小型汽輪發電機組低壓透平調節油蓄能器甩負荷工況的選型研究

唐家毅，李立威，潘登洪，陳 麗，李 暢

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

1 概述

汽輪機數字電液調節系統（簡稱DEH 系統）由液壓控制系統和計算機控制系統組成，其中作為實現汽輪機自動調節控制的驅動核心的液壓系統由伺服控制系統、供油裝置以及危機保安系統等組成［1］，而根據供油裝置的壓力和油品不同分為低壓透平油和高壓抗燃油兩種方式。

高壓抗燃油電調系統的油壓高，一方面有效保證了油動機提升力，對調速系統進行精確動態調節；另一方面汽輪機可以靈活切換進汽方式，提高機組運行經濟性，適用于大型汽輪發電機組［2-3］。而低壓透平油電調系統因為工作油壓較低，油動機的提升受到限制，在大型汽輪發電機組應用極少。但低壓透平油電調系統的DDV 型電液伺服閥控制精度近年來有了極大的提高，控制精度可達到1%，完全滿足汽機控制要求，同時采用常規的透平油液壓油源，不需另配外置式油源站，具有系統簡潔，環保性好，維護量少等優點，經濟性和可靠性較好，適合中小型機組［4］。

小型汽輪機發電機組采用的低壓透平油電液調節系統油源來源于潤滑油系統，油系統常規配置主要由潤滑油箱，主、輔油泵，過濾器和油冷卻，蓄能器以及機組所屬的管道、儀表、閥門等組成［5］，示意圖見圖1。正常工作狀態下，潤滑油箱中的油液通過油泵輸出，潤滑油經油冷卻器、油過濾器后，送至汽輪機、發電機的各軸承箱使用，調節油經過油過濾器后從供油主管分出部分送到調節系統，最后均自流回油箱。

圖1 汽輪機油系統示意圖

為減少因用油量變化而引起的油壓波動，在調節油管路上裝設了蓄能器，蓄能器作用是當管路上某些原因造成油壓突然下降，對油壓進行補充，消除機組非正常停機事故。造成油系統油壓降低的原因有很多，比如管道泄漏、工作油泵突然停止聯機啟備用泵等等，張宇鵬［6］、孫國強［7］、俞洪鋒［8］等就利用蓄能器解決備用油泵連鎖啟動瞬間油壓降幅度過大導致機組跳機的情況進行了不同程度的分析和實踐。但長期以來，企業自備電廠等小型汽輪發電機組用戶對機組突然甩負荷的情況重視不夠，蓄能器如何解決機組甩負荷瞬間引起的油壓突然下降問題沒有提及。《汽輪機電液調節系統性能驗收導則》（DL/T824）中明確指出，蓄壓（能）器應有足夠的容量和充油壓力，以使在機組甩負荷的同時主油泵故障停止供油時，仍能維持系統液體壓力，保證系統正常工作［9］。

下文以采用低壓透平油電液調節系統的小型汽輪發電機利用蓄能器解決甩負荷階段的油壓波動為研究對象，通過蓄能器的正確選型，保證機組甩負荷時不會因調節油壓下降幅度過大而出現機組跳機現象。

2 蓄能器工作原理

蓄能器是液壓系統中常見的能量儲蓄裝置，正常工況下，蓄能器可將系統中多余的能量轉變為位能或者壓縮能進行存儲，而當系統能量降低時，蓄能器則將之前自身存儲的能量釋放出來，重新補入系統。目前常見的蓄能器是氣體蓄能器，其中囊式蓄能器因為膠囊響應快，安裝容易、充氣方便等優勢，成為應用最為廣泛的氣體蓄能器［10-11］。汽輪機調節油系統蓄能器同樣是使用的囊式蓄能器，作為輔助動力源在機組甩負荷時，提供因調閥油動機瞬間大范圍動作時所需的大量用油，保證調節油壓力不致過低而造成汽機速關閥關閉跳機。

