饱和蒸汽轮机飞车原因分析及对策*

陈昱臣，聂贵兴，胡 建，唐顺欢

（1.驰宏科技工程股份有限公司，云南 曲靖 655000；2.云南驰宏锌锗股份有限公司，云南 曲靖 655000）

饱和蒸汽轮机飞车是指采用饱和蒸汽发电的汽轮机超过临界转速，致使汽轮机的转速失控，从而导致汽轮机叶片、轴、汽缸以及管道等装置严重破坏的恶性事故[1]。每一次飞车事故都给企业造成了极为严重的后果，为此每一起飞车事故的研讨很有必要。

1 事故经过

某公司锌冶炼采用沸腾炉，铅冶炼采用艾萨炉、侧吹还原炉、烟化炉，配置5台中压蒸汽余热锅炉，高温烟气系统通过余热锅炉利用余热，产出（120～180）t/h中压饱和蒸汽。动力厂配置了一台由德国KK&K公司制造的LSA58 BM10型汽轮发电机组，该机组是一套双胞胎式饱和蒸汽机组，共有四个汽缸通过齿轮箱同时拖动一台发电机，额定容量10.5 MW，汽轮机额定转速1 500 r/min。事故当天，冶金炉减料减风，蒸汽供应量下降，2#汽轮机I段进汽压力降至3.1 MPa，温度降至238℃（联锁停机条件：进汽温度≤238℃），汽轮发电机组发出联锁停机信号，发电机解列，作业人员按照汽轮发电机组跳车应急程序打开低压蒸汽电动排空阀。发电机解列后1 s内，转子转速急速升高超过1 800 r/min，35 s后1#低压缸崩裂，8 s后2#低压缸崩裂，事故造成汽轮机组两侧低压缸叶轮、喷嘴、蜗壳等部件严重损坏。

2 原因分析

2.1 事故运行状况分析

1） 根据汽轮机PLC与DCS的报警及停机事件记录（见图1） 分析，汽轮机PLC系统在检测到蒸汽温度小于设定值238℃时，发出了停机指令，发电机带负荷解列，发电机解列后，发电机转速不降反升，并超出仪表量程，整个超速过程持续6 min。发电机解列后2#汽轮机高压缸进汽流量仍有34.2 t/h，事故发生后才逐步从33.4 t/h下降至13.5 t/h。

图1 事故时汽轮机组DCS、PLC运行曲线Fig.1 DCS,PLC operation curve of steam turbine set when accident occurs

从超速破坏发生的机理分析，汽轮机转子及转子上的部件在旋转过程中，受到离心力F=m×r×ω2作用，离心力与角速度的平方呈正比关系，且受力点随着周圆半径增大也成几何增长。当转速达到汽轮机转子固有频率转速时，振动会突然变大，即发生共振，当转速超过固有频率转速后，振动增幅降低，并将稳定在某一范围内，当转速接近2倍固有频率时，振幅又会急速增大，从而致使动静摩擦振动继续增加轴系失稳，转子及附件飞离汽轮机腔室。

发电机解列后，蒸汽未能及时切断是导致汽轮机超速发生飞车的直接原因；

2） 事故后，现场测试1#、2#汽轮机高、低压进汽调节阀、紧急关断阀的伺服阀。正常状况下，进汽调节阀接收阀位指令，阀门根据信号调节开度；紧急关断阀接收信号，阀门执行开关。但在启动辅助油泵后，2#机进汽调节阀、紧急关断阀的伺服阀在未给指令的情况下自动开启，油泵停运后伺服阀处于开位，阀门状况异常。

通过测试阀门，结果显示，2#汽轮机进汽调节阀、紧急关断阀异常，是造成蒸汽未能及时切断的直接原因；

3） 对1#、2#汽轮机高、低压进汽调节阀、紧急关断阀、滤芯、油泵等进行拆解（见图2、图3）。拆解时活塞卡死，使用铜棒才强行拆解，拆解后发现2#机高、低压进汽调节阀、紧急关断阀的伺服阀活塞腔室有黑色胶状物；拆解的油滤芯也显示2#机滤芯胶状物远多于1#机；拆解油泵腔体内有结胶，主齿轮轴向磨损明显。

