润滑油品质对汽轮机调速系统的影响及对策

张锡德,董泰斌,米吉龙,陈小龙,王开发

(中国石油天然气股份有限公司塔里木石化分公司,新疆 库尔勒 841000)

某公司年产45万t合成氨/80万t尿素的大化肥项目有“五大机组”,即原料气压缩机、空气压缩机、合成气压缩机、氨压缩机和二氧化碳压缩机。这“五大机组”是化肥生产的核心动设备。机组均由汽轮机驱动。压缩机转速是由汽轮机调速系统进行控制的,其作用是在装置条件发生变化时,自动改变汽轮机进汽量,保证压缩机转速恒定,确保机组稳定运行,同时通过调速系统改变压缩机转速,精准改变装置负荷,使装置在新负荷下稳定运行。可见,汽轮机调速系统良好的工作状态是保证机组及化肥装置平稳、安全运行的关键。

调速系统较为复杂,引起其工作异常的原因也是多种多样的,但大都与润滑油品质有关,其中润滑油颗粒及漆膜是造成调速系统运行异常的重要原因之一【1-2】。

1 汽轮机调速系统

汽轮机调速系统一般由转速探头、控制中心(ITCC)、电液转换器、错油门、油动机、反馈和连接杠杆以及调节汽阀组成,其功能是对机组转速进行自动控制,见图1。

图1 汽轮机转速控制

1.1 汽轮机转速控制

转速探头测出汽轮机转速,通过前置器将转速转换为相应的电信号;信号被送至控制中心,在控制中心汽轮机设定转速值相与该信号进行比较,其偏差经过调节器运算后,输出偏差电流信号;该信号被发送到电液转换器,在电液转换器中经电液放大后控制错油门运动;动力油(控制油)通过错油门按要求进入油动机;油动机活塞杆带动调节汽阀阀杆运动,从而改变汽轮机蒸汽进气量,实现对汽轮机转速的控制【3-4】。

当汽轮机转速大于给定值时,电液转换器的伺服活塞向上运动,反馈和连接杠杆随其向上移动,带动错油门活塞上移;动力油经过错油门进入油动机活塞上腔,活塞下腔油被排放,油动机活塞向下移动,调速汽阀关小,汽轮机转速减小【5】。反之亦然,见图2。

图2 调速系统的机械传动

1.2 电液转换器工作原理

原料气压缩机及氨压缩机的电液转换器型号为TM-25LP,是美国WOODWARD 公司生产的,主要由力矩马达、喷嘴、挡板、反馈弹簧、水平调节弹簧、对中弹簧、二级滑阀及伺服活塞等元件组成,见图3。

图3 电液转换器工作原理

ITCC发出20～160 m A 的电流信号,在电液转换器中被三级放大。第一级,电流输入力矩马达,调节喷嘴与挡板之间的距离,将电流信号转变成为油压信号;第二级,油压信号作用在二级滑阀活塞两侧,控制二级滑阀的运动;第三级,压力油通过二级滑阀进入伺服活塞油腔,推动活塞运动。最终电流信号经过三级放大变成位移输出信号【6-7】。

当电流信号增加时,力矩马达中的线圈磁力相应增加,挡板在磁力作用下移,使得挡板上下喷嘴泄油量改变,上喷嘴泄油量大于下喷嘴泄油量,造成伺服活塞控制油压Pa1小于Pa2,推动二级滑阀活塞向上运动;动力油通过滑阀进入伺服活塞下油腔,而上油腔通过排油管泄油,伺服活塞两侧二次控制油压Pb1小于Pb2,电液转换器输出轴向上运动,增大调速阀开度,伺服活塞上移会增大反馈弹簧作用力,使挡板被推回,最终反馈弹簧力与线圈磁力的合力和水平调节弹簧力相等,挡板再次回到中心位置,此时油压Pa1等于Pa2,二级滑阀活塞在油压作用下也回到中心位置,伺服活塞进排油通道被堵塞,完成一次汽轮机转速调节。当电流信号减小时,其过程相反【8-10】。