囊式蓄能器內腔由皮囊分為兩部分，囊內充氮氣，囊外充液體。當系統壓力高于蓄能器充氣壓力時，膠囊就受壓變形，皮囊內氣體體積壓縮減小，液體被儲存。若系統壓力低于蓄能器內部壓力，膠囊內氣體體積增大，將蓄能器內液體排出［11］。囊式蓄能器工作過程詳見圖2及相關說明，其中：

圖2 蓄能器工作示意圖

(1)使用前的狀態（氮氣與液體未進入）。

(2)膠囊內預先充入氮氣，油閥是關閉的，防止膠囊脫離。

(3)膠囊最低工作壓力狀態，為避免膠囊在每次膨脹過程中撞擊閥，引起膠囊損壞，此時膠囊外和油閥之間應保留少量油液，最低工作壓力時，氣囊的氣體容積一般為蓄能器公稱容量的10%。

(4)蓄能器處于最高工作壓力，最低工作壓力和最高工作壓力時的容積變化量相當于有效的油液量，ΔV=V1-V2。

蓄能器內的壓縮和膨脹過程遵循氣體狀態多變的規律，即

P0——蓄能器氣囊預充壓力；

V0——氣囊有效氣體容積；

P1——液壓系統最低工作壓力；

V1——氣囊在P1時的氣體容積；

P2——液壓系統最高工作壓力；

V2——氣囊在P2時的氣體容積；

n——多變指數，蓄能器工作時，氣囊快速膨脹或者壓縮，該過程近似于絕熱狀態變化，因此多變指數n=k=1.4（適用于雙原子氣體的氮氣）。

通過上述等式，可得：

由此可計算得出所需的蓄能器體積。

3 蓄能器選型案例應用

某自備電廠30 MW 高溫高壓機組采用低壓透平油電液調節系統，根據廠家說明書，有如下表述：

1）正常調節油壓為0.85 MPa，即P2=0.86 MPa（絕壓）；

2）調節油壓下降至0.65 MPa 時，啟動輔助油泵。根據DL/T-824相關規定，可認為甩負荷時的用油量全部由蓄能器提供，而不包括啟動備用輔助油泵進行補油（事實上啟動備用油泵進行補油在時間上也無法滿足要求），同時為了保證一定的富余量，取P1=0.69 MPa（絕壓）；

3）蓄能器充氮壓力0.55 MPa。根據蓄能器充氮原則，充氮壓力0.25P2≤P0≤0.9P1，因此0.21 MPa≤P0≤0.61 MPa，說明書中取值P0=0.56 MPa（絕壓）是合適的；

4）甩負荷瞬間調節閥從100%開度關閉至零位的時間≤0.3 s，甩負荷瞬間調節閥油動機用油量最大達到27.2 L/s，因此可知ΔV=7.85 L。

通過上述已知條件，計算得出V0=62.6 L，按照蓄能器樣本選擇容積80 L 或者100 L 可滿足容積要求。

需要注意的是，該蓄能器樣本80 L蓄能器的最大排放流量為20 L/s，小于調節閥油動機瞬間最大用油量27.2 L/s。同時蓄能器排放流量隨著壓力降低而減小，此系統為低壓系統，實際正常排放流量比最大排放流量要小，單只蓄能器不能滿足瞬間大量用油的需求，因此建議選取2 只63 L 的蓄能器，既可滿足容積，同時2 只蓄能器排放流量相加也基本滿足油動機的最大瞬間用油量。更加可靠的話，可選3只40 L的蓄能器。

此外，根據DL/T824 中要求：在異常工況下，一般要求系統液體壓力的降低值不大于正常工作壓力的5%［9］。根據該要求，則P1=0.95×P2=0.817 MPa（絕壓），按此計算，則V0=290 L，可配備2 只160 L蓄能器；更可靠的話配備3只120 L蓄能器。

4 結論

以低壓透平油作為電液調節系統的小型汽輪發電機組油系統關鍵設備之一的蓄能器應能夠保證機組在甩負荷的極限工況下機組不發生停機事故，特別是因油壓降低引起的非停，蓄能器選型除考慮有效氣體容積外，還應著重考慮蓄能器的最大排放流量，應以蓄能器組的方式解決油動機瞬間大量用油情況，同時通過蓄能器的適當放大，減少系統油壓在異常工況下的下降幅度。