大型機組油泵驅動透平調速器故障診斷

楊健

（中國石油大港石化公司，天津 300280）

大型機組油泵驅動透平調速器故障診斷

楊健

（中國石油大港石化公司，天津 300280）

大型機組油泵驅動透平轉速波動易引起油壓波動，威脅機組長周期安全運行。通過梳理TG-13型調速器的工作原理，結合拆檢情況，找到了汽輪機轉速波動的原因。由此總結出TG-13型調速器轉速波動的分析方法和大型機組油泵驅動透平在日常生產中的管理重點。

TG-13型調速器；轉速波動；銹蝕；轉速不等率；

1 故障描述

2016年4月，中國石油大港石化公司220萬噸/年汽柴油加氫裝置循氫壓縮機組油站的透平油泵轉速，隨著全廠低壓蒸汽管網壓力的周期性變化（0.9～0.79MPa），在1397～1523r/min范圍內大幅波動（額定轉速1450r/min）。手動調節油站小透平調速器“調速旋鈕” 時轉速變化不線性，很難將轉速穩定在額定轉速1450r/min。更換新調速器后，故障現象消失。

油泵轉速的波動極易導致機組潤滑油壓、控制油壓的波動，觸發聯鎖停車，煉化裝置中的循氫機組往往是單臺布置，其聯鎖停車必然引起裝置停工等一系列聯鎖反應。為從本質上消除隱患，我們對故障調速器進行了拆檢、分析，并查找到了原因所在。

2 設備結構及原理簡介

2.1 循氫機組油路系統簡介

220萬噸/年汽柴油加氫裝置循氫壓縮機組油路系統包含由油箱、油泵、油冷器、過濾器、壓力調節閥等部件組成的油站，潤滑油管路以及控制油管路等部分。其中油泵為雙泵主輔泵配置，主油泵由蒸汽小透平驅動。

2.2 主油泵透平簡介

主油泵蒸汽小透平是由ELLIOTT公司生產的BYRT Ⅲ兩級背壓型汽輪機，動力蒸汽為1.0MPaG 250℃的低壓蒸汽，出口 背壓0.4MPaG。采用WOODWARD公司生產的TG-13型調速器，恒定轉速（1450r/min）運行。

圖1 TG-13和TG-17工作原理圖

圖2 TG-13型調速器控制原理方塊圖

2.3 TG-13調速器原理（圖1）

WOODWARD TG-13是一種機械～液壓轉速有差調速器，多用于恒轉速運行的汽輪機控制。主要由內嚙合齒輪油泵、蓄能器、調速彈簧、飛錘和導向閥套組件、導向滑閥、伺服活塞、不等率調整機構、轉速調整機構、輸出杠桿與軸等部件組成（見圖2）。

汽輪機轉子通過撓性聯軸器與調速器內嚙合齒輪油泵轉子連接，油泵轉子通過花鍵與飛錘和導向滑閥套組件連接，工作時，內置油泵轉子、飛錘和導向滑閥套組件與汽輪機轉子等速旋轉。

通常TG-13調速器會涉及三種典型工作狀態：

一是恒速工作狀態。汽輪機轉子通過用撓性聯軸器帶動調速器內油泵運轉，內置油泵將調速器油池內油液增壓后泵入高壓油管路，供給蓄能器和導向滑閥。蓄能器儲能并將高壓油管路內的油壓穩定在汽輪機額定工作油壓1034KPaG。因汽輪機轉速恒定，導向滑閥處于關閉位置，高壓油不進入伺服活塞干預汽輪機調閥的開度。

二是調速工作狀態。當轉速設定螺釘沿增速方向旋轉后，反饋杠桿下移，增大了調速彈簧的作用力，使導向滑閥閥芯下移，將伺服活塞的下缸與高壓油管路聯通，在高壓油的作用下伺服活塞向上運動，通過調速器輸出軸增大汽輪機調閥開度，從而使汽輪機增速。調速器的飛錘和導向滑閥套組件隨汽輪機轉子增速后，飛錘的離心力增大，通過飛錘的支腳將增大的離心力傳遞給調速彈簧，方向與反饋杠桿傳遞給調速彈簧的作用力相反，同時伺服活塞上行后減小了不等率杠桿在反饋杠桿上的作用力，從而減小了反饋杠桿對調節彈簧的作用力，兩作用過程疊加，使導向滑閥閥芯上移復位，切斷了伺服活塞下缸與高壓油管路的聯通，伺服活塞停止上行，增速過程結束。當轉速設定螺釘沿降速方向旋轉后，導向滑閥閥芯上移使伺服活塞下缸與油池聯通泄壓后復位，其余步驟與增速過程相反。