2 润滑油品质与调速系统的关系

大机组油压力由油站油泵提供,分为润滑油压力和控制油压力。润滑油压力为0.12～0.28 MPa,用于机组轴瓦的润滑和冷却;控制油压力为0.8～1.0 MPa,用于机组调速系统和安保系统。涉及调速系统的主要控制油部件有电液转换器、错油门及油动机等。在调速系统中,控制油一方面可对汽轮机转速调节起到提供动能和传递、放大控制信号的作用,另一方面可对各控制部件起到润滑、防腐和冷却的作用【11-12】。

可见,润滑油品质直接影响电液转换器、错油门及油动机的运行状况,进而影响到汽轮机转速控制。

2.1 对电液转换器的影响

来自ITCC的电流控制信号在电液转换器中经过三级放大后,输出机械位移对调速阀进行控制。理论上任何一级放大部位出现故障,都会造成汽轮机转速不稳定。

当润滑油中存在机械杂质(简称机杂,如铁屑、金属微粒、砂粒、灰尘、土粒、氧化物、纤维等)、指标超标或润滑油产生漆膜时,会产生以下危害【13-14】:

1)机械杂质会堵塞电液转换器入口过滤器,导致进入电液转换器的油量减小甚至断流,造成控制信号滞后甚至失控;

2)油中颗粒加速二级滑阀活塞及缸套磨损,导致密封失效,造成输出信号紊乱;

3)油中颗粒卡涩二级滑阀阀芯,导致阀芯运动受阻,造成控制信号滞后甚至失控;

4)润滑油产生漆膜,导致二级滑阀阀芯与缸套之间间隙减小、阻力增大、阀芯运动受阻,造成控制信号滞后甚至失控;

5)油中颗粒加速伺服活塞环及缸套磨损,导致密封失效,造成输出机械位移信号紊乱。

2.2 对错油门的影响

对错油门结构进行分析发现,不合格润滑油进行错油门后,会产生以下危害【15-16】:

1)油中颗粒加速错油门阀芯及缸套磨损,导致密封失效,造成输出信号紊乱;

2)油中颗粒卡涩错油门阀芯,导致阀芯运动受阻,造成控制信号滞后甚至失控;

3)润滑油产生漆膜,导致错油门阀芯与缸套之间间隙减小、阻力增大、阀芯运动受阻,造成控制信号滞后甚至失控。

2.3 对油动机的影响

润滑油中的机械杂质会加速油动机油缸活塞环及缸套磨损,导致活塞密封失效,出现泄油、作用在油缸活塞上的压力发生变化等现象,导致活塞运动失控【17】。

3 现场案例

3.1 氨压缩机转速波动

2017年开始氨压缩机汽轮机出现了多次转速波动,严重影响机组运行及装置开车,经测试发现,电液转换器出现异常。为消除故障,对电液转换器进行更换处理,并对换下的电液转换器进行了检查修理。

3.1.1 转速波动情况

2018年3月2日氨压缩机汽轮机转速出现了波动,初期波动值为280 r/min,而通常汽轮机转速波动量应保持在20 r/min 内;随着时间推移,汽轮机转速波动量越来越大,3月13日汽轮机转速波动值增大到1 670 r/min;3月30日05:02汽轮机转速失控,从10 056 r/min开始大幅度上升,人工干预已不起作用,05:25 转速上升至13 242 r/min,触发电子跳闸(见图4),导致尿素及合成高压圈停车。

图4 汽轮机转速波动情况

3.1.2 波动原因

2018年4月10日将拆卸的电液转换器送到天津WOODWARD 工厂,在检测试验台上对电液转换器进行性能测试(见图5),发现当输入控制电流信号时,电液转换器响应动作缓慢,且严重滞后。

