楊健

（中國石油大港石化公司，天津 300280）

大型機(jī)組油泵驅(qū)動(dòng)透平調(diào)速器故障診斷

楊健

（中國石油大港石化公司，天津 300280）

大型機(jī)組油泵驅(qū)動(dòng)透平轉(zhuǎn)速波動(dòng)易引起油壓波動(dòng)，威脅機(jī)組長周期安全運(yùn)行。通過梳理TG-13型調(diào)速器的工作原理，結(jié)合拆檢情況，找到了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的原因。由此總結(jié)出TG-13型調(diào)速器轉(zhuǎn)速波動(dòng)的分析方法和大型機(jī)組油泵驅(qū)動(dòng)透平在日常生產(chǎn)中的管理重點(diǎn)。

TG-13型調(diào)速器；轉(zhuǎn)速波動(dòng)；銹蝕；轉(zhuǎn)速不等率；

1 故障描述

2016年4月，中國石油大港石化公司220萬噸/年汽柴油加氫裝置循氫壓縮機(jī)組油站的透平油泵轉(zhuǎn)速，隨著全廠低壓蒸汽管網(wǎng)壓力的周期性變化（0.9～0.79MPa），在1397～1523r/min范圍內(nèi)大幅波動(dòng)（額定轉(zhuǎn)速1450r/min）。手動(dòng)調(diào)節(jié)油站小透平調(diào)速器“調(diào)速旋鈕” 時(shí)轉(zhuǎn)速變化不線性，很難將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速1450r/min。更換新調(diào)速器后，故障現(xiàn)象消失。

油泵轉(zhuǎn)速的波動(dòng)極易導(dǎo)致機(jī)組潤滑油壓、控制油壓的波動(dòng)，觸發(fā)聯(lián)鎖停車，煉化裝置中的循氫機(jī)組往往是單臺(tái)布置，其聯(lián)鎖停車必然引起裝置停工等一系列聯(lián)鎖反應(yīng)。為從本質(zhì)上消除隱患，我們對(duì)故障調(diào)速器進(jìn)行了拆檢、分析，并查找到了原因所在。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理簡介

2.1 循氫機(jī)組油路系統(tǒng)簡介

220萬噸/年汽柴油加氫裝置循氫壓縮機(jī)組油路系統(tǒng)包含由油箱、油泵、油冷器、過濾器、壓力調(diào)節(jié)閥等部件組成的油站，潤滑油管路以及控制油管路等部分。其中油泵為雙泵主輔泵配置，主油泵由蒸汽小透平驅(qū)動(dòng)。

2.2 主油泵透平簡介

主油泵蒸汽小透平是由ELLIOTT公司生產(chǎn)的BYRT Ⅲ兩級(jí)背壓型汽輪機(jī)，動(dòng)力蒸汽為1.0MPaG 250℃的低壓蒸汽，出口 背壓0.4MPaG。采用WOODWARD公司生產(chǎn)的TG-13型調(diào)速器，恒定轉(zhuǎn)速（1450r/min）運(yùn)行。

圖1 TG-13和TG-17工作原理圖

圖2 TG-13型調(diào)速器控制原理方塊圖

2.3 TG-13調(diào)速器原理（圖1）

WOODWARD TG-13是一種機(jī)械～液壓轉(zhuǎn)速有差調(diào)速器，多用于恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行的汽輪機(jī)控制。主要由內(nèi)嚙合齒輪油泵、蓄能器、調(diào)速彈簧、飛錘和導(dǎo)向閥套組件、導(dǎo)向滑閥、伺服活塞、不等率調(diào)整機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)速調(diào)整機(jī)構(gòu)、輸出杠桿與軸等部件組成（見圖2）。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子通過撓性聯(lián)軸器與調(diào)速器內(nèi)嚙合齒輪油泵轉(zhuǎn)子連接，油泵轉(zhuǎn)子通過花鍵與飛錘和導(dǎo)向滑閥套組件連接，工作時(shí)，內(nèi)置油泵轉(zhuǎn)子、飛錘和導(dǎo)向滑閥套組件與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等速旋轉(zhuǎn)。

