汽輪機控制油系統沖洗技術開發與應用實踐

周靄琳，朱凱亮，朱元生，王金華，賈成凱（中核核電運行管理有限公司，浙江海鹽 314300）

0 引言

汽輪機控制油系統的作用是為汽輪機調節系統和保護系統提供合格的高壓抗燃油。控制油系統主要配置有儲油裝置（油箱）、動力單元（油泵）、輸送裝置（管道）、控制單元（電調裝置）、執行單元（油動機）和保護單元（危急遮斷系統）。電調裝置和危急遮斷系統的核心部件都是控制閥，是將輸出的電信號轉化成液壓信號，從而調節汽輪機閥門的開度[1]。在正常運行時，控制油系統提供穩定的油壓以維持閥門開度；在異常情況下，保護油動作以快速關閉和保護汽輪機組。控制閥還可以實現汽輪機轉速的自動控制，保護機組在任何情況下轉速都小于設定值，并對控制閥和油動機提供了在線試驗功能。

控制閥是精密元件，間隙尺寸小（微米級），若油中存在異物，會磨損或卡澀閥芯；若油中水分或酸值增加，會腐蝕閥芯部件。當機組安裝或大修改造后，系統管道、油箱存在污垢和金屬顆粒，需要在機組投運前或啟動前對控制油系統進行循環沖洗，若沖洗不干凈，將導致汽輪機閥門或保護單元動作異常，嚴重者將導致停機。通過對歷史缺陷的梳理，秦山第三核電廠（以下簡稱秦三廠）2臺機組都出現過控制閥故障，導致汽輪機閥門拒動、卡澀等異常，總結故障的主要因素是油泥和異物，秦三廠控制閥歷史缺陷統計如表1所示。

表1 秦三廠控制閥歷史缺陷統計

油質的污染程度直接影響著液壓系統的性能和可靠性[2]，因此如何確保大修后控制油系統的清潔度是一個重要的課題。本文以秦三廠為例，針對控制油系統管路復雜、對控制油品要求高的特點，優化方案、全面沖洗，以保證油品的清潔度，并期望達到一個大修周期（2 a）正常穩定運行。

1 制定方案

1.1 合格標準

控制油沖洗的原理是用干凈的油沖刷管道中或管壁上附著的雜質，因此用化學指標作為沖洗合格的依據，控制油系統沖洗合格判定標準如表2所示。大修期間，需要配置除酸、除水、除顆粒功能的濾油機對油箱進行連續凈化，并在沖洗前后檢測水分、顆粒度、電阻率合格。漆膜傾向指數（MPC）能反映油液中生成氧化產物的風險，是一個預防性指標，我們期望大修后的油品能持續保持良好的性能，因此起機時檢測油品MPC值以做參考指標。

表2 控制油系統沖洗合格判定標準

1.2 溫度控制

變溫沖洗是對系統回路加熱處理，提高油溫、降低油黏度，加熱后的油還有助于疏松內部積渣，使黏附在管壁上的氧化皮等雜物更易被撕裂沖走；但溫度過高又會引起控制油氧化分解，通常溫度高于80 ℃時控制油分解加速，酸值上升速度加快[3]。系統中引起油溫升高的因素為通過節流孔板、泵壓縮生熱和摩擦，但通常不會超過60 ℃，因此無需對系統進行額外加熱或冷卻，將沖洗期間油溫控制在60 ℃以內，以強化沖刷能力。

1.3 流速控制

評價沖洗效果不僅依據油質化驗結果，還需分析管內油液流動狀態，因此用表征流體流動特性的雷諾數Re來評價。雷諾數Re是指流體流動時的慣性力Fg和黏性力Ff之比，與管道平均流速v、管道內徑d、流體運動黏度μ有關[4]。

式中：v為速度，m/s；d為直徑，m；μ為運動黏度，mm2/s；Q為體積流量，mm3/s。

雷諾數越小，意味著黏性力Ff占主導，流體各質點平行于管路內壁有規則地流動，呈層流流動；雷諾數越大，意味著慣性力Fg占主導，管壁附近流速越接近平均流速，流體呈紊流狀態。管道沖洗的目的就是要沖刷掉附著在管壁上的雜質，因此沖洗時應盡可能使管道內達到紊流狀態，才能起到預期的沖洗效果[5]。對于圓管內流動，Re＜2200為層流，Re＞4000為紊流，2200是層流的閾值，即當Re=2200時開始進入紊流，當Re=4000時完全紊流。由此可計算出調節油管的最低流速為1.76 m/s、最小流量為0.89 L/s；保護油管的最低流速為3.53 m/s、最小流量為0.45 L/s，控制油系統低壓沖洗期間，流速/流量的理論計算值如表3所示。

表3 控制油系統低壓沖洗期間，流速/流量的理論計算值

1.4 時間控制

沖洗時間由油箱容積和濾油機泵的量程確定。油箱中的臟油通過濾油機過濾后又返回油箱，油不斷經歷過濾-分層-混合，直至整箱油合格。控制油系統裝量V=1500 L，濾油機循環泵流量Q=0.6 m3/h，控制油油泵流量為784.8 m3/h，啟動控制油油泵7 s后系統管線內充滿油。根據T=V/Q=2.5 h，即濾油機連續工作2.5 h可使油箱凈化一遍，因此每階段沖洗以3 h為節點取樣。