图5 性能试验及滤网堵塞情况

解体电液转换器发现,一、二级放大进油口过滤器均有不同程度的油泥和机杂堵塞,同时在电液转换器油腔内也发现了少量的油泥和机杂。油泥来源于曾经因润滑油品质劣化而产生的漆膜【18-19】。

2019年因电液转换器工作异常,造成氨压缩机汽轮机转速多次波动,且波动量逐渐增大,利用停车机会对电液转换器进行了更换处理。经拆卸检查,发现二级滑阀阀芯活动不灵敏,阀芯表面有黄色漆膜。

电液转换器更换后,2019年8 月23 日机组重新启动运行。重新运行后,氨压缩机汽轮机转速波动仍然较大,仅仅3个月运行最大波动量已达到150 r/min。

3.2 原料气压缩机转速波动

从原始开车以来,原料气压缩机汽轮机因电液转换器工作异常,多次造成汽轮机转速波动,甚至转速失控,已严重影响到机组运行及装置开车。

3.2.1 转速波动情况

2010年5月17日原料气压缩机汽轮机转速出现异常,波动量为8 400～13 000 r/min(见图6),因汽轮机转速大幅度上下波动,造成压缩机喘振阀全开、原料气中断、化肥装置全线停车。

图6 汽轮机转速波动情况

3.2.2 波动原因

拆检电液转换器发现,机杂及油泥已堵塞电液转换器入口过滤网,同时发现电液转换器内部有微小颗粒,确认是由于过滤网堵塞及腔室内颗粒造成油量减小及二级滑阀卡涩,导致控制信号严重滞后,并最终导致汽轮机转速大幅度波动。

2017年3月12日原料气压缩机启动,在启动过程中汽轮机转速出现大幅度波动,波动值达到2 800 r/min,主控室紧急停车。经静态调试检查发现,电液转换器输出轴运行不平稳,左右摆动,且摆动幅度较大。拆检发现,伺服活塞杆磨损,并出现泄油现象。最终确认,伺服活塞油缸内微小机杂加速了活塞杆的磨损。

因原料气压缩机电液转换器故障频发,为及时发现其潜在风险,利用停车机会,对电液转换器进行静态调试检测,发现了电液转换器输出轴运行缓慢、调节滞后、运行不稳定等异常情况。

4 对策

4.1 已采取措施

1)在原设计阶段,在油泵出口管道上设计安装了10μm 双联过滤器,且设置了过滤器油压差报警,可根据压差情况对过滤器进行切换及检修。

2)在电液转换器前控制油线上加装双联过滤器。因氨压缩机电液转换器多次工作异常,导致汽轮机转速波动,为防止润滑油机杂及油泥对电液转换器产生影响,在靠近电液转换器的控制油路上增设了双联过滤器,其过滤精度为10μm,见图7。

图7 新增双联过滤器

增设双联过滤器有以下优点:

a)进一步过滤润滑油机杂,避免机杂对电液转换器产生影响。

b)防止润滑油机杂、油泥及漆膜堵塞电液转换器内部过滤网,避免进入油量减少甚至断流现象的发生。因增设过滤器的过流面积远大于电液转换器内部过滤器的面积,因此新增过滤器不易堵塞,可避免电液转换器内部过滤网被堵塞。

3)针对因润滑油品质劣化以及其对调速系统产生的影响,2017～2018年对原料气压缩机及氨压缩机润滑油进行了更换,改善了油品质量。

4)对润滑油检验制度进行了修订,在常规性化验基础上,增加了非常规性化验。

润滑油常规分析项目有机杂、水分、粘度、闪点、酸值等指标,当润滑油使用年限超过3年时,其后每年至少进行1次非常规化验,化验内容包含润滑油空气释放性、泡沫特性、旋转氧弹值、漆膜倾向性、抗氧剂、抗氧化安定性和抗乳化度等项目。制度修改后,可及时发现润滑油品质的劣化倾向及漆膜的产生。

