雙電泵系統(tǒng)油泵切換過程壓力穩(wěn)定性分析及優(yōu)化

郭艷妮 王秋寶 張紅日

江蘇江海潤液設(shè)備有限公司 江蘇 啟東 226200

引言

潤滑油系統(tǒng)作為大型汽輪機(jī)的關(guān)鍵輔助系統(tǒng)，對大型汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。近年隨著配電技術(shù)的不斷完善和機(jī)組大型化發(fā)展的需求，雙電泵潤滑油系統(tǒng)逐漸成為主流選擇。典型的雙電泵潤滑油系統(tǒng)主要由兩臺一用一備的交流油泵、直流油泵、油箱、過濾器、冷油器等設(shè)備以及儀表組成，其中油泵為離心式結(jié)構(gòu)。

電動機(jī)的安全性是雙電泵系統(tǒng)安全性的最重要的保障，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[1]。尤其在電力工業(yè)領(lǐng)域，要求任何時候當(dāng)發(fā)生故障時，都應(yīng)該能夠及時切換備用交流油泵或直流油泵，持續(xù)向機(jī)組軸承供給滿足壓力、流量、溫度的潤滑油，保證大型汽輪機(jī)組的安全運(yùn)行或惰走停機(jī)；任何時候當(dāng)發(fā)生故障需要進(jìn)行油泵切換時，備用油泵都被設(shè)計成能夠迅速投運(yùn)以保證在規(guī)定的時間內(nèi)恢復(fù)供油壓力，不會因油壓過低而觸發(fā)跳機(jī)事故。

1 故障時油壓變化

雙電泵潤滑油系統(tǒng)運(yùn)行工作時，只有一臺交流潤滑油泵在投運(yùn)。當(dāng)發(fā)生失電、分閘、過載等電氣故障或油泵故障、漏油等機(jī)械故障時，監(jiān)測系統(tǒng)會及時報警并邏輯控制連鎖另一臺交流潤滑油泵或直流事故油泵投運(yùn)。無論是電氣原因或非電氣原因，當(dāng)運(yùn)行油泵故障停運(yùn)、備用油泵連鎖啟動時，潤滑油壓均是先下降后上升的過程。當(dāng)發(fā)生故障時，電動機(jī)失去動力油泵停止工作，系統(tǒng)中壓力即處于迅速下降的過程；油壓下降到壓力報警點(diǎn)時連鎖備用油泵投運(yùn)；備用油泵的投運(yùn)能夠向系統(tǒng)補(bǔ)充潤滑油以減緩油壓下降的趨勢，直至達(dá)到壓力平衡出現(xiàn)壓力最低值，之后壓力呈向上升高的趨勢，直至備用油泵完全投運(yùn)壓力恢復(fù)正常。

授權(quán)公告號CN110848147B[2]的專利公開了一種離心油泵快速切換的模擬測試方法，可以通過測試油泵的啟動曲線和停止曲線從而疊加模擬得到油泵切換過程中的壓力最低值。通過此方法，也可將油泵切換過程拆解成油泵停止和油泵啟動兩條曲線，并通過時間關(guān)系疊加。拆解后的模擬油壓變化曲線見圖1示例。從曲線看，影響油壓變化的因素主要有：油壓下降速率、備用泵建壓時間、備用泵投運(yùn)時間3方面。

圖1 模擬油壓變化曲線

2 優(yōu)化措施

針對雙電泵潤滑油系統(tǒng)故障時油壓變化的特點(diǎn)，為了保證故障時油泵切換過程中的油壓穩(wěn)定，通常從降低壓力下降速率、提高油泵快速建壓能力和縮短備泵投入時間三方面進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 降低壓力下降速率

潤滑油壓下降是由負(fù)載軸瓦間隙泄油產(chǎn)生的固有特性，只能通過方案進(jìn)行延緩。從工程應(yīng)用實(shí)例看，降低油壓下降速率的主要途徑就是設(shè)置蓄能器。

