提高AE94.3A型燃气轮机润滑油系统运行可靠性措施

东莞深能源樟洋电力有限公司 马文德 吴金创 陈旭义

由于9F级燃气轮机的转子质量与惯性极高，为确保能够稳定地运作，必须提供优质的轴承润滑。但是，由于燃气轮机的润滑油系统出现的问题频繁且原理复杂，存在的问题往往难以察觉，例如，润滑油的压力减少，备用油泵无法正常工作，以上问题均可能导致润滑油的中断，使得轴承无法得到充足的润滑，从而使得机组的轴系产生更强的振动。若情况严重，可能导致轴瓦被烧坏、轴颈受到磨损，或是转子的动态与静态部位出现摩擦、叶片掉落，这些问题将导致较大的经济损失。所以，保障润滑油系统的稳定较为关键。

1 润滑油系统故障

1.1 润滑油系统典型故障

润滑油系统故障引发的事件时有发生，尤其新投产的机组因润滑油系统逻辑、润滑油系统设计缺陷等原因尤为突出，本文列举以下两个典型案例进行介绍。

案例一：2008年9月22日，广东的一家发电企业的汽轮机突然停止工作，导致交流润滑油泵同时启动。然而，在这个过程中，润滑油的压力降低了0.07MPa，接着启动了直流润滑油泵。然而，在转速减少到2068r/min之后，润滑油的压力再次下降，最终降为0.05MPa。最终，这个油压也因此消失，导致了一场燃料中断和瓦片损坏的事故。在事件发生之后，检查了整个系统，并确认了润滑油泵并没有安装放空管。

案例二：2015年12月17日，浙江的一个450MW级的燃气-蒸汽联合循环设备，执行了直流润滑油泵的开关测试。测试结果揭示，润滑油的输入压力有所滞后，然而，当第二次开始运作时，油压已经回到正常水平。根据过去的记录，只有在第一次启动60s之后，直流润滑油泵的出口压力才能回归正常水平。假设在设备操作过程中，交流润滑油泵出现问题，可能会使得在进行交流和直流润滑油泵的转换时，出现60s的油压不足，进一步可能触发油泵断裂和瓦片损坏的危险。通过研究发现，由于直流润滑油泵的排空管直径太小，导致了空气无法顺利排放，从而使得油压无法正常构建。

1.2 润滑油系统异常原因分析

所有这两个问题都源于润滑油泵启动后无法正常产生油压，导致系统的润滑油压力急剧下降。经过研究，发现润滑油泵的问题主要源于以下几方面。

润滑油作为一种液态溶剂，通常会吸附一些空气，这些空气在流动或者静止的过程中会持续地析出，尤其是当润滑油的温度变化和流速减慢时，空气的析出量会大幅度提升。虽然绝大多数的空气将被抽离到油箱的最高点，然而，那些在润滑油泵底部的一小部分的空气将被引导到润滑油泵的内部。

当润滑油系统正常工作时，许多的润滑油将从操作油泵的出口开始流出，然后汇聚。当润滑油进入油箱时，其中的空气量将会逐渐上升。假如油泵未配备排气口，或由于其他因素阻碍了空气的正常排放，那么累积的空气将逐渐渗透至油泵叶轮的吸入部位的翼缘以下，进而在叶轮内部产生一个空腔。在油泵启动运行的过程中，由于无法有效地排出空气，叶轮内部出现了鼓风现象，这种情况妨碍了润滑油的顺利吸入，进一步导致油泵无法产生油压。

假若润滑油泵配备了排空系统，或者在其外壳上安置了排空口，那么油泵内部的空气就能够顺利地被排除，同时润滑油也能够填满油泵的内部，这样一来，当油泵被激活的时候就能够顺利地构造出油压。但是，假设油泵的排气口或者排气管的尺寸不够大，那么润滑油的本质张力将使得空气被固定在油泵的内部。唯一的解决办法是开启油泵并施加鼓风，以便将空气释放，从而引发了油泵的油压延迟[1]。