4.2 后续措施及建议

4.2.1 电液转换器升级改造

分析认为,TM-25LP型电液转换器对润滑油的适应性较差,特别容易受到润滑油中机杂、油泥、漆膜、水分等物质的影响,且自身稳定性较差,其依据如下:

1)为避免润滑油品质劣化对机组产生影响,每个月均对机组润滑油进行定期化验,化验指标有机杂、水分、粘度等,化验结果均为合格,尽管如此,电液转换器仍然受到油的影响出现工作异常;

2)2017～2018 年对机组润滑油进行了更换,更换后并没有完全解决电液转换器工作异常的问题;

3)在氨压缩机电液转换器前增设过滤器后,同样并没有完全实现电液转换器的稳定运行;

4)在三菱公司新设计的机组中,已淘汰了TM-25LP型电液转换器,同时根据业主需求,对已有三菱机组TM-25LP型电液转换器进行升级改造,其原因如上所述;

5)国内许多拥有TM-25LP型电液转换器的机组也在进行升级改造;

6)TM-25LP说明书介绍,在电液转换器前安装40μm 过滤网就能满足电液转换器工作要求,而现实是尽管油泵出口有10μm 过滤器,且在电液转换器前控制油管线上又增设了10μm过滤器,但是电液转换器工作仍不理想。

新型电液转换器Varistroke-1对润滑油具有很好的适应性,油中机杂、油泥、水分、漆膜对其影响不大,同时其自身具有很好的稳定性及调节性能。后续将对氨压缩机的电液转换器进行升级改造,改造后汽轮机转速波动量可控制在10 r/min内。

4.2.2 控制油系统与润滑油系统完全隔离

机组设置2套油系统,将控制油系统与润滑油系统完全隔离开,使二者互不影响,这样可提高控制油品质,但该改造工作量大、投资大。

因机组轴瓦在运行过程中会产生摩擦杂质,若只有1套油系统,产生的杂质不可避免地会被带入控制油系统中,进而对电液转换器产生影响。

4.2.3 油系统增设在线净化设施

在大机组油系统中安装1 套在线油净化设施,即三除装置,能有效脱除油中的机杂、水分和气体,使润滑油始终保持高品质运行。

4.2.4 增设油清洁度化验指标

清洁度对润滑油性能影响很大,若油不清洁,则会导致润滑油油泥及漆膜形成,进而对机组调速系统运行造成很大影响【20】,因此需对润滑油进行清洁度分析化验。化验采用ISO 4406标准,润滑油清洁度等级指标可定为6级。

4.2.5 预防性维修

对电液转换器、错油门、油动机进行定期维护保养,及时清理内件,及时发现部件磨损,防止故障发生。

5 结论

本文就润滑油品质对氨压缩机及原料气压缩机组调速系统的影响进行了原因分析,可得到以下结论:

1)润滑油机杂、水分、漆膜等会对调速系统中的电液转换器、错油门及油动机产生影响,导致调速系统工作异常;

2)TM-25LP型电液转换器对润滑油的适应性不理想,且自身稳定性不好;

3)控制油系统独立,可有效避免与润滑油系统相互污染,提高控制油品质,防止汽轮机转速波动;

4)选择对润滑油品质不敏感的电液转换器,是保证调速系统安全运行的关键;

5)在油系统中增设三除净化设施,可有效提高润滑油品质,对调速系统有益;

6)增设润滑油清洁度指标,提高油品运行质量,可减少电液转换器、错油门及油动机故障发生;

7)对电液转换器、错油门及油动机进行预防性检修,可降低故障发生概率;

8)仅对润滑油进行常规化验,并不能及时发现润滑油品质已开始劣化;

9)对润滑油进行全分析化验,是早期发现润滑油品质劣化的关键因素;

10)润滑油主要影响TM-25LP型电液转换器的二级滑阀及伺服油缸,使电液转换器工作异常。