三是外界擾動工作狀態。汽輪機恒轉速運行時存在一些外界擾動因素，如汽輪機負載的增減和汽輪機因蒸汽品質等原因引起的輸出功率增減等。

當汽輪機因負載減小等原因轉速增大、偏離設定轉速時，飛錘離心力增大壓縮調速彈簧將導向滑閥閥芯上移，使伺服活塞下缸與油池聯通泄壓，伺服活塞下行，通過調速器輸出軸減小汽輪機調閥開度，汽輪機轉速降低并回歸設定轉速；當汽輪機因負載增大等原因轉速降低、偏離設定轉速時，工作過程相反。

3 調速器拆檢情況

3.1 調速器內部組件嚴重銹蝕（圖3）

圖3

3.2 油液乳化并伴有大量銹渣（圖4）

圖4

3.3 導向滑閥閥芯與導向閥套間銹蝕、卡澀，導向滑閥失效，無法正常開閉（圖5）

圖5

3.4 伺服活塞嚴重銹蝕、卡澀（圖6）

圖6

4 原因分析

4.1 故障機組存在的外界擾動

循環氫壓縮機組在正常運行過程中，其油路系統相對穩定，不存在用油量、油壓等參數大幅變化，故主油泵汽輪機的負載是穩定的。但在日常生產中1.0MPaG的汽輪機驅動蒸汽壓力存在周期性波動（0.9～0.79MPaG），這會造成汽輪機輸出功率不穩定，也成為該汽輪機最主要的外界擾動因素。

4.2 汽輪機不穩定運行分類

汽輪機調速系統不穩定狀態可以分為外界擾動后轉速發生不會自行衰減的震蕩脈動和外界擾動后轉速復位響應遲鈍兩類。

4.3 調速器提高穩定性的方法

調速器通常會引入一定的“轉速不等率”，用以提高其運轉時的穩定性。

轉速不等率是當汽輪機負載增加，調速器輸出軸從最小燃料位置移向最大位置時，轉速卻出現的一定的下降值。通常轉速不等率用額定轉速的百分比來表示。

不等率設置過小，在外界擾動后會引起轉速振蕩脈動；不等率設置過大，調速器對外界擾動響應遲鈍。

TG-13型調速器配置有可調的不等率杠桿，在調速器工作過程中通過改變反饋杠桿作用力并與飛錘離心力變化疊加，共同控制導向滑閥開閉，從而實現汽輪機轉速穩定。

通常通過調節不等率調節杠桿位置將轉速不等率設定為6%。

4.4 本次故障原因分析

調速器的不等率通常在出廠或檢修后已經設定完畢。不等率配置不合理引起的汽輪機轉速脈動或遲滯多在設備開車初期就會發現，此外長時間運行不等率調節杠桿松動跑位，也會引起汽輪機運行的不穩定。但本次故障調速器已連續運行近12000h，且拆檢時并未發現不等率杠桿松動，應排除不等率的原因。

從現象看，汽輪機轉速波動與外界擾動因素（驅動蒸汽壓力波動）一致對應，應該是調速器對外界擾動反應遲滯或不響應造成的。結合拆檢時發現的導向滑閥卡澀失效、伺服活塞銹蝕卡澀等現象，本次故障的主要因素應該是調速器內構件銹蝕、失效所致。

汽輪機長時間運轉，軸端汽封會存在一定的泄漏，機體周圍飄散著泄漏的蒸汽。本次故障的調速器安裝在汽輪機軸頭，距離汽輪機軸端汽封較近，泄漏蒸汽會沿著調速器呼吸孔進入其內部，而調速器的油池是封閉的，且運轉時不能在線更換油液，這就使侵入的水汽長期積累，引起油品乳化，內構件銹蝕。

又因為該汽輪機為恒轉速運行工況，其內構件（導向滑閥、伺服活塞）很少大幅運動，長時間的銹蝕使這些部件卡死在某一位置，最終造成了調速器失靈，無法對外界擾動因素做出響應。

5 結語

（1）小型恒轉速運行的蒸汽透平多采用TG型調速器，轉速出現波動故障時應從不等率的配置及調速器機械故障兩方面進行分析排查。

（2）大型機組油路系統多為布置緊湊的撬裝形式，油泵汽輪機軸封處的泄漏蒸汽很容易侵入調速器內污染油液，銹蝕內部組件，造成調速器卡澀、失靈，從而引起汽輪機轉速波動。

（3）為了提高大型機組抗晃電能力，保證長周期運行，其油路系統多采用汽輪機驅動主油泵。但運行時往往忽略了油泵透平軸封漏汽問題的整治、汽輪機調速器的油品檢驗更換和強制保養等，給大型機組長周期運行帶來了新的安全隱患。

[1]戚元勛.TG-10調速器穩定條件和影響因素[J].大氮肥，1994,5.

[2]楊建剛，羅定全，李勤.天然氣壓縮機調速器調節螺桿斷裂分析[J].壓縮機技術，2014,1.

TH45

A

1671-0711（2016）12（上）-0050-03