飽和蒸汽輪機飛車原因分析及對策*

陳昱臣，聶貴興，胡 建，唐順歡

（1.馳宏科技工程股份有限公司，云南 曲靖 655000；2.云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655000）

飽和蒸汽輪機飛車是指采用飽和蒸汽發(fā)電的汽輪機超過臨界轉速，致使汽輪機的轉速失控，從而導致汽輪機葉片、軸、汽缸以及管道等裝置嚴重破壞的惡性事故[1]。每一次飛車事故都給企業(yè)造成了極為嚴重的后果，為此每一起飛車事故的研討很有必要。

1 事故經過

某公司鋅冶煉采用沸騰爐，鉛冶煉采用艾薩爐、側吹還原爐、煙化爐，配置5臺中壓蒸汽余熱鍋爐，高溫煙氣系統(tǒng)通過余熱鍋爐利用余熱，產出（120～180）t/h中壓飽和蒸汽。動力廠配置了一臺由德國KK&K公司制造的LSA58 BM10型汽輪發(fā)電機組，該機組是一套雙胞胎式飽和蒸汽機組，共有四個汽缸通過齒輪箱同時拖動一臺發(fā)電機，額定容量10.5 MW，汽輪機額定轉速1 500 r/min。事故當天，冶金爐減料減風，蒸汽供應量下降，2#汽輪機I段進汽壓力降至3.1 MPa，溫度降至238℃（聯(lián)鎖停機條件：進汽溫度≤238℃），汽輪發(fā)電機組發(fā)出聯(lián)鎖停機信號，發(fā)電機解列，作業(yè)人員按照汽輪發(fā)電機組跳車應急程序打開低壓蒸汽電動排空閥。發(fā)電機解列后1 s內，轉子轉速急速升高超過1 800 r/min，35 s后1#低壓缸崩裂，8 s后2#低壓缸崩裂，事故造成汽輪機組兩側低壓缸葉輪、噴嘴、蝸殼等部件嚴重損壞。

2 原因分析

2.1 事故運行狀況分析

1） 根據(jù)汽輪機PLC與DCS的報警及停機事件記錄（見圖1） 分析，汽輪機PLC系統(tǒng)在檢測到蒸汽溫度小于設定值238℃時，發(fā)出了停機指令，發(fā)電機帶負荷解列，發(fā)電機解列后，發(fā)電機轉速不降反升，并超出儀表量程，整個超速過程持續(xù)6 min。發(fā)電機解列后2#汽輪機高壓缸進汽流量仍有34.2 t/h，事故發(fā)生后才逐步從33.4 t/h下降至13.5 t/h。

圖1 事故時汽輪機組DCS、PLC運行曲線Fig.1 DCS,PLC operation curve of steam turbine set when accident occurs

從超速破壞發(fā)生的機理分析，汽輪機轉子及轉子上的部件在旋轉過程中，受到離心力F=m×r×ω2作用，離心力與角速度的平方呈正比關系，且受力點隨著周圓半徑增大也成幾何增長。當轉速達到汽輪機轉子固有頻率轉速時，振動會突然變大，即發(fā)生共振，當轉速超過固有頻率轉速后，振動增幅降低，并將穩(wěn)定在某一范圍內，當轉速接近2倍固有頻率時，振幅又會急速增大，從而致使動靜摩擦振動繼續(xù)增加軸系失穩(wěn)，轉子及附件飛離汽輪機腔室。

發(fā)電機解列后，蒸汽未能及時切斷是導致汽輪機超速發(fā)生飛車的直接原因；

2） 事故后，現(xiàn)場測試1#、2#汽輪機高、低壓進汽調節(jié)閥、緊急關斷閥的伺服閥。正常狀況下，進汽調節(jié)閥接收閥位指令，閥門根據(jù)信號調節(jié)開度；緊急關斷閥接收信號，閥門執(zhí)行開關。但在啟動輔助油泵后，2#機進汽調節(jié)閥、緊急關斷閥的伺服閥在未給指令的情況下自動開啟，油泵停運后伺服閥處于開位，閥門狀況異常。

通過測試閥門，結果顯示，2#汽輪機進汽調節(jié)閥、緊急關斷閥異常，是造成蒸汽未能及時切斷的直接原因；

3） 對1#、2#汽輪機高、低壓進汽調節(jié)閥、緊急關斷閥、濾芯、油泵等進行拆解（見圖2、圖3）。拆解時活塞卡死，使用銅棒才強行拆解，拆解后發(fā)現(xiàn)2#機高、低壓進汽調節(jié)閥、緊急關斷閥的伺服閥活塞腔室有黑色膠狀物；拆解的油濾芯也顯示2#機濾芯膠狀物遠多于1#機；拆解油泵腔體內有結膠，主齒輪軸向磨損明顯。

