劉千駒， 唐 健， 張 帥

(1. 清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 北京 100084； 2. 上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司， 上海 200240)

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燃?xì)廨啓C(jī)頂軸油系統(tǒng)啟動(dòng)優(yōu)化

劉千駒1,2， 唐 健2， 張 帥2

(1. 清華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 北京 100084； 2. 上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司， 上海 200240)

針對(duì)F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)多軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組安裝調(diào)試過(guò)程中或者燃?xì)廨啓C(jī)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后的啟動(dòng)過(guò)程中，機(jī)組頂軸油系統(tǒng)發(fā)出油壓低的報(bào)警，并且會(huì)非正常聯(lián)啟備用泵，使后期機(jī)組頂軸油泵一用一備的安全冗余配置不能發(fā)揮作用。通過(guò)分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及設(shè)備檢查，對(duì)常規(guī)頂軸油系統(tǒng)的流程改進(jìn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，解決了頂軸油系統(tǒng)油壓低報(bào)警及非正常聯(lián)啟備用泵的問(wèn)題，提高了機(jī)組的安全性。

燃?xì)廨啓C(jī)； 頂軸油系統(tǒng)； 啟動(dòng)優(yōu)化； 非正常聯(lián)啟備泵； 油壓低報(bào)警

在多軸F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)項(xiàng)目的安裝調(diào)試階段，發(fā)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)頂軸油系統(tǒng)只要在一段時(shí)間停機(jī)后再次啟動(dòng)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出壓力低的報(bào)警信號(hào)，并且會(huì)自動(dòng)聯(lián)啟備用頂軸油泵，造成后續(xù)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)如果發(fā)生故障就不能再次啟用備用泵，使系統(tǒng)的安全性降低。為解決該問(wèn)題，針對(duì)系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)和部件進(jìn)行技術(shù)分析，列出所有可能的影響因素，然后逐項(xiàng)通過(guò)目視檢查、試驗(yàn)驗(yàn)證等方法確定要因。通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)流程，重新設(shè)計(jì)泵組結(jié)構(gòu)，解決了系統(tǒng)存在的問(wèn)題，并經(jīng)項(xiàng)目驗(yàn)證取得了很好的效果。

1 頂軸油系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的主要作用是為軸承提供潤(rùn)滑，帶走軸承摩擦產(chǎn)生的熱量和雜質(zhì)等；頂軸油系統(tǒng)主要是在機(jī)組低速狀態(tài)下頂起轉(zhuǎn)子，減小摩擦，驅(qū)動(dòng)盤(pán)車(chē)[1]。

潤(rùn)滑油系統(tǒng)和頂軸油系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。潤(rùn)滑油供油母管設(shè)計(jì)壓力為2.0×105Pa。圖中右邊部分為頂軸油系統(tǒng)，頂軸油泵為一用一備，泵出口設(shè)置安全閥和止回閥，各泵出口管路上設(shè)置手動(dòng)關(guān)斷閥，用于在線檢修，頂軸油過(guò)濾器設(shè)置壓差監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)SDP01，用于濾芯堵塞報(bào)警，頂軸油母管設(shè)置PG01就地壓力表和TP01與TP02壓力變送器，壓力變送器的信號(hào)作為2選1聯(lián)啟備用頂軸油泵的控制信號(hào)。

頂軸油系統(tǒng)的保護(hù)邏輯：TP01和TP02分別監(jiān)測(cè)頂軸油母管的壓力，母管設(shè)計(jì)壓力為1.6×107Pa，當(dāng)壓力低于設(shè)定值時(shí)，TP01和TP02發(fā)出壓力低報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)延時(shí)5 s，如果此時(shí)壓力沒(méi)有恢復(fù)到設(shè)定值以上，備用頂軸油泵將自動(dòng)聯(lián)啟。引起系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)啟備用頂軸油泵的直接原因是頂軸油母管壓力在規(guī)定時(shí)間內(nèi)低于設(shè)定值。

M01—主頂軸油泵；M02—備用頂軸油泵；SV01—安全閥；SV02—安全閥；CV01—止回閥；CV02—止回閥；MV01—手動(dòng)關(guān)斷閥；MB02—手動(dòng)關(guān)斷閥；FL01—過(guò)濾器；SDP01—壓差開(kāi)關(guān)；