案例一因为没有在交、直流润滑油泵的泵体上安装排气管道，导致润滑油泵的内部腔室产生了大量的空气，这些空气已经堆积至油泵的入口翼缘以下。当油泵被激活之后，叶片的运行仅能触发出一种叫做鼓风的现象，但是由于润滑油不能流入叶片中以制造出离心力，所以其不能够创造出油压；案例二则是由于润滑油泵的壳体排空管道直径太小（仅有5mm），导致润滑油的张力在管道的中心部分停滞，使得空气被封存在润滑油泵的壳体内，并且进入了油泵的进口。在启动时，油泵的鼓风效应打破了排空管道的密封，尽管润滑油压力得以形成，但其滞后程度过大。

2 AE94.3A润滑油系统

2.1 AE94.3A润滑油系统介绍

一套由AE94.3A型单轴联合循环机组的燃气轮机与蒸汽轮机共享的润滑油系统，能够在机组的开始、稳定操作和关闭时为燃气轮机、发电机、SSS离合器、汽轮机的轴承、盘车设备等需要保持良好润滑的部分，提供大量且具有合理压力与温度的润滑油。这套系统能够吸取轴承与其他润滑设备所释放的热能，确保这些设备的工作温度保持在可接受的水平，避免轴承被烧毁或者轴颈因过热而变形。确保设备能够稳定且可信赖地工作。另外，润滑油还提供给发电机密封油、燃气轮机RDS系统用油，以及通过顶轴油泵向燃气轮机、汽轮机液压盘车装置提供动力油。

AE94.3A型的安萨尔多单轴联动循环发动机润滑油系统的构造包括润滑油储罐、两台100%的交流润滑油泵（一次使用一次备份）、一台直流润滑油泵、两台100%的顶轴油泵（一次使用一次备份）、两台润滑油冷却器（一次使用一次备份）、两台润滑油过滤器（一次使用一次备份）、油气排放器、润滑油清洁器等，并且这些都是通过模块化的方式进行设计和安装的。此外，润滑油系统还包括相应的管道、阀门、润滑油箱电加热器等附件，以及温度、压力、液位热工测量元件，润滑油模块安装于机岛零米层。

润滑油系统是一个闭式内部循环系统，管路分为两部分：供油管路和回油管路（流程图如图1所示）。在机组盘车、启停及带负荷运行状态下，必须启动润滑油系统为机组轴承转动提供润滑油。在正常工作条件下，一台交流式润滑油泵会启动，并对油箱内的润滑油施加特定的压力，然后利用润滑油冷却装置对其进行降温。当润滑油的温度达到适宜的水平时，会被送往专门的润滑油过滤装置进行净化，以去除其中的杂质以及由于油的化学反应产生的产物，以避免油的性能降低以及设备的污染、磨损和阻塞。经过上述设备的操作，适宜的压力和温度，清洁的润滑油被输送到润滑油供应管道中。

图1 润滑油系统流程示意图

在电力供应中断或交流润滑油泵出现问题的情况下，直流润滑油泵将为机组轴承供应润滑油。这些润滑油不再经过冷却器和过滤器，而是直接输送到润滑油母管，以确保机组的安全停机。

润滑油母管的润滑油经各支管分别向以下设备（或系统）供油：汽轮机轴承（#1、#2、#3）润滑冷却用油；提供SSS离合器轴承（#5）润滑冷却用油；提供发电机轴承（#5、#6）润滑冷却用油；提供燃气轮机轴承（#7、#8）润滑冷却用油；提供燃气轮机RDS系统供油；提供发电机密封油系统供油（详见密封油系统介绍）；提供燃气轮机与汽轮机液压盘车装置的润滑冷却用油。

经过以上用油设备（或系统）后，所有的回油通过润滑油回油母管返回到润滑油箱。经过多次循环，润滑油内部含有油雾、水分和其他杂质。为确保其质量达标，润滑油系统特别配置了用于清除油雾的装置、真空油净化器、外部滤油器等附加装置以提升油的品质。为确保润滑油系统的安全稳定运作，在系统中安装了压力开关、压力传感器、温度传感器和液位指示器等相关的热工检测和保护设备，以便监控系统的运行参数并提供保护。

