最廣的方案。此外，采用提高油泵出口壓力的方案，也是可行的方法之一。

（2）減小油泵和電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量是提高油泵快速啟動的最優(yōu)辦法。采用低轉(zhuǎn)速泵也可以提高泵的啟動時間，從而實現(xiàn)快速建壓。將油泵止回閥設(shè)置在油箱運(yùn)行油面以下并預(yù)留排氣小孔，備用泵啟動前就排凈備用泵管路中空氣從而提高備用泵建壓速度。

（3）提高備用泵壓力切換點(diǎn)壓力值，將壓力開關(guān)故障信號采用電氣回路硬聯(lián)鎖方式，都可以縮短備用泵的投入時間。

潤滑油系統(tǒng)中蓄能器一般布置在過濾器后供油管路上，多采用氣囊式蓄能器。市場廠能夠直接匹配潤滑油工作壓力的氣囊式蓄能器較少，國外公司能夠提供一種公稱壓力1.6MPa的低壓皮囊式蓄能器，但受于安全認(rèn)證和價格等方面因素的影響，在大型汽輪機(jī)組潤滑油系統(tǒng)中的應(yīng)用業(yè)績很少。國內(nèi)市場上潤滑油系統(tǒng)多采用國家標(biāo)準(zhǔn)的公稱壓力為10MPa的NXQ型囊式蓄能器。所需蓄能器的容積按照絕熱狀態(tài)蓄能器作為輔助動力源的容積公式計算，放油量的多少可以通過多個標(biāo)準(zhǔn)容積的蓄能器并聯(lián)實現(xiàn)調(diào)節(jié)，簡單方便。

國家能源局2014年下發(fā)的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點(diǎn)要求》中提出：應(yīng)配置或設(shè)計足夠容量的潤滑油儲能器，一旦潤滑油泵及系統(tǒng)發(fā)生故障，儲能器能夠保證機(jī)組安全停機(jī)，未設(shè)計安裝潤滑油儲能器的機(jī)組，應(yīng)補(bǔ)設(shè)并在機(jī)組大修期間完成安裝或沖洗，具備投運(yùn)條件。

因此，設(shè)置蓄能器是大型汽輪機(jī)組潤滑油系統(tǒng)故障保障的最有效措施，不僅僅適用于新建機(jī)組，更適用于改造機(jī)組。

3 試驗分析

受潤滑油系統(tǒng)制造商試驗條件和設(shè)計院對系統(tǒng)試驗驗證理解等方面的限制，當(dāng)前很少有項目將潤滑油系統(tǒng)事故時油泵切換過程中壓力的變化作為產(chǎn)品出廠驗收條件的規(guī)定。往往都是潤滑油系統(tǒng)在現(xiàn)場安裝后運(yùn)行期間，模擬或真正故障切泵時才會暴露出壓力過低、無法切泵等問題，嚴(yán)重者會造成經(jīng)濟(jì)損失。因此，對于大型汽輪機(jī)組而言，在工廠內(nèi)進(jìn)行模擬試驗就尤為重要。

潤滑油系統(tǒng)單臺油泵典型的油壓下降和上升曲線見圖1示例。曲線1為常規(guī)機(jī)組普通的油壓下降曲線，曲線2是通過減緩壓力下降速率優(yōu)化后的油壓下降曲線，曲線3是常規(guī)機(jī)組普通的油壓上升曲線，曲線4是通過提高油泵快速建壓能力優(yōu)化后的油壓上升曲線。授權(quán)公告號CN110848147B的專利中提供了一種離心油泵快速切換的模擬測試方法，通過測試模擬離心油泵切換過程中離心油泵的啟動曲線和停止曲線，找到二者交點(diǎn)作為疊加壓力最低值，將模擬壓力最低值與疊加壓力最低值進(jìn)行比較驗證，從而模擬軸承的工作狀態(tài)。通過這種方法，很容易在工廠內(nèi)對事故工況時油泵切換過程進(jìn)行模擬測試，得出需要的壓力變化曲線和切換過程中的壓力最低值。從圖2可以看出，優(yōu)化的油壓下降曲線2和優(yōu)化的油壓上升曲線4的交點(diǎn)C壓力值最高，是最優(yōu)的方案。通過縮短備用泵投入時間可以將曲線4沿時間軸前移，可以得到更優(yōu)的最低壓力值。

哈汽廠某1000MW機(jī)組工程油站采用的是雙電泵潤滑油系統(tǒng)，設(shè)置蓄能器并安裝在供油母管出口管路上，潤滑油系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

潤滑油系統(tǒng)在制造廠進(jìn)行油泵切換模擬試驗，模擬試驗數(shù)據(jù)曲線見圖2。由圖2（a）和圖2（b）波形曲線對比可以看出，交流油泵出口壓力下降斜率和下降到的最低值基本相當(dāng);供油母管出口壓力波動存在較大差異，未帶蓄能器的供油母管出口壓力波動較大，帶蓄能器的供油母管出口壓力波動較小，前者切換時壓力下降到的最低值是0.168MPa（1.68bar），后者切換過程中壓力下降到的最低值是0.231MPa（2.31bar）。因此，蓄能器對供油母管油壓的異常波動有明顯的緩解作用，可以控制供油母管油壓基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全。

4存在的風(fēng)險

氣囊式蓄能器的應(yīng)用，依靠的是氣囊內(nèi)穩(wěn)定的氣壓和氣量，氣體壓力的變化和氣量的變化都會對放油量產(chǎn)生影響，造成放油量的減少。常見的風(fēng)險有：

（1）氣側(cè)氣壓過低，主要是由于漏氣引起氣量減少導(dǎo)致。

（2）氣側(cè)氣壓過高，主要是充氣不規(guī)范、壓力過高導(dǎo)致的。

氣囊式蓄能器氣側(cè)壓力需要定期檢查，且必須在油源不工作的情況下單獨(dú)進(jìn)行。為此，潤滑油系統(tǒng)設(shè)計時就需要在單個蓄能器進(jìn)油側(cè)設(shè)置隔離閥，并在隔離閥與蓄能器進(jìn)口之間設(shè)置放油閥。氣體檢查時，需要先切斷隔離閥，之后打開放油閥放凈蓄能器內(nèi)的油液后再進(jìn)行。

5 結(jié)語

無論是新建機(jī)組，還是改造機(jī)組，均能通過設(shè)置蓄能器實現(xiàn)事故時油泵切換過程中的軸承供油壓的穩(wěn)定，避免跳機(jī)風(fēng)險。并可以通過在工廠的試驗對事故工況下供油壓力的變化進(jìn)行模擬，對大型汽輪機(jī)組潤滑油系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行驗證，提前預(yù)判風(fēng)險，具有重要的工程應(yīng)用參考價值。

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收稿日期：2021-07-01

作者簡介：王秋寶（1983—），男，陜西寶雞人，本科，工程師，從事汽輪機(jī)、燃機(jī)、電動機(jī)等大型轉(zhuǎn)軸類設(shè)備的潤滑油系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計工作。

Application and Test Analysis of Accumulator in Lubricating Oil System of Large Steam Turbine Unit

WANG Qiubao， GUO Yanni

（Jiangsu Jianghai Lubrication &Hydraulic Equipment Co.，Ltd.，QidongJiangsu 226200）

Abstract： This paper introduces the design characteristics of the mainstream lube oil system of large steam turbine units， introduces the application of accumulator in the lube oil system， and verifies the reliability of the lube oil system of large steam turbine units through experimental analysis to avoid the risk of tripping， which has important engineering application reference value.

Keywords： accumulator; lube oil system; test analysis