通常TG-13調(diào)速器會(huì)涉及三種典型工作狀態(tài)：

一是恒速工作狀態(tài)。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子通過用撓性聯(lián)軸器帶動(dòng)調(diào)速器內(nèi)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)，內(nèi)置油泵將調(diào)速器油池內(nèi)油液增壓后泵入高壓油管路，供給蓄能器和導(dǎo)向滑閥。蓄能器儲(chǔ)能并將高壓油管路內(nèi)的油壓穩(wěn)定在汽輪機(jī)額定工作油壓1034KPaG。因汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，導(dǎo)向滑閥處于關(guān)閉位置，高壓油不進(jìn)入伺服活塞干預(yù)汽輪機(jī)調(diào)閥的開度。

二是調(diào)速工作狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)速設(shè)定螺釘沿增速方向旋轉(zhuǎn)后，反饋杠桿下移，增大了調(diào)速彈簧的作用力，使導(dǎo)向滑閥閥芯下移，將伺服活塞的下缸與高壓油管路聯(lián)通，在高壓油的作用下伺服活塞向上運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)速器輸出軸增大汽輪機(jī)調(diào)閥開度，從而使汽輪機(jī)增速。調(diào)速器的飛錘和導(dǎo)向滑閥套組件隨汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子增速后，飛錘的離心力增大，通過飛錘的支腳將增大的離心力傳遞給調(diào)速彈簧，方向與反饋杠桿傳遞給調(diào)速彈簧的作用力相反，同時(shí)伺服活塞上行后減小了不等率杠桿在反饋杠桿上的作用力，從而減小了反饋杠桿對(duì)調(diào)節(jié)彈簧的作用力，兩作用過程疊加，使導(dǎo)向滑閥閥芯上移復(fù)位，切斷了伺服活塞下缸與高壓油管路的聯(lián)通，伺服活塞停止上行，增速過程結(jié)束。當(dāng)轉(zhuǎn)速設(shè)定螺釘沿降速方向旋轉(zhuǎn)后，導(dǎo)向滑閥閥芯上移使伺服活塞下缸與油池聯(lián)通泄壓后復(fù)位，其余步驟與增速過程相反。

三是外界擾動(dòng)工作狀態(tài)。汽輪機(jī)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)存在一些外界擾動(dòng)因素，如汽輪機(jī)負(fù)載的增減和汽輪機(jī)因蒸汽品質(zhì)等原因引起的輸出功率增減等。

當(dāng)汽輪機(jī)因負(fù)載減小等原因轉(zhuǎn)速增大、偏離設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，飛錘離心力增大壓縮調(diào)速彈簧將導(dǎo)向滑閥閥芯上移，使伺服活塞下缸與油池聯(lián)通泄壓，伺服活塞下行，通過調(diào)速器輸出軸減小汽輪機(jī)調(diào)閥開度，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速降低并回歸設(shè)定轉(zhuǎn)速；當(dāng)汽輪機(jī)因負(fù)載增大等原因轉(zhuǎn)速降低、偏離設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，工作過程相反。

3 調(diào)速器拆檢情況

3.1 調(diào)速器內(nèi)部組件嚴(yán)重銹蝕（圖3）

圖3

3.2 油液乳化并伴有大量銹渣（圖4）

圖4

3.3 導(dǎo)向滑閥閥芯與導(dǎo)向閥套間銹蝕、卡澀，導(dǎo)向滑閥失效，無法正常開閉（圖5）

圖5

3.4 伺服活塞嚴(yán)重銹蝕、卡澀（圖6）

圖6

4 原因分析

4.1 故障機(jī)組存在的外界擾動(dòng)

循環(huán)氫壓縮機(jī)組在正常運(yùn)行過程中，其油路系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，不存在用油量、油壓等參數(shù)大幅變化，故主油泵汽輪機(jī)的負(fù)載是穩(wěn)定的。但在日常生產(chǎn)中1.0MPaG的汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力存在周期性波動(dòng)（0.9～0.79MPaG），這會(huì)造成汽輪機(jī)輸出功率不穩(wěn)定，也成為該汽輪機(jī)最主要的外界擾動(dòng)因素。

4.2 汽輪機(jī)不穩(wěn)定運(yùn)行分類

汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)不穩(wěn)定狀態(tài)可以分為外界擾動(dòng)后轉(zhuǎn)速發(fā)生不會(huì)自行衰減的震蕩脈動(dòng)和外界擾動(dòng)后轉(zhuǎn)速復(fù)位響應(yīng)遲鈍兩類。

