大型机组油泵驱动透平调速器故障诊断
2016-03-10杨健
杨健
（中国石油大港石化公司，天津 300280）
大型机组油泵驱动透平调速器故障诊断
杨健
（中国石油大港石化公司，天津 300280）
大型机组油泵驱动透平转速波动易引起油压波动，威胁机组长周期安全运行。通过梳理TG-13型调速器的工作原理，结合拆检情况，找到了汽轮机转速波动的原因。由此总结出TG-13型调速器转速波动的分析方法和大型机组油泵驱动透平在日常生产中的管理重点。
TG-13型调速器；转速波动；锈蚀；转速不等率；
1 故障描述
2016年4月，中国石油大港石化公司220万吨/年汽柴油加氢装置循氢压缩机组油站的透平油泵转速，随着全厂低压蒸汽管网压力的周期性变化（0.9～0.79MPa），在1397～1523r/min范围内大幅波动（额定转速1450r/min）。手动调节油站小透平调速器“调速旋钮” 时转速变化不线性，很难将转速稳定在额定转速1450r/min。更换新调速器后，故障现象消失。
油泵转速的波动极易导致机组润滑油压、控制油压的波动，触发联锁停车，炼化装置中的循氢机组往往是单台布置，其联锁停车必然引起装置停工等一系列联锁反应。为从本质上消除隐患，我们对故障调速器进行了拆检、分析，并查找到了原因所在。
2 设备结构及原理简介
2.1 循氢机组油路系统简介
220万吨/年汽柴油加氢装置循氢压缩机组油路系统包含由油箱、油泵、油冷器、过滤器、压力调节阀等部件组成的油站，润滑油管路以及控制油管路等部分。其中油泵为双泵主辅泵配置，主油泵由蒸汽小透平驱动。
2.2 主油泵透平简介
主油泵蒸汽小透平是由ELLIOTT公司生产的BYRT Ⅲ两级背压型汽轮机，动力蒸汽为1.0MPaG 250℃的低压蒸汽，出口 背压0.4MPaG。采用WOODWARD公司生产的TG-13型调速器，恒定转速（1450r/min）运行。
图1 TG-13和TG-17工作原理图
图2 TG-13型调速器控制原理方块图
2.3 TG-13调速器原理（图1）
WOODWARD TG-13是一种机械～液压转速有差调速器，多用于恒转速运行的汽轮机控制。主要由内啮合齿轮油泵、蓄能器、调速弹簧、飞锤和导向阀套组件、导向滑阀、伺服活塞、不等率调整机构、转速调整机构、输出杠杆与轴等部件组成（见图2）。
汽轮机转子通过挠性联轴器与调速器内啮合齿轮油泵转子连接，油泵转子通过花键与飞锤和导向滑阀套组件连接，工作时，内置油泵转子、飞锤和导向滑阀套组件与汽轮机转子等速旋转。
通常TG-13调速器会涉及三种典型工作状态：
一是恒速工作状态。汽轮机转子通过用挠性联轴器带动调速器内油泵运转，内置油泵将调速器油池内油液增压后泵入高压油管路，供给蓄能器和导向滑阀。蓄能器储能并将高压油管路内的油压稳定在汽轮机额定工作油压1034KPaG。因汽轮机转速恒定，导向滑阀处于关闭位置，高压油不进入伺服活塞干预汽轮机调阀的开度。
二是调速工作状态。当转速设定螺钉沿增速方向旋转后，反馈杠杆下移，增大了调速弹簧的作用力，使导向滑阀阀芯下移，将伺服活塞的下缸与高压油管路联通，在高压油的作用下伺服活塞向上运动，通过调速器输出轴增大汽轮机调阀开度，从而使汽轮机增速。调速器的飞锤和导向滑阀套组件随汽轮机转子增速后，飞锤的离心力增大，通过飞锤的支脚将增大的离心力传递给调速弹簧，方向与反馈杠杆传递给调速弹簧的作用力相反，同时伺服活塞上行后减小了不等率杠杆在反馈杠杆上的作用力，从而减小了反馈杠杆对调节弹簧的作用力，两作用过程叠加，使导向滑阀阀芯上移复位，切断了伺服活塞下缸与高压油管路的联通，伺服活塞停止上行，增速过程结束。当转速设定螺钉沿降速方向旋转后，导向滑阀阀芯上移使伺服活塞下缸与油池联通泄压后复位，其余步骤与增速过程相反。
三是外界扰动工作状态。汽轮机恒转速运行时存在一些外界扰动因素，如汽轮机负载的增减和汽轮机因蒸汽品质等原因引起的输出功率增减等。