圖2 解體后的伺服閥活塞Fig.2 Servo valve piston after disintegration

圖3 拆解后的濾芯和油泵Fig.3 Filter element and oil pump after disassembling

從潤滑油結膠的機理來分析，潤滑油在使用過程中與空氣和金屬材料接觸并處于一定的溫度條件，潤滑油發(fā)生氧化，逐漸產生可溶的極性物質（抗氧化劑及基礎油的降解物），當極性物質的含量超過汽輪機油的溶解度或溫度下降后，就會析出沉淀在機械系統(tǒng)的各個地方，尤其是金屬表面上，形成油泥和漆膜，而油泥和漆膜又進一步促進油的氧化，并加劇潤滑油結膠。油泥、漆膜均是油品變質的產物，漆膜與油泥的區(qū)別為：相比較而言，漆膜生成溫度高一些，而低溫更有利于油泥的生成，油泥中含有一定量的水分。油泥一般通過油路沉積在油箱內，而漆膜則會粘結在油路、齒輪、軸承、腔體等表面，從而帶來管道堵塞、危害更大。

結合設備的拆解情況和潤滑油結膠機理，可以得出：潤滑油結膠是進汽調節(jié)閥、緊急關斷閥卡塞的直接原因[2]；

4） 對1#、2#機油箱中的油品取樣分析。內部質檢部門分析油樣的40℃、100℃的運動粘度、粘度指數(shù)、機械雜質、硫乳化時間、水分6個指標進行檢測，檢測結果均顯示正常。

將1#機油箱油樣、2#機油箱油樣、新油樣3個油樣送第三方機構分析。分析結果顯示2個指標出現(xiàn)異常：①外觀方面，1#機油樣為“棕色透明液體”、2#機油樣為“棕色不透明液體”、新油樣為“淺黃色透明液體”；②漆膜傾向指標，1#機油樣為16.1、2#機油樣達到18.2，新油對比樣則低至0.2，詳見表1。

表1 潤滑油第三方監(jiān)測結果Tab.1 Lubricating oil's third-party monitoring results

漆膜傾向指數(shù)可用于推斷油液或設備狀況，漆膜生成較嚴重，需處理或換油，以避免影響設備正常使用[3]。從油液漆膜產生的機理來分析，漆膜產生的主要有兩個因素：①油品發(fā)生氧化；②油液發(fā)生“微燃燒”。研究表明，溫度、水、空氣和金屬催化劑是加速潤滑油氧化變質的根本原因，并存在以下規(guī)律：油液溫度每提高10℃，氧化速率增加1倍；超過一定量的水分可使油品氧化速度增加10倍以上；隨著油液中空氣含量的增加，氧化生成的漆膜也線性增加；油液中的金屬顆粒作為催化劑會加速油品氧化，而油液“微燃燒”則是局部高溫造成，相對而言，油品氧化是一個緩慢的過程，而油品絕熱“微燃燒”生成漆膜的速度要快得多[4]。

從油樣分析對比結果也可以得出，油液漆膜的生成是造成進汽調節(jié)閥、緊急關斷閥卡塞的主要原因；

5）事故發(fā)生2個月前，動力廠對2#汽輪機進行了檢修，2臺汽輪機的油系統(tǒng)均進行了清理，并將老油更換成了同品牌潤滑油，所更換的新潤滑油，在更換前未送檢分析，運行過程中也未定期取樣分析。新潤滑油才使用短短2個月就發(fā)生了較大劣化，為分析潤滑油快速劣化的原因，對透平機在事故前監(jiān)測點的振動值進行分析。2#透平機的大齒輪軸自由端軸向振動值有3個月處于（13～27） mm/s左右，最高時高達35 mm/s，嚴重超過標準值5 mm/s，至事故前1個月2#透平機的振動值惡化，范圍擴大至高壓缸軸端的垂直振動值、大齒輪軸負荷側軸向振動、低壓缸軸端的軸向振動值等四個點。

從拆解后的1#、2#齒輪外觀，2#機軸瓦油路、齒輪表面的顏色也比1#機深，漆膜更嚴重，驗證了2#機振動異常后，齒輪發(fā)熱導致潤滑油劣化加速。所以汽輪機的長期異常運行是引發(fā)潤滑油快速劣化的根本原因[5]。

2.2 事故原因邏輯關系

2#汽輪機軸端振動異常，導致溫度傳動部位溫度升高，引發(fā)潤滑油漆膜生成加速，在運行過程中因未監(jiān)測潤滑油質量，潤滑油劣化趨勢未能得到及時警示，劣化超過臨界狀態(tài)后，將進汽切斷閥和調節(jié)閥卡死，當汽輪發(fā)電機組系統(tǒng)達到發(fā)電機解列條件時，因控制邏輯缺陷，導致發(fā)電機在未切斷汽源的情況下首先解列，而源源不斷的蒸汽持續(xù)驅動汽輪機旋轉，在沒有發(fā)電機拖拽的情況下，汽輪機加速旋轉，葉片和軸的離心力超過材料的強度和剛度，從而出現(xiàn)了葉片飛離、軸扭斷的后果。

