提高AE94.3A型燃氣輪機潤滑油系統運行可靠性措施

東莞深能源樟洋電力有限公司 馬文德 吳金創 陳旭義

由于9F級燃氣輪機的轉子質量與慣性極高，為確保能夠穩定地運作，必須提供優質的軸承潤滑。但是，由于燃氣輪機的潤滑油系統出現的問題頻繁且原理復雜，存在的問題往往難以察覺，例如，潤滑油的壓力減少，備用油泵無法正常工作，以上問題均可能導致潤滑油的中斷，使得軸承無法得到充足的潤滑，從而使得機組的軸系產生更強的振動。若情況嚴重，可能導致軸瓦被燒壞、軸頸受到磨損，或是轉子的動態與靜態部位出現摩擦、葉片掉落，這些問題將導致較大的經濟損失。所以，保障潤滑油系統的穩定較為關鍵。

1 潤滑油系統故障

1.1 潤滑油系統典型故障

潤滑油系統故障引發的事件時有發生，尤其新投產的機組因潤滑油系統邏輯、潤滑油系統設計缺陷等原因尤為突出，本文列舉以下兩個典型案例進行介紹。

案例一：2008年9月22日，廣東的一家發電企業的汽輪機突然停止工作，導致交流潤滑油泵同時啟動。然而，在這個過程中，潤滑油的壓力降低了0.07MPa，接著啟動了直流潤滑油泵。然而，在轉速減少到2068r/min之后，潤滑油的壓力再次下降，最終降為0.05MPa。最終，這個油壓也因此消失，導致了一場燃料中斷和瓦片損壞的事故。在事件發生之后，檢查了整個系統，并確認了潤滑油泵并沒有安裝放空管。

案例二：2015年12月17日，浙江的一個450MW級的燃氣-蒸汽聯合循環設備，執行了直流潤滑油泵的開關測試。測試結果揭示，潤滑油的輸入壓力有所滯后，然而，當第二次開始運作時，油壓已經回到正常水平。根據過去的記錄，只有在第一次啟動60s之后，直流潤滑油泵的出口壓力才能回歸正常水平。假設在設備操作過程中，交流潤滑油泵出現問題，可能會使得在進行交流和直流潤滑油泵的轉換時，出現60s的油壓不足，進一步可能觸發油泵斷裂和瓦片損壞的危險。通過研究發現，由于直流潤滑油泵的排空管直徑太小，導致了空氣無法順利排放，從而使得油壓無法正常構建。

1.2 潤滑油系統異常原因分析

所有這兩個問題都源于潤滑油泵啟動后無法正常產生油壓，導致系統的潤滑油壓力急劇下降。經過研究，發現潤滑油泵的問題主要源于以下幾方面。

潤滑油作為一種液態溶劑，通常會吸附一些空氣，這些空氣在流動或者靜止的過程中會持續地析出，尤其是當潤滑油的溫度變化和流速減慢時，空氣的析出量會大幅度提升。雖然絕大多數的空氣將被抽離到油箱的最高點，然而，那些在潤滑油泵底部的一小部分的空氣將被引導到潤滑油泵的內部。

當潤滑油系統正常工作時，許多的潤滑油將從操作油泵的出口開始流出，然后匯聚。當潤滑油進入油箱時，其中的空氣量將會逐漸上升。假如油泵未配備排氣口，或由于其他因素阻礙了空氣的正常排放，那么累積的空氣將逐漸滲透至油泵葉輪的吸入部位的翼緣以下，進而在葉輪內部產生一個空腔。在油泵啟動運行的過程中，由于無法有效地排出空氣，葉輪內部出現了鼓風現象，這種情況妨礙了潤滑油的順利吸入，進一步導致油泵無法產生油壓。

假若潤滑油泵配備了排空系統，或者在其外殼上安置了排空口，那么油泵內部的空氣就能夠順利地被排除，同時潤滑油也能夠填滿油泵的內部，這樣一來，當油泵被激活的時候就能夠順利地構造出油壓。但是，假設油泵的排氣口或者排氣管的尺寸不夠大，那么潤滑油的本質張力將使得空氣被固定在油泵的內部。唯一的解決辦法是開啟油泵并施加鼓風，以便將空氣釋放，從而引發了油泵的油壓延遲[1]。