2 方案實施

2.1 沖洗范圍

保護單元——危急遮斷系統在整個控制油系統最末端，與油箱層高差約20 m；油動機及相連控制閥的內部油道（如圖1）在不同狀態下（正常運行/試驗/打閘/卸壓）控制油流經的通道不同。因此控制油系統沖洗范圍不只是油箱、管線，還包括蓄能器、油動機和控制閥內部油道。

圖1 油動機及相連控制閥的內部油道

2.2 沖洗順序

既要保證沖洗干凈的管路不被二次污染，又要節省時間避免重復沖洗，因此分為離線和在線兩部分：對于危急遮斷系統和油動機上的控制閥，將其整體拆除離線清洗；根據設備承壓等級和油流向將在線沖洗又分為低壓和高壓兩類，沖洗目標及順序如圖2所示。因此，沖洗順序為：1）單獨清洗危急遮斷系統和控制閥；2）低壓力沖洗調節油管線和保護油管線；3）高壓力沖洗蓄能器皮囊和油動機內腔；4）恢復正式配置及試驗。

圖2 沖洗目標及順序

2.3 專用工具實現沖洗

為了實現上述沖洗順序，需要制作專用工具加以實現。

分管路的短接工具如圖3（a）所示，將危急遮斷系統整體拆除后，制作專用短接工具連接保護油管形成閉環回路，并且操作手柄可切換不同回路。對調節油和保護油管路進行了流量測量，低壓管線實際沖洗效果評價如表4所示，調節油管實測流量為1.9 L/s，計算出雷諾數Re=4930，調節油管路已完全進入紊流狀態；保護油管實測流量為0.5 L/s，計算出雷諾數Re=2465，保護油管路剛進入紊流狀態，因此加長了沖洗時間。低壓管道沖洗取樣化驗合格，加之流動狀態為紊流，因此評價低壓管道沖洗有效。

圖3 專用工具

表4 低壓管線實際沖洗效果評價

油動機上有3類控制閥：第一類是提供保護油，以建立油壓的快關電磁閥；第二類是提供調節油的關斷閥；第三類是能開關或調節油動機開度的控制閥，例如伺服閥和試驗電磁閥。如圖3（b）所示的沖洗塊/沖洗閥，沖洗期間需要將正式閥替換成沖洗塊，其中第三類控制閥（伺服閥和試驗電磁閥）的沖洗塊帶手柄，又稱沖洗閥，可操作手柄推動油動機活塞上下動作。

當調節油和保護油管道沖洗干凈后，回裝清洗干凈的快關電磁閥和關斷閥，此時油動機上還有一個帶手柄的沖洗閥。將壓力升高到正常運行壓力（11～11.5）MPa后，手動操作沖洗閥手柄，使油動機活塞上下動作，從高壓沖洗油動機內腔取樣數據（如圖4）發現，解體檢修后的油動機內腔較臟，顆粒度達NAS 10級，需要2次沖洗才能合格；若沒有對油動機內腔沖洗，異物可能進入控制閥中導致卡澀。因此，此步高壓沖洗油動機內腔可有效清除油動機開口檢修中所進入的異物。

圖4 高壓沖洗油動機內腔取樣數據

3）超聲波清洗控制閥集成塊。危急遮斷系統的7臺控制閥坐落在集成塊上，是主脫扣電磁閥的必經之路，以前是在線沖洗+銅棒敲擊振蕩，但仍出現主跳閘電磁閥卡澀故障。此次將集成塊拆除放置在容器中，加入中性清洗劑進行超聲波清洗，通過溶液中的微氣泡振動、剝離管壁上的油泥，達到清洗效果，如圖3（c）所示。

最后，當調節油和保護油管道、蓄能器、油動機內腔、控制閥都已清洗干凈后，恢復正式系統配置后再進行試驗（如超壓試驗、壓力釋放閥試驗、伺服閥校驗、快關試驗等）。起機后化學指標均合格（含水量為103 mg/kg、顆粒度為SAE AS4059F 4級、電阻率為1.05×1010Ω·cm），漆膜傾向指數MPC為6.9，遠小于期望值15。

3 結論

本文以秦三廠控制油系統為研究對象，針對系統復雜、對油質要求高的特點，通過控制流速、溫度、時間3個過程參數，并制作專用工具，實現了在線分管路、變壓沖洗；并創新地將危急遮斷系統離線超聲清洗。起機后化學指標均合格，漆膜傾向指數遠小于期望值，而且油動機上控制閥已保持一個大修周期（2 a）未卡澀，設備可靠性明顯提升，因此總結該良好實踐，以供同行電廠參考。

[參考文件]

[1] 孟祥宇.汽輪機油顆粒度檢測的重要性及控制措施[J].內燃機與配件，2016(12)：61-62.

[2] 李智,馬強,潘日明,等.汽輪機抗燃油的運行管理和監督[J].熱能動力工程，2000,15(1)：75-77.

[3] 孫曉東,劉曉瑩,岳兵.影響抗燃油酸值指標的因素及規律研究[J].電力安全技術，2016（9）：61-63.

[4] 馮錦春，唐林.液壓潤滑管道油沖洗技術研究[J].液壓與氣動，2009（8）：68-71.

[5] 李登萬.液壓與氣動傳動[M].南京：東南大學出版社，2006.

[6] 馮麗蘋,劉永洛,許海生,等.磷酸酯抗燃油抗劣化措施與試驗[J].熱力發電，2018，47（1）：125-129.