在潤滑油系統(tǒng)中交流油泵出口、母管出口或汽輪機(jī)主設(shè)備平臺等任一位置或多個組合位置設(shè)置合適的蓄能器，通過蓄能器作為輔助動力源，在事故情況下持續(xù)向系統(tǒng)中供給潤滑油，從而延緩油壓下降速率。潤滑油系統(tǒng)中蓄能器多采用皮囊式蓄能器，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，多個標(biāo)準(zhǔn)容積的蓄能器并聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)放油量的調(diào)節(jié)，靈活方便地調(diào)整補(bǔ)油時間。

國家能源局文件中也規(guī)定安裝蓄能器用來保證機(jī)組安全停機(jī)，不發(fā)生軸瓦燒壞、軸徑磨損等故障[3]，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。

2.2 提高油泵快速建壓能力

采用雙電泵潤滑系統(tǒng)供油的機(jī)組中潤滑油泵的啟動時間是非常關(guān)鍵的因素，在備用油泵或事故油泵切換時，油泵的啟動時間被設(shè)計的盡量短，以避免由于原有的泵停止工作而備用泵啟動慢，導(dǎo)致系統(tǒng)短時間斷油。優(yōu)化措施主要有以下幾個方面。

2.2.1 降低轉(zhuǎn)速。電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩越大，電動機(jī)加速度越大，起動過程越短，也越能帶動重負(fù)載啟動，反之，若起動轉(zhuǎn)矩小，起動困難，起動時間長，使電機(jī)繞組易過熱，甚至起動不起來，更不能重載起動。同樣功率的交流電動機(jī)，4極電機(jī)的轉(zhuǎn)矩比2級電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大一倍。因此采用低轉(zhuǎn)速電機(jī)可以提高泵的啟動時間，從而實(shí)現(xiàn)快速建壓，當(dāng)然過低的轉(zhuǎn)速也會帶來經(jīng)濟(jì)性不合理的問題。

近年，我公司對不同功率和轉(zhuǎn)速的交流電動機(jī)的起動特性進(jìn)行了研究，對部分電動機(jī)的起動數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。從表中可以看出，90kW以下2極電動機(jī)帶負(fù)載起動時間均很快，160kW的4極電動機(jī)帶負(fù)載起動時間也很快，但不同品牌的油泵由于制作工藝的不同啟動時間存在較大差異。

表1 不同功率和轉(zhuǎn)速電機(jī)啟動時間數(shù)據(jù)表

2.2.2 減少備泵啟動時空氣釋放。備用油泵出口逆止閥前 如果存在過多的空氣，備用油泵在故障連鎖因?yàn)橛休^多空氣的存在，建立油壓需要先排出逆止閥前積聚的空氣，造成起壓時間長，油壓建立慢[4]。液下立式油泵設(shè)計選型時需要將出口止回閥下移安裝到油箱運(yùn)行油面以下，并在逆止閥前的高點(diǎn)鉆一個φ3～φ5mm小孔，可以在備用泵啟動前就將油泵出口止回閥前的空氣排凈，從而提高備用泵建壓速度。

2.2.3 減小泵轉(zhuǎn)動慣量。轉(zhuǎn)動慣量的大小直接影響離心油泵的啟動加速度，從而直接決定泵從得電到轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定所需要花費(fèi)的時間。湯躍等研究了不同轉(zhuǎn)動慣量葉輪對泵開機(jī)瞬態(tài)特性的影響，從模擬和試驗(yàn)兩方面進(jìn)行了分析，都得出同樣的結(jié)論：開機(jī)啟動階段，時間和流量的關(guān)系與葉輪的轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)，隨著轉(zhuǎn)動慣量的增加，開機(jī)穩(wěn)定時間越長；泵加速啟動時間與泵的轉(zhuǎn)動慣量成正比[5]。因此，減小油泵的轉(zhuǎn)動慣量，可以很好地改善泵的啟動特性，得到更快的啟動時間。