PG01—壓力表；TP01—壓力變送器；TP02—壓力變送器。

圖1 潤(rùn)滑油系統(tǒng)和頂軸油系統(tǒng)

2 故障分析

2.1 問(wèn)題分析

從燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)的TCS控制系統(tǒng)中調(diào)取的故障狀態(tài)下頂軸油壓力的監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖2。從圖2可以看出頂軸油母管壓力在系統(tǒng)啟動(dòng)后的5 s內(nèi)低于1.0×107Pa，造成了系統(tǒng)自動(dòng)聯(lián)啟備用頂軸油泵的情況。備用頂軸油泵聯(lián)啟后頂軸油壓力繼續(xù)增加，達(dá)到正常設(shè)計(jì)值，此時(shí)系統(tǒng)依然可以正常運(yùn)行，但是如果再次發(fā)生壓力低的情況，系統(tǒng)將不能采取切換備用泵的安全措施，增加了系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 故障狀態(tài)下壓力變化曲線

2.2 原因排查

分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備選型匹配、部件故障和控制邏輯判定等方面進(jìn)行分析，采用頭腦風(fēng)暴法，得到故障因素樹(shù)形圖(見(jiàn)圖3)[2]；然后針對(duì)各影響因素通過(guò)試驗(yàn)、檢查、計(jì)算分析等逐一驗(yàn)證和排除。

圖3 故障因素樹(shù)形圖

過(guò)濾器和管路通過(guò)拆開(kāi)目視檢查，排除了該影響因素；通過(guò)計(jì)算和實(shí)際檢測(cè)電流電壓等參數(shù)后進(jìn)行了排除電動(dòng)機(jī)問(wèn)題；通過(guò)測(cè)試排除了溢流閥潛在的故障因素；通過(guò)檢查邏輯圖、對(duì)儀表進(jìn)行標(biāo)定和接線查線排除了控制邏輯因素影響；對(duì)于泵內(nèi)漏問(wèn)題，分別用2臺(tái)泵更換順序單獨(dú)測(cè)試，并且單臺(tái)泵測(cè)試都能滿足流量和壓力的要求，因此也排除了泵內(nèi)漏的影響；最后認(rèn)為泵吸入空氣是引起故障的主要原因。

因?yàn)榭諝獾目蓧嚎s性非常高，頂軸油泵在建壓時(shí)需要花費(fèi)額外的時(shí)間壓縮空氣，造成系統(tǒng)的建壓時(shí)間延長(zhǎng)。

頂軸油泵組的安裝結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。頂軸油泵布置在油箱頂板上，是高位布置，其吸油管較長(zhǎng)，管的末端浸入液位以下有一定深度，這樣在初次啟動(dòng)前在油箱液面以上的吸油管道中會(huì)有一段空氣柱存在，頂軸油泵吸油時(shí)會(huì)先將空氣柱帶入頂軸油管道中，這段空氣柱就會(huì)在油管道隨油流運(yùn)動(dòng)。

圖4 頂軸油泵組安裝結(jié)構(gòu)

從圖4可以看到：頂軸油泵臥式布置在頂板上，由于電動(dòng)機(jī)機(jī)座等的影響，泵的中心線高出油箱頂板一定距離h1；油箱滿油時(shí)液位低于油箱頂板h2，由于頂軸油系統(tǒng)和潤(rùn)滑油系統(tǒng)共用一個(gè)油箱，因?yàn)闄C(jī)組安全需要，潤(rùn)滑油系統(tǒng)總是先于頂軸油系統(tǒng)啟動(dòng)，當(dāng)潤(rùn)滑油系統(tǒng)啟動(dòng)后，管路和軸承座中充油，會(huì)再次造成油箱液位降低(h3)。此時(shí)在重力作用下，泵的吸油管內(nèi)形成空氣柱的高度H=h1+h2+h3。

H段空氣柱高度較高，所占容積較大，頂軸油泵啟動(dòng)后，較大量的空氣進(jìn)入頂