蓄能器在大型汽輪機組潤滑油系統中的應用及試驗分析

王秋寶 郭艷妮

摘要：介紹了主流的大型汽輪機組潤滑油系統的設計特點，介紹了蓄能器在潤滑油系統中的應用，并通過試驗分析對大型汽輪機組潤滑油系統的可靠性進行驗證，避免跳機風險，具有重要的工程應用參考價值。

關鍵詞：蓄能器;潤滑油系統;試驗分析

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

0 引言

潤滑油系統的穩定運行對大型汽輪機組的安全至關重要。目前主流的大型汽輪機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組，后者隨著近年配電技術的不斷完善和機組大型化需求的發展而逐漸成為主流，這些機組國內主要由東汽、上汽和哈汽三大動力供貨，在事故工況下保證供油壓力穩定的措施因各家采用的技術方案不同也有差異。本文介紹這三種技術方案的設計特點以及蓄能器的應用，并通過試驗分析的方法對大型汽輪機組潤滑油系統的可靠性進行驗證，提升運行穩定性，避免跳機風險，具有重要的工程應用參考價值。

1潤滑油系統的設計特點

雙電泵潤滑油系統主要由交流潤滑油泵（兩臺，一用一備）、直流潤滑油泵、雙聯冷油器、雙聯過濾器、回油濾網、油箱、蓄能器、壓力閥、儀表、附件等組成。其中，電動機的安全性是保證雙電泵潤滑油系統安全運行的最重要因素，除此之外，還在于配置與控制邏輯、控制柜的設置、電網的穩定性、運行維護等外部因素。任何時候當發生故障需要進行油泵切換時，都應該保證在規定的時間內供給軸承的潤滑油不會因壓力波動大而造成機組的停機動作。

東汽典型的單軸聯合循環汽輪機組的潤滑油系統采用三臺電動油泵與蓄能器相結合并輔助壓力調節閥的技術方案。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%，潤滑油泵電機轉速選擇1500 r.min。經過冷油器、過濾器后的潤滑油被旁路壓力調節閥調整到0.15MPa再進入機組對各軸承進行潤滑。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行要求。壓力控制測點設置在壓力調節閥后，壓力下降到0.1MPa時聯鎖啟動備用交流潤滑油泵，壓力持續下降到0.08MPa時聯鎖啟動直流潤滑油泵并機組跳機。

上汽廠超超臨界600～1200MW汽輪機組潤滑油系統設置兩臺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置一個壓力開關，當其中任意一個觸發告警時直接聯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定的壓力開關告警時直接聯鎖啟動直流潤滑油泵;供油母管上還設置3取2保護邏輯的壓力變送器，用于供油壓力低告警時主機跳機，但此信號設置了延時3 s發訊。

哈汽廠早期的大型汽輪機組潤滑油系統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，其余油液經過壓力調節閥減壓到0.25MPa后供給軸承潤滑用。近些年，對潤滑油系統進行了優化，將密封油系統從潤滑油系統中剝離出來單獨設計，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置蓄能器，并采用快速啟動油泵。壓力控制測點設置在汽輪機運行平臺上，當壓力下降到0.07MPa時聯鎖另一交流油泵啟動;壓力下降到0.05MPa時聯鎖直流潤滑油泵啟動并機組跳機。

2蓄能器的應用

無論是電氣或非電氣原因，當運行潤滑油泵故障停運、備用潤滑油泵聯鎖啟動時，潤滑油壓均是先下降后上升的過程，直到備用油泵運行正常供油壓力達到穩定。為了保證切換時油壓穩定，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行考慮。

（1）潤滑油壓下降是由軸瓦間隙泄油產生的固有特性，只能通過方案進行延緩。在潤滑油系統中設置合適的蓄能器，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，防止汽輪機跳機，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）減小油泵和電機的轉動慣量是提高油泵快速啟動的最優辦法。采用低轉速泵也可以提高泵的啟動時間，從而實現快速建壓。將油泵止回閥設置在油箱運行油面以下并預留排氣小孔，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壓力值，將壓力開關故障信號采用電氣回路硬聯鎖方式，都可以縮短備用泵的投入時間。

潤滑油系統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，但受于安全認證和價格等方面因素的影響，在大型汽輪機組潤滑油系統中的應用業績很少。國內市場上潤滑油系統多采用國家標準的公稱壓力為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準容積的蓄能器并聯實現調節，簡單方便。

國家能源局2014年下發的《防止電力生產事故的二十五項重點要求》中提出：應配置或設計足夠容量的潤滑油儲能器，一旦潤滑油泵及系統發生故障，儲能器能夠保證機組安全停機，未設計安裝潤滑油儲能器的機組，應補設并在機組大修期間完成安裝或沖洗，具備投運條件。

因此，設置蓄能器是大型汽輪機組潤滑油系統故障保障的最有效措施，不僅僅適用于新建機組，更適用于改造機組。

3 試驗分析

受潤滑油系統制造商試驗條件和設計院對系統試驗驗證理解等方面的限制，當前很少有項目將潤滑油系統事故時油泵切換過程中壓力的變化作為產品出廠驗收條件的規定。往往都是潤滑油系統在現場安裝后運行期間，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，嚴重者會造成經濟損失。因此，對于大型汽輪機組而言，在工廠內進行模擬試驗就尤為重要。

潤滑油系統單臺油泵典型的油壓下降和上升曲線見圖1示例。曲線1為常規機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化后的油壓下降曲線，曲線3是常規機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化后的油壓上升曲線。授權公告號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行比較驗證，從而模擬軸承的工作狀態。通過這種方法，很容易在工廠內對事故工況時油泵切換過程進行模擬測試，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，優化的油壓下降曲線2和優化的油壓上升曲線4的交點C壓力值最高，是最優的方案。通過縮短備用泵投入時間可以將曲線4沿時間軸前移，可以得到更優的最低壓力值。

哈汽廠某1000MW機組工程油站采用的是雙電泵潤滑油系統，設置蓄能器并安裝在供油母管出口管路上，潤滑油系統主要參數見表1。

潤滑油系統在制造廠進行油泵切換模擬試驗，模擬試驗數據曲線見圖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;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定狀態，保證系統運行安全。

4存在的風險

氣囊式蓄能器的應用，依靠的是氣囊內穩定的氣壓和氣量，氣體壓力的變化和氣量的變化都會對放油量產生影響，造成放油量的減少。常見的風險有：

（1）氣側氣壓過低，主要是由于漏氣引起氣量減少導致。

（2）氣側氣壓過高，主要是充氣不規范、壓力過高導致的。

氣囊式蓄能器氣側壓力需要定期檢查，且必須在油源不工作的情況下單獨進行。為此，潤滑油系統設計時就需要在單個蓄能器進油側設置隔離閥，并在隔離閥與蓄能器進口之間設置放油閥。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的油液后再進行。

5 結語

無論是新建機組，還是改造機組，均能通過設置蓄能器實現事故時油泵切換過程中的軸承供油壓的穩定，避免跳機風險。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行模擬，對大型汽輪機組潤滑油系統的可靠性進行驗證，提前預判風險，具有重要的工程應用參考價值。

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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、燃機、電動機等大型轉軸類設備的潤滑油系統的研發和設計工作。

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