图2 解体后的伺服阀活塞Fig.2 Servo valve piston after disintegration

图3 拆解后的滤芯和油泵Fig.3 Filter element and oil pump after disassembling

从润滑油结胶的机理来分析，润滑油在使用过程中与空气和金属材料接触并处于一定的温度条件，润滑油发生氧化，逐渐产生可溶的极性物质（抗氧化剂及基础油的降解物），当极性物质的含量超过汽轮机油的溶解度或温度下降后，就会析出沉淀在机械系统的各个地方，尤其是金属表面上，形成油泥和漆膜，而油泥和漆膜又进一步促进油的氧化，并加剧润滑油结胶。油泥、漆膜均是油品变质的产物，漆膜与油泥的区别为：相比较而言，漆膜生成温度高一些，而低温更有利于油泥的生成，油泥中含有一定量的水分。油泥一般通过油路沉积在油箱内，而漆膜则会粘结在油路、齿轮、轴承、腔体等表面，从而带来管道堵塞、危害更大。

结合设备的拆解情况和润滑油结胶机理，可以得出：润滑油结胶是进汽调节阀、紧急关断阀卡塞的直接原因[2]；

4） 对1#、2#机油箱中的油品取样分析。内部质检部门分析油样的40℃、100℃的运动粘度、粘度指数、机械杂质、硫乳化时间、水分6个指标进行检测，检测结果均显示正常。

将1#机油箱油样、2#机油箱油样、新油样3个油样送第三方机构分析。分析结果显示2个指标出现异常：①外观方面，1#机油样为“棕色透明液体”、2#机油样为“棕色不透明液体”、新油样为“浅黄色透明液体”；②漆膜倾向指标，1#机油样为16.1、2#机油样达到18.2，新油对比样则低至0.2，详见表1。

表1 润滑油第三方监测结果Tab.1 Lubricating oil's third-party monitoring results

漆膜倾向指数可用于推断油液或设备状况，漆膜生成较严重，需处理或换油，以避免影响设备正常使用[3]。从油液漆膜产生的机理来分析，漆膜产生的主要有两个因素：①油品发生氧化；②油液发生“微燃烧”。研究表明，温度、水、空气和金属催化剂是加速润滑油氧化变质的根本原因，并存在以下规律：油液温度每提高10℃，氧化速率增加1倍；超过一定量的水分可使油品氧化速度增加10倍以上；随着油液中空气含量的增加，氧化生成的漆膜也线性增加；油液中的金属颗粒作为催化剂会加速油品氧化，而油液“微燃烧”则是局部高温造成，相对而言，油品氧化是一个缓慢的过程，而油品绝热“微燃烧”生成漆膜的速度要快得多[4]。

从油样分析对比结果也可以得出，油液漆膜的生成是造成进汽调节阀、紧急关断阀卡塞的主要原因；

5）事故发生2个月前，动力厂对2#汽轮机进行了检修，2台汽轮机的油系统均进行了清理，并将老油更换成了同品牌润滑油，所更换的新润滑油，在更换前未送检分析，运行过程中也未定期取样分析。新润滑油才使用短短2个月就发生了较大劣化，为分析润滑油快速劣化的原因，对透平机在事故前监测点的振动值进行分析。2#透平机的大齿轮轴自由端轴向振动值有3个月处于（13～27） mm/s左右，最高时高达35 mm/s，严重超过标准值5 mm/s，至事故前1个月2#透平机的振动值恶化，范围扩大至高压缸轴端的垂直振动值、大齿轮轴负荷侧轴向振动、低压缸轴端的轴向振动值等四个点。

从拆解后的1#、2#齿轮外观，2#机轴瓦油路、齿轮表面的颜色也比1#机深，漆膜更严重，验证了2#机振动异常后，齿轮发热导致润滑油劣化加速。所以汽轮机的长期异常运行是引发润滑油快速劣化的根本原因[5]。

2.2 事故原因逻辑关系

2#汽轮机轴端振动异常，导致温度传动部位温度升高，引发润滑油漆膜生成加速，在运行过程中因未监测润滑油质量，润滑油劣化趋势未能得到及时警示，劣化超过临界状态后，将进汽切断阀和调节阀卡死，当汽轮发电机组系统达到发电机解列条件时，因控制逻辑缺陷，导致发电机在未切断汽源的情况下首先解列，而源源不断的蒸汽持续驱动汽轮机旋转，在没有发电机拖拽的情况下，汽轮机加速旋转，叶片和轴的离心力超过材料的强度和刚度，从而出现了叶片飞离、轴扭断的后果。