当汽轮机因负载减小等原因转速增大、偏离设定转速时，飞锤离心力增大压缩调速弹簧将导向滑阀阀芯上移，使伺服活塞下缸与油池联通泄压，伺服活塞下行，通过调速器输出轴减小汽轮机调阀开度，汽轮机转速降低并回归设定转速；当汽轮机因负载增大等原因转速降低、偏离设定转速时，工作过程相反。
3 调速器拆检情况
3.1 调速器内部组件严重锈蚀（图3）
图3
3.2 油液乳化并伴有大量锈渣（图4）
图4
3.3 导向滑阀阀芯与导向阀套间锈蚀、卡涩，导向滑阀失效，无法正常开闭（图5）
图5
3.4 伺服活塞严重锈蚀、卡涩（图6）
图6
4 原因分析
4.1 故障机组存在的外界扰动
循环氢压缩机组在正常运行过程中，其油路系统相对稳定，不存在用油量、油压等参数大幅变化，故主油泵汽轮机的负载是稳定的。但在日常生产中1.0MPaG的汽轮机驱动蒸汽压力存在周期性波动（0.9～0.79MPaG），这会造成汽轮机输出功率不稳定，也成为该汽轮机最主要的外界扰动因素。
4.2 汽轮机不稳定运行分类
汽轮机调速系统不稳定状态可以分为外界扰动后转速发生不会自行衰减的震荡脉动和外界扰动后转速复位响应迟钝两类。
4.3 调速器提高稳定性的方法
调速器通常会引入一定的“转速不等率”，用以提高其运转时的稳定性。
转速不等率是当汽轮机负载增加，调速器输出轴从最小燃料位置移向最大位置时，转速却出现的一定的下降值。通常转速不等率用额定转速的百分比来表示。
不等率设置过小，在外界扰动后会引起转速振荡脉动；不等率设置过大，调速器对外界扰动响应迟钝。
TG-13型调速器配置有可调的不等率杠杆，在调速器工作过程中通过改变反馈杠杆作用力并与飞锤离心力变化叠加，共同控制导向滑阀开闭，从而实现汽轮机转速稳定。
通常通过调节不等率调节杠杆位置将转速不等率设定为6%。
4.4 本次故障原因分析
调速器的不等率通常在出厂或检修后已经设定完毕。不等率配置不合理引起的汽轮机转速脉动或迟滞多在设备开车初期就会发现，此外长时间运行不等率调节杠杆松动跑位，也会引起汽轮机运行的不稳定。但本次故障调速器已连续运行近12000h，且拆检时并未发现不等率杠杆松动，应排除不等率的原因。
从现象看，汽轮机转速波动与外界扰动因素（驱动蒸汽压力波动）一致对应，应该是调速器对外界扰动反应迟滞或不响应造成的。结合拆检时发现的导向滑阀卡涩失效、伺服活塞锈蚀卡涩等现象，本次故障的主要因素应该是调速器内构件锈蚀、失效所致。
汽轮机长时间运转，轴端汽封会存在一定的泄漏，机体周围飘散着泄漏的蒸汽。本次故障的调速器安装在汽轮机轴头，距离汽轮机轴端汽封较近，泄漏蒸汽会沿着调速器呼吸孔进入其内部，而调速器的油池是封闭的，且运转时不能在线更换油液，这就使侵入的水汽长期积累，引起油品乳化，内构件锈蚀。
又因为该汽轮机为恒转速运行工况，其内构件（导向滑阀、伺服活塞）很少大幅运动，长时间的锈蚀使这些部件卡死在某一位置，最终造成了调速器失灵，无法对外界扰动因素做出响应。
5 结语
（1）小型恒转速运行的蒸汽透平多采用TG型调速器，转速出现波动故障时应从不等率的配置及调速器机械故障两方面进行分析排查。
（2）大型机组油路系统多为布置紧凑的撬装形式，油泵汽轮机轴封处的泄漏蒸汽很容易侵入调速器内污染油液，锈蚀内部组件，造成调速器卡涩、失灵，从而引起汽轮机转速波动。
（3）为了提高大型机组抗晃电能力，保证长周期运行，其油路系统多采用汽轮机驱动主油泵。但运行时往往忽略了油泵透平轴封漏汽问题的整治、汽轮机调速器的油品检验更换和强制保养等，给大型机组长周期运行带来了新的安全隐患。
[1]戚元勋.TG-10调速器稳定条件和影响因素[J].大氮肥，1994,5.
[2]杨建刚，罗定全，李勤.天然气压缩机调速器调节螺杆断裂分析[J].压缩机技术，2014,1.
TH45
A
1671-0711（2016）12（上）-0050-03
