双电泵系统油泵切换过程压力稳定性分析及优化

郭艳妮 王秋宝 张红日

江苏江海润液设备有限公司 江苏 启东 226200

引言

润滑油系统作为大型汽轮机的关键辅助系统，对大型汽轮机的安全稳定运行至关重要。近年随着配电技术的不断完善和机组大型化发展的需求，双电泵润滑油系统逐渐成为主流选择。典型的双电泵润滑油系统主要由两台一用一备的交流油泵、直流油泵、油箱、过滤器、冷油器等设备以及仪表组成，其中油泵为离心式结构。

电动机的安全性是双电泵系统安全性的最重要的保障，除此之外，还在于配置与控制逻辑、控制柜的设置、电网的稳定性、运行维护等外部因素[1]。尤其在电力工业领域，要求任何时候当发生故障时，都应该能够及时切换备用交流油泵或直流油泵，持续向机组轴承供给满足压力、流量、温度的润滑油，保证大型汽轮机组的安全运行或惰走停机；任何时候当发生故障需要进行油泵切换时，备用油泵都被设计成能够迅速投运以保证在规定的时间内恢复供油压力，不会因油压过低而触发跳机事故。

1 故障时油压变化

双电泵润滑油系统运行工作时，只有一台交流润滑油泵在投运。当发生失电、分闸、过载等电气故障或油泵故障、漏油等机械故障时，监测系统会及时报警并逻辑控制连锁另一台交流润滑油泵或直流事故油泵投运。无论是电气原因或非电气原因，当运行油泵故障停运、备用油泵连锁启动时，润滑油压均是先下降后上升的过程。当发生故障时，电动机失去动力油泵停止工作，系统中压力即处于迅速下降的过程；油压下降到压力报警点时连锁备用油泵投运；备用油泵的投运能够向系统补充润滑油以减缓油压下降的趋势，直至达到压力平衡出现压力最低值，之后压力呈向上升高的趋势，直至备用油泵完全投运压力恢复正常。

授权公告号CN110848147B[2]的专利公开了一种离心油泵快速切换的模拟测试方法，可以通过测试油泵的启动曲线和停止曲线从而叠加模拟得到油泵切换过程中的压力最低值。通过此方法，也可将油泵切换过程拆解成油泵停止和油泵启动两条曲线，并通过时间关系叠加。拆解后的模拟油压变化曲线见图1示例。从曲线看，影响油压变化的因素主要有：油压下降速率、备用泵建压时间、备用泵投运时间3方面。

图1 模拟油压变化曲线

2 优化措施

针对双电泵润滑油系统故障时油压变化的特点，为了保证故障时油泵切换过程中的油压稳定，通常从降低压力下降速率、提高油泵快速建压能力和缩短备泵投入时间三方面进行优化。

2.1 降低压力下降速率

润滑油压下降是由负载轴瓦间隙泄油产生的固有特性，只能通过方案进行延缓。从工程应用实例看，降低油压下降速率的主要途径就是设置蓄能器。

在润滑油系统中交流油泵出口、母管出口或汽轮机主设备平台等任一位置或多个组合位置设置合适的蓄能器，通过蓄能器作为辅助动力源，在事故情况下持续向系统中供给润滑油，从而延缓油压下降速率。润滑油系统中蓄能器多采用皮囊式蓄能器，所需蓄能器的容积按照绝热状态蓄能器作为辅助动力源的容积公式计算，多个标准容积的蓄能器并联可以实现放油量的调节，灵活方便地调整补油时间。

国家能源局文件中也规定安装蓄能器用来保证机组安全停机，不发生轴瓦烧坏、轴径磨损等故障[3]，因此设置蓄能器是大型汽轮机组润滑油系统故障保障的最有效措施。

2.2 提高油泵快速建压能力

采用双电泵润滑系统供油的机组中润滑油泵的启动时间是非常关键的因素，在备用油泵或事故油泵切换时，油泵的启动时间被设计的尽量短，以避免由于原有的泵停止工作而备用泵启动慢，导致系统短时间断油。优化措施主要有以下几个方面。

2.2.1 降低转速。电动机起动转矩越大，电动机加速度越大，起动过程越短，也越能带动重负载启动，反之，若起动转矩小，起动困难，起动时间长，使电机绕组易过热，甚至起动不起来，更不能重载起动。同样功率的交流电动机，4极电机的转矩比2级电机的转矩大一倍。因此采用低转速电机可以提高泵的启动时间，从而实现快速建压，当然过低的转速也会带来经济性不合理的问题。