2.3 事故原因

通过分析，该机组飞车的直接原因为紧急关断阀、进汽调节阀的伺服阀活塞因结胶卡死，致使紧急关断阀、进汽调节阀收到指令后无法关闭及时切断汽源，蒸汽持续驱动汽轮机叶轮加速旋转，最终导致汽轮机飞车。而引发飞车的原因还有以下几方面：

1） 发电机甩负荷逻辑存在缺陷，PLC连锁停机条件是进汽温度和压力任一条件达到后即解列发电机，与《防止电力生产事故的二十五项重点要求》 （国能安全2014年161号） “系统检测到紧急关断阀、进汽调节阀关闭反馈信号后，再执行机组解列，利用机组逆功率保护使机组安全停运。”的规定不相符[6]；

2）汽轮机长期带病运行。事故之前2#汽轮机大修前轴向振动超标准（最高12.8 mm/s，标准值5 mm/s），检修后齿轮箱振动未得到根本改善，并伴随汽轮机运行逐步增大，部分监控点位超标准（4～7）倍，汽轮机带病运行，机械部位受力不均，加剧磨损，局部发热，加速了润滑油劣化（结胶），促使汽机润滑油漆膜指数在2个月的运行中快速从0.2升高至18.2[7]；

3）大型设备大修前后润滑油管理缺失关键管控，暴露出润滑油监控检测不严。2#透平机大修后更换了润滑油，但在开车之前及机组投运后没有对润滑油取样进行外观检查、分析化验，没能及时掌握润滑油劣化的状况；

4）对润滑油结胶、漆膜的产生机理没有深刻认识。长期运行管理中对汽轮机润滑油检验指标局限于抗乳化度、水溶解度、酸度、运动黏度等常规指标，而未认识到漆膜指数是润滑油结胶倾向的关键指标；

5）测速仪表量程偏低，超速后，无法观察记录真实速度。

3 采取措施及效果

本起事故中，若发电机解列逻辑正确或者切断阀正常动作，满足任一个条件，都必然不会造成严重后果。所以采取的第一个措施是：严格按《防止电力生产事故的二十五项重点要求》 （国能安全 [2014]161号）的要求，首先是完善联锁保护逻辑，发电机解列动作必须在接收到紧急关断阀关闭信号，有功功率降为零，才会触发发电机解列，更换了测速仪表，并定期试验紧急切断阀、泄压装置等安全装置。

若该汽轮机组能及时消除振动过大的隐患，就不会因振动过大导致温度升高快速恶化润滑油，故采取的第二个措施是调整轴端，彻底调校轴系动、静平衡，消除振动隐患后再运行机组，杜绝带病运行。

第三个措施是汽轮发电机组启动前，严格按规定对系统开展超速保护试验[8]。

最后是更换故障进汽阀门，更换合格的润滑油品，加油前取样分析，分析合格后投用，大修后冲洗干净油路，并取样分析，汽机运行后每两周取样分析一次，运行满1个月后分析漆膜倾向指数，适时监控润滑油品质量变化情况。

通过以上措施，该起飞车事故中发现的问题全部得以解决，汽轮发电机组启动后，安全稳定高效运行。

4 结语

润滑油的管理对于汽轮机组的安全运行至关重要，可以通过润滑油的状况监测及时掌握机组情况。在日常润滑管理中严格遵守以下要求：

1）应制定严格的油品管理规则，建立润滑油档案，明确油品的购置标准、储存时限、机组更换油品的取样要求、油品化验项目等；

2）透平机润滑油分析指标中，必须分析漆膜倾向指数；

3）严格控制透平机润滑油的仓储时间，超过三个月的在加油前必须取样检验；

4）机组长时间运行容易造成润滑油油泥、结胶物质沉积在润滑油流经的各个机械系统和润滑油系统。设备检修和润滑油更换应全方位清洗油路，避免出现油路中的杂质污染新油；

5）机组大中修后，应在开车之前两天，对油箱中的油进行化验，透平机油应化验抗乳化度、水溶解度、酸度值等。运行一个月后分析漆膜倾向指数；

6）注油箱、循环油槽及过滤网每月应进行清洗。