4.3 調(diào)速器提高穩(wěn)定性的方法

調(diào)速器通常會(huì)引入一定的“轉(zhuǎn)速不等率”，用以提高其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性。

轉(zhuǎn)速不等率是當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)載增加，調(diào)速器輸出軸從最小燃料位置移向最大位置時(shí)，轉(zhuǎn)速卻出現(xiàn)的一定的下降值。通常轉(zhuǎn)速不等率用額定轉(zhuǎn)速的百分比來表示。

不等率設(shè)置過小，在外界擾動(dòng)后會(huì)引起轉(zhuǎn)速振蕩脈動(dòng)；不等率設(shè)置過大，調(diào)速器對(duì)外界擾動(dòng)響應(yīng)遲鈍。

TG-13型調(diào)速器配置有可調(diào)的不等率杠桿，在調(diào)速器工作過程中通過改變反饋杠桿作用力并與飛錘離心力變化疊加，共同控制導(dǎo)向滑閥開閉，從而實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

通常通過調(diào)節(jié)不等率調(diào)節(jié)杠桿位置將轉(zhuǎn)速不等率設(shè)定為6%。

4.4 本次故障原因分析

調(diào)速器的不等率通常在出廠或檢修后已經(jīng)設(shè)定完畢。不等率配置不合理引起的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速脈動(dòng)或遲滯多在設(shè)備開車初期就會(huì)發(fā)現(xiàn)，此外長時(shí)間運(yùn)行不等率調(diào)節(jié)杠桿松動(dòng)跑位，也會(huì)引起汽輪機(jī)運(yùn)行的不穩(wěn)定。但本次故障調(diào)速器已連續(xù)運(yùn)行近12000h，且拆檢時(shí)并未發(fā)現(xiàn)不等率杠桿松動(dòng)，應(yīng)排除不等率的原因。

從現(xiàn)象看，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)與外界擾動(dòng)因素（驅(qū)動(dòng)蒸汽壓力波動(dòng)）一致對(duì)應(yīng)，應(yīng)該是調(diào)速器對(duì)外界擾動(dòng)反應(yīng)遲滯或不響應(yīng)造成的。結(jié)合拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)向滑閥卡澀失效、伺服活塞銹蝕卡澀等現(xiàn)象，本次故障的主要因素應(yīng)該是調(diào)速器內(nèi)構(gòu)件銹蝕、失效所致。

汽輪機(jī)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，軸端汽封會(huì)存在一定的泄漏，機(jī)體周圍飄散著泄漏的蒸汽。本次故障的調(diào)速器安裝在汽輪機(jī)軸頭，距離汽輪機(jī)軸端汽封較近，泄漏蒸汽會(huì)沿著調(diào)速器呼吸孔進(jìn)入其內(nèi)部，而調(diào)速器的油池是封閉的，且運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能在線更換油液，這就使侵入的水汽長期積累，引起油品乳化，內(nèi)構(gòu)件銹蝕。

又因?yàn)樵撈啓C(jī)為恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況，其內(nèi)構(gòu)件（導(dǎo)向滑閥、伺服活塞）很少大幅運(yùn)動(dòng)，長時(shí)間的銹蝕使這些部件卡死在某一位置，最終造成了調(diào)速器失靈，無法對(duì)外界擾動(dòng)因素做出響應(yīng)。

5 結(jié)語

（1）小型恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行的蒸汽透平多采用TG型調(diào)速器，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)故障時(shí)應(yīng)從不等率的配置及調(diào)速器機(jī)械故障兩方面進(jìn)行分析排查。

（2）大型機(jī)組油路系統(tǒng)多為布置緊湊的撬裝形式，油泵汽輪機(jī)軸封處的泄漏蒸汽很容易侵入調(diào)速器內(nèi)污染油液，銹蝕內(nèi)部組件，造成調(diào)速器卡澀、失靈，從而引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

（3）為了提高大型機(jī)組抗晃電能力，保證長周期運(yùn)行，其油路系統(tǒng)多采用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)主油泵。但運(yùn)行時(shí)往往忽略了油泵透平軸封漏汽問題的整治、汽輪機(jī)調(diào)速器的油品檢驗(yàn)更換和強(qiáng)制保養(yǎng)等，給大型機(jī)組長周期運(yùn)行帶來了新的安全隱患。

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TH45

A

1671-0711（2016）12（上）-0050-03