案例一因為沒有在交、直流潤滑油泵的泵體上安裝排氣管道，導致潤滑油泵的內部腔室產生了大量的空氣，這些空氣已經堆積至油泵的入口翼緣以下。當油泵被激活之后，葉片的運行僅能觸發出一種叫做鼓風的現象，但是由于潤滑油不能流入葉片中以制造出離心力，所以其不能夠創造出油壓；案例二則是由于潤滑油泵的殼體排空管道直徑太小（僅有5mm），導致潤滑油的張力在管道的中心部分停滯，使得空氣被封存在潤滑油泵的殼體內，并且進入了油泵的進口。在啟動時，油泵的鼓風效應打破了排空管道的密封，盡管潤滑油壓力得以形成，但其滯后程度過大。

2 AE94.3A潤滑油系統

2.1 AE94.3A潤滑油系統介紹

一套由AE94.3A型單軸聯合循環機組的燃氣輪機與蒸汽輪機共享的潤滑油系統，能夠在機組的開始、穩定操作和關閉時為燃氣輪機、發電機、SSS離合器、汽輪機的軸承、盤車設備等需要保持良好潤滑的部分，提供大量且具有合理壓力與溫度的潤滑油。這套系統能夠吸取軸承與其他潤滑設備所釋放的熱能，確保這些設備的工作溫度保持在可接受的水平，避免軸承被燒毀或者軸頸因過熱而變形。確保設備能夠穩定且可信賴地工作。另外，潤滑油還提供給發電機密封油、燃氣輪機RDS系統用油，以及通過頂軸油泵向燃氣輪機、汽輪機液壓盤車裝置提供動力油。

AE94.3A型的安薩爾多單軸聯動循環發動機潤滑油系統的構造包括潤滑油儲罐、兩臺100%的交流潤滑油泵（一次使用一次備份）、一臺直流潤滑油泵、兩臺100%的頂軸油泵（一次使用一次備份）、兩臺潤滑油冷卻器（一次使用一次備份）、兩臺潤滑油過濾器（一次使用一次備份）、油氣排放器、潤滑油清潔器等，并且這些都是通過模塊化的方式進行設計和安裝的。此外，潤滑油系統還包括相應的管道、閥門、潤滑油箱電加熱器等附件，以及溫度、壓力、液位熱工測量元件，潤滑油模塊安裝于機島零米層。

潤滑油系統是一個閉式內部循環系統，管路分為兩部分：供油管路和回油管路（流程圖如圖1所示）。在機組盤車、啟停及帶負荷運行狀態下，必須啟動潤滑油系統為機組軸承轉動提供潤滑油。在正常工作條件下，一臺交流式潤滑油泵會啟動，并對油箱內的潤滑油施加特定的壓力，然后利用潤滑油冷卻裝置對其進行降溫。當潤滑油的溫度達到適宜的水平時，會被送往專門的潤滑油過濾裝置進行凈化，以去除其中的雜質以及由于油的化學反應產生的產物，以避免油的性能降低以及設備的污染、磨損和阻塞。經過上述設備的操作，適宜的壓力和溫度，清潔的潤滑油被輸送到潤滑油供應管道中。

圖1 潤滑油系統流程示意圖

在電力供應中斷或交流潤滑油泵出現問題的情況下，直流潤滑油泵將為機組軸承供應潤滑油。這些潤滑油不再經過冷卻器和過濾器，而是直接輸送到潤滑油母管，以確保機組的安全停機。

潤滑油母管的潤滑油經各支管分別向以下設備（或系統）供油：汽輪機軸承（#1、#2、#3）潤滑冷卻用油；提供SSS離合器軸承（#5）潤滑冷卻用油；提供發電機軸承（#5、#6）潤滑冷卻用油；提供燃氣輪機軸承（#7、#8）潤滑冷卻用油；提供燃氣輪機RDS系統供油；提供發電機密封油系統供油（詳見密封油系統介紹）；提供燃氣輪機與汽輪機液壓盤車裝置的潤滑冷卻用油。

經過以上用油設備（或系統）后，所有的回油通過潤滑油回油母管返回到潤滑油箱。經過多次循環，潤滑油內部含有油霧、水分和其他雜質。為確保其質量達標，潤滑油系統特別配置了用于清除油霧的裝置、真空油凈化器、外部濾油器等附加裝置以提升油的品質。為確保潤滑油系統的安全穩定運作，在系統中安裝了壓力開關、壓力傳感器、溫度傳感器和液位指示器等相關的熱工檢測和保護設備，以便監控系統的運行參數并提供保護。