2.2.4 直流電機(jī)采用串電阻啟動。雙電泵潤滑油系統(tǒng)中，直流潤滑油泵是汽輪機(jī)組安全運(yùn)行的最后一道保障，其電動機(jī)的啟動控制要考慮潤滑油系統(tǒng)上的工藝特點(diǎn)和要求[6]，無論何種情況，都必須確保直流潤滑油泵能夠快速投運(yùn)并穩(wěn)定運(yùn)行至汽輪機(jī)組惰走停機(jī)為止。常用的直流電機(jī)啟動方式有直接啟動、串電阻啟動和軟啟動三種。串電阻啟動是采用在電樞回路中串入一級或多級啟動電阻來限制啟動電流，轉(zhuǎn)速上升后再逐級切除啟動電阻的一種啟動方式，將會縮短直流油泵的出力時間[7]。由于電動油泵轉(zhuǎn)子輕、轉(zhuǎn)動慣量小，當(dāng)電源失去或出現(xiàn)故障時很快就會運(yùn)轉(zhuǎn)停止，這就要求其必須在極短的時間內(nèi)快速啟動，上汽和哈汽汽輪機(jī)組推薦啟動時間小于1.3s，只有串電阻啟動方式方可滿足條件。

2.3 縮短備用泵投入時間

事故工況時備用泵投運(yùn)時間的快慢，直接影響油壓降低的下限。備用泵投入時間主要受控制邏輯的影響，優(yōu)化措施主要有：

2.3.1 提高備泵切換壓力值。采用較高電動油泵出口壓力的目的是為了有利于事故工況下備用泵的切換，使切換過程中軸承進(jìn)油壓力不低于機(jī)組跳閘保護(hù)值[8]。提高油泵出口的壓力，可以將故障時備用切換壓力值提高，預(yù)留較大的余度，使得備用泵提早投運(yùn)，更快的為系統(tǒng)補(bǔ)油，提高油泵切換過程中的壓力最低值。另外，油泵停止后，靠近油泵位置的壓力測點(diǎn)能夠更敏感的反應(yīng)壓力變化，將備用泵切換壓力測點(diǎn)設(shè)置在此處對油壓報警更有利。

2.3.2 增加就地硬連鎖。當(dāng)故障發(fā)生后，電氣故障的反應(yīng)速度遠(yuǎn)快于機(jī)械故障的反應(yīng)速度，因此一般都將失電、分閘、過載等電氣故障作為備用泵投運(yùn)的首要條件。除此之外，將其中一個壓力開關(guān)信號通過硬接線引至就地控制柜，用于故障時備泵投運(yùn)，比壓力信號通過DCS邏輯判斷后再連鎖啟動備用油泵更快，尤其適用于直流潤滑油泵的故障投用。

2.3.3 直流泵提前備投。直流電機(jī)受啟動方式的限制，啟動時間偏長。為避免油壓過低的風(fēng)險，可以選擇在交流備用油泵起動時就備投起動直流油泵，當(dāng)壓力正常后再人工停掉直流油泵，具有更高的可靠性及安全性。

圖2 優(yōu)化后的模擬油壓變化曲線

3 試驗(yàn)?zāi)M

通過優(yōu)化措施對雙電泵潤滑油系統(tǒng)的改善，就可以得到較理想的故障時油泵切換過程中的油壓變化曲線，如圖2示例，故障時兩條曲線疊加產(chǎn)成的油壓最低值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于油壓報警值，系統(tǒng)安全性得到顯著提高。但受潤滑油系統(tǒng)制造商試驗(yàn)條件的限制，當(dāng)前很少有項(xiàng)目將模擬故障時油泵切換過程中壓力變化作為潤滑油系統(tǒng)出廠驗(yàn)收的條件，往往都是在現(xiàn)場調(diào)試或運(yùn)行期間，模擬或真正故障切泵時才會暴露出壓力過低等問題。因此，對于大型汽輪機(jī)組而言，故障時油泵切換過程壓力變化在工廠內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)就尤為重要。如圖2所示。

4 結(jié)束語

雙電泵潤滑油系統(tǒng)的安全性，除了電動機(jī)安全性以及外部因素外，還可以通過降低壓力下降速率、提高油泵快速建壓能力和縮短備泵投入時間等措施對油泵切換過程進(jìn)行優(yōu)化，從而改善油泵切換過程中油壓低的現(xiàn)象，避免機(jī)組跳機(jī)風(fēng)險，具有重要的工程應(yīng)用參考價值。