2.3 事故原因

通過分析，該機組飛車的直接原因為緊急關斷閥、進汽調節(jié)閥的伺服閥活塞因結膠卡死，致使緊急關斷閥、進汽調節(jié)閥收到指令后無法關閉及時切斷汽源，蒸汽持續(xù)驅動汽輪機葉輪加速旋轉，最終導致汽輪機飛車。而引發(fā)飛車的原因還有以下幾方面：

1） 發(fā)電機甩負荷邏輯存在缺陷，PLC連鎖停機條件是進汽溫度和壓力任一條件達到后即解列發(fā)電機，與《防止電力生產事故的二十五項重點要求》 （國能安全2014年161號） “系統(tǒng)檢測到緊急關斷閥、進汽調節(jié)閥關閉反饋信號后，再執(zhí)行機組解列，利用機組逆功率保護使機組安全停運。”的規(guī)定不相符[6]；

2）汽輪機長期帶病運行。事故之前2#汽輪機大修前軸向振動超標準（最高12.8 mm/s，標準值5 mm/s），檢修后齒輪箱振動未得到根本改善，并伴隨汽輪機運行逐步增大，部分監(jiān)控點位超標準（4～7）倍，汽輪機帶病運行，機械部位受力不均，加劇磨損，局部發(fā)熱，加速了潤滑油劣化（結膠），促使汽機潤滑油漆膜指數(shù)在2個月的運行中快速從0.2升高至18.2[7]；

3）大型設備大修前后潤滑油管理缺失關鍵管控，暴露出潤滑油監(jiān)控檢測不嚴。2#透平機大修后更換了潤滑油，但在開車之前及機組投運后沒有對潤滑油取樣進行外觀檢查、分析化驗，沒能及時掌握潤滑油劣化的狀況；

4）對潤滑油結膠、漆膜的產生機理沒有深刻認識。長期運行管理中對汽輪機潤滑油檢驗指標局限于抗乳化度、水溶解度、酸度、運動黏度等常規(guī)指標，而未認識到漆膜指數(shù)是潤滑油結膠傾向的關鍵指標；

5）測速儀表量程偏低，超速后，無法觀察記錄真實速度。

3 采取措施及效果

本起事故中，若發(fā)電機解列邏輯正確或者切斷閥正常動作，滿足任一個條件，都必然不會造成嚴重后果。所以采取的第一個措施是：嚴格按《防止電力生產事故的二十五項重點要求》 （國能安全 [2014]161號）的要求，首先是完善聯(lián)鎖保護邏輯，發(fā)電機解列動作必須在接收到緊急關斷閥關閉信號，有功功率降為零，才會觸發(fā)發(fā)電機解列，更換了測速儀表，并定期試驗緊急切斷閥、泄壓裝置等安全裝置。

若該汽輪機組能及時消除振動過大的隱患，就不會因振動過大導致溫度升高快速惡化潤滑油，故采取的第二個措施是調整軸端，徹底調校軸系動、靜平衡，消除振動隱患后再運行機組，杜絕帶病運行。

第三個措施是汽輪發(fā)電機組啟動前，嚴格按規(guī)定對系統(tǒng)開展超速保護試驗[8]。

最后是更換故障進汽閥門，更換合格的潤滑油品，加油前取樣分析，分析合格后投用，大修后沖洗干凈油路，并取樣分析，汽機運行后每兩周取樣分析一次，運行滿1個月后分析漆膜傾向指數(shù)，適時監(jiān)控潤滑油品質量變化情況。

通過以上措施，該起飛車事故中發(fā)現(xiàn)的問題全部得以解決，汽輪發(fā)電機組啟動后，安全穩(wěn)定高效運行。

4 結語

潤滑油的管理對于汽輪機組的安全運行至關重要，可以通過潤滑油的狀況監(jiān)測及時掌握機組情況。在日常潤滑管理中嚴格遵守以下要求：

1）應制定嚴格的油品管理規(guī)則，建立潤滑油檔案，明確油品的購置標準、儲存時限、機組更換油品的取樣要求、油品化驗項目等；

2）透平機潤滑油分析指標中，必須分析漆膜傾向指數(shù)；

3）嚴格控制透平機潤滑油的倉儲時間，超過三個月的在加油前必須取樣檢驗；

4）機組長時間運行容易造成潤滑油油泥、結膠物質沉積在潤滑油流經的各個機械系統(tǒng)和潤滑油系統(tǒng)。設備檢修和潤滑油更換應全方位清洗油路，避免出現(xiàn)油路中的雜質污染新油；

5）機組大中修后，應在開車之前兩天，對油箱中的油進行化驗，透平機油應化驗抗乳化度、水溶解度、酸度值等。運行一個月后分析漆膜傾向指數(shù)；

6）注油箱、循環(huán)油槽及過濾網每月應進行清洗。