2.2 潤滑油系統隱患分析

2.2.1 滑油系統建壓慢

東莞某電廠二期滑油系統調試過程中出現滑油壓力建壓慢的問題，在油泵故障狀態切換試驗時，油壓擾動過大，交流油泵聯啟備用泵最低油壓降至0.182MPa（跳機值0.23MPa），兩臺交流油泵全停聯啟直流油泵，油壓最低降至0.079MPa。在極端的工作條件下，只有5s，油壓才能恢復正常。而且，潤滑油泵在第一次啟動時無法迅速形成油壓，但第二次啟動后可以恢復正常。該問題的根源在于油泵內部的空氣。在調試階段，已經對滑油泵的建壓限制時間做了調整，確保了滑油系統不會發生系統警報和連接滑油泵的情況。盡管存在某種程度的危險，但是當實際的潤滑油泵出現問題時，油壓的形成可能會出現延遲，這是導致斷油燒瓦事故的主要安全隱患，必須給予充分的關注。

根據廠家提供的潤滑油系統資料，該電廠的主、備、應急潤滑油泵殼體放氣孔管徑過小（內徑僅3mm）（滑油泵結構如圖2所示），殼體內封存的空氣排不出去是滑油系統建壓滯后的主要原因。為徹底解決潤滑油系統建壓慢的問題，有實施增大油泵泵殼排氣孔孔徑的必要。

2.2.2 第三油源防護措施

《防止電力生產事故的二十五項重點要求》的最新版本，對于汽輪機和燃氣輪機的潤滑系統有了更高的標準，特別是在潤滑油系統經常出現故障的情況下，選擇引入潤滑油儲能器設備等第三方油源來進行保護。該電廠二期滑油系統因設計原因未設置潤滑油儲能器，對故障下的機組安全運行存在一定的安全隱患。

3 潤滑油系統隱患的建議措施

3.1 選擇合適的油泵殼體排氣孔孔徑，補充臥式滑油泵為備用

確保油泵的空氣流通至關重要，需要確保油泵的泵殼排氣孔的直徑能夠滿足在靜止狀態下正常排放空氣的需求。為了避免空氣孔在運作過程中被堵塞，油泵的泵殼上的開孔尺寸應該超過10mm。如果油泵的泵殼排氣孔后面配備了較長的管道，那么應該增大排氣管的直徑，通常應該超過15mm，并且需要定期進行檢查；補充臥式滑油泵為備用。對于避免立式潤滑油泵吸入空氣的預防方案，添加外置式臥式潤滑油泵以做備份也是有效的。然而，還須考慮臥式離心泵的運轉特點，潤滑油泵的蝸殼頂端需安裝排放空氣的管線，確保它的流動順暢。

3.2 潤滑油泵出口母管增加潤滑油儲能器

潤滑油儲能器能較好地解決潤滑油系統壓力自保持時間過短問題，蓄能器在系統正常運行中蓄存潤滑油，蓄存量要保證在油泵切換過程能有效釋放至少140L（AE94.3A機組油泵2s內的額定流量）潤滑油，以維護系統壓力[2]。按照儲能器計算公式：

式中：V0為所需蓄能器的容積；P0為充氣壓力，按0.9P2＞P0＞0.25P2充氣；Vx為蓄能器的工作容積；P1為系統最低壓力；P2為系統最高壓力；n為指數，等溫時取n=1，絕熱時取n=1.4。按P1系統最低壓力取330kPa；P2系統最高壓力取600kPa；0.9P1≥P0≥0.25P2，即300kPa≥P0≥150kPa，P0在選值范圍內取值越大，雖蓄能器的蓄油量是下降，但其排放過程中有效排放量卻是增加的，因而P0應選大值，取P0＝300kPa。因充氣壓力P0＝300kPa，蓄能器的有效排放量至少為潤滑油泵2s的額定流量Vx=140L，按儲能器計算公式計算得到V0=529.06L。

3.3 建立潤滑油系統油泵的操作和測試記錄

首先，需要確保在滿足試驗規程的條件下進行試驗，并熟練掌握操作流程。其次，對試驗過程進行詳盡的記錄和分析，并對交流和直流潤滑油泵事故聯起試驗、啟停試驗中油壓建立的時間和壓力狀況進行精確記錄，并進行比較；提升電廠維護和操作人員的技術能力。對潤滑油系統的知識進行深化教育，增強解決問題的技巧，以便準確地識別和處理機組潤滑油系統中的異常情況并迅速進行解決。