近年，我公司对不同功率和转速的交流电动机的起动特性进行了研究，对部分电动机的起动数据统计见表1。从表中可以看出，90kW以下2极电动机带负载起动时间均很快，160kW的4极电动机带负载起动时间也很快，但不同品牌的油泵由于制作工艺的不同启动时间存在较大差异。

表1 不同功率和转速电机启动时间数据表

2.2.2 减少备泵启动时空气释放。备用油泵出口逆止阀前 如果存在过多的空气，备用油泵在故障连锁因为有较多空气的存在，建立油压需要先排出逆止阀前积聚的空气，造成起压时间长，油压建立慢[4]。液下立式油泵设计选型时需要将出口止回阀下移安装到油箱运行油面以下，并在逆止阀前的高点钻一个φ3～φ5mm小孔，可以在备用泵启动前就将油泵出口止回阀前的空气排净，从而提高备用泵建压速度。

2.2.3 减小泵转动惯量。转动惯量的大小直接影响离心油泵的启动加速度，从而直接决定泵从得电到转速达到稳定所需要花费的时间。汤跃等研究了不同转动惯量叶轮对泵开机瞬态特性的影响，从模拟和试验两方面进行了分析，都得出同样的结论：开机启动阶段，时间和流量的关系与叶轮的转动惯量有关，随着转动惯量的增加，开机稳定时间越长；泵加速启动时间与泵的转动惯量成正比[5]。因此，减小油泵的转动惯量，可以很好地改善泵的启动特性，得到更快的启动时间。

2.2.4 直流电机采用串电阻启动。双电泵润滑油系统中，直流润滑油泵是汽轮机组安全运行的最后一道保障，其电动机的启动控制要考虑润滑油系统上的工艺特点和要求[6]，无论何种情况，都必须确保直流润滑油泵能够快速投运并稳定运行至汽轮机组惰走停机为止。常用的直流电机启动方式有直接启动、串电阻启动和软启动三种。串电阻启动是采用在电枢回路中串入一级或多级启动电阻来限制启动电流，转速上升后再逐级切除启动电阻的一种启动方式，将会缩短直流油泵的出力时间[7]。由于电动油泵转子轻、转动惯量小，当电源失去或出现故障时很快就会运转停止，这就要求其必须在极短的时间内快速启动，上汽和哈汽汽轮机组推荐启动时间小于1.3s，只有串电阻启动方式方可满足条件。

2.3 缩短备用泵投入时间

事故工况时备用泵投运时间的快慢，直接影响油压降低的下限。备用泵投入时间主要受控制逻辑的影响，优化措施主要有：

2.3.1 提高备泵切换压力值。采用较高电动油泵出口压力的目的是为了有利于事故工况下备用泵的切换，使切换过程中轴承进油压力不低于机组跳闸保护值[8]。提高油泵出口的压力，可以将故障时备用切换压力值提高，预留较大的余度，使得备用泵提早投运，更快的为系统补油，提高油泵切换过程中的压力最低值。另外，油泵停止后，靠近油泵位置的压力测点能够更敏感的反应压力变化，将备用泵切换压力测点设置在此处对油压报警更有利。

2.3.2 增加就地硬连锁。当故障发生后，电气故障的反应速度远快于机械故障的反应速度，因此一般都将失电、分闸、过载等电气故障作为备用泵投运的首要条件。除此之外，将其中一个压力开关信号通过硬接线引至就地控制柜，用于故障时备泵投运，比压力信号通过DCS逻辑判断后再连锁启动备用油泵更快，尤其适用于直流润滑油泵的故障投用。

2.3.3 直流泵提前备投。直流电机受启动方式的限制，启动时间偏长。为避免油压过低的风险，可以选择在交流备用油泵起动时就备投起动直流油泵，当压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。

图2 优化后的模拟油压变化曲线

3 试验模拟

通过优化措施对双电泵润滑油系统的改善，就可以得到较理想的故障时油泵切换过程中的油压变化曲线，如图2示例，故障时两条曲线叠加产成的油压最低值远远高于油压报警值，系统安全性得到显著提高。但受润滑油系统制造商试验条件的限制，当前很少有项目将模拟故障时油泵切换过程中压力变化作为润滑油系统出厂验收的条件，往往都是在现场调试或运行期间，模拟或真正故障切泵时才会暴露出压力过低等问题。因此，对于大型汽轮机组而言，故障时油泵切换过程压力变化在工厂内进行模拟试验就尤为重要。如图2所示。

4 结束语

双电泵润滑油系统的安全性，除了电动机安全性以及外部因素外，还可以通过降低压力下降速率、提高油泵快速建压能力和缩短备泵投入时间等措施对油泵切换过程进行优化，从而改善油泵切换过程中油压低的现象，避免机组跳机风险，具有重要的工程应用参考价值。