2.2 润滑油系统隐患分析

2.2.1 滑油系统建压慢

东莞某电厂二期滑油系统调试过程中出现滑油压力建压慢的问题，在油泵故障状态切换试验时，油压扰动过大，交流油泵联启备用泵最低油压降至0.182MPa（跳机值0.23MPa），两台交流油泵全停联启直流油泵，油压最低降至0.079MPa。在极端的工作条件下，只有5s，油压才能恢复正常。而且，润滑油泵在第一次启动时无法迅速形成油压，但第二次启动后可以恢复正常。该问题的根源在于油泵内部的空气。在调试阶段，已经对滑油泵的建压限制时间做了调整，确保了滑油系统不会发生系统警报和连接滑油泵的情况。尽管存在某种程度的危险，但是当实际的润滑油泵出现问题时，油压的形成可能会出现延迟，这是导致断油烧瓦事故的主要安全隐患，必须给予充分的关注。

根据厂家提供的润滑油系统资料，该电厂的主、备、应急润滑油泵壳体放气孔管径过小（内径仅3mm）（滑油泵结构如图2所示），壳体内封存的空气排不出去是滑油系统建压滞后的主要原因。为彻底解决润滑油系统建压慢的问题，有实施增大油泵泵壳排气孔孔径的必要。

2.2.2 第三油源防护措施

《防止电力生产事故的二十五项重点要求》的最新版本，对于汽轮机和燃气轮机的润滑系统有了更高的标准，特别是在润滑油系统经常出现故障的情况下，选择引入润滑油储能器设备等第三方油源来进行保护。该电厂二期滑油系统因设计原因未设置润滑油储能器，对故障下的机组安全运行存在一定的安全隐患。

3 润滑油系统隐患的建议措施

3.1 选择合适的油泵壳体排气孔孔径，补充卧式滑油泵为备用

确保油泵的空气流通至关重要，需要确保油泵的泵壳排气孔的直径能够满足在静止状态下正常排放空气的需求。为了避免空气孔在运作过程中被堵塞，油泵的泵壳上的开孔尺寸应该超过10mm。如果油泵的泵壳排气孔后面配备了较长的管道，那么应该增大排气管的直径，通常应该超过15mm，并且需要定期进行检查；补充卧式滑油泵为备用。对于避免立式润滑油泵吸入空气的预防方案，添加外置式卧式润滑油泵以做备份也是有效的。然而，还须考虑卧式离心泵的运转特点，润滑油泵的蜗壳顶端需安装排放空气的管线，确保它的流动顺畅。

3.2 润滑油泵出口母管增加润滑油储能器

润滑油储能器能较好地解决润滑油系统压力自保持时间过短问题，蓄能器在系统正常运行中蓄存润滑油，蓄存量要保证在油泵切换过程能有效释放至少140L（AE94.3A机组油泵2s内的额定流量）润滑油，以维护系统压力[2]。按照储能器计算公式：

式中：V0为所需蓄能器的容积；P0为充气压力，按0.9P2＞P0＞0.25P2充气；Vx为蓄能器的工作容积；P1为系统最低压力；P2为系统最高压力；n为指数，等温时取n=1，绝热时取n=1.4。按P1系统最低压力取330kPa；P2系统最高压力取600kPa；0.9P1≥P0≥0.25P2，即300kPa≥P0≥150kPa，P0在选值范围内取值越大，虽蓄能器的蓄油量是下降，但其排放过程中有效排放量却是增加的，因而P0应选大值，取P0＝300kPa。因充气压力P0＝300kPa，蓄能器的有效排放量至少为润滑油泵2s的额定流量Vx=140L，按储能器计算公式计算得到V0=529.06L。

3.3 建立润滑油系统油泵的操作和测试记录

首先，需要确保在满足试验规程的条件下进行试验，并熟练掌握操作流程。其次，对试验过程进行详尽的记录和分析，并对交流和直流润滑油泵事故联起试验、启停试验中油压建立的时间和压力状况进行精确记录，并进行比较；提升电厂维护和操作人员的技术能力。对润滑油系统的知识进行深化教育，增强解决问题的技巧，以便准确地识别和处理机组润滑油系统中的异常情况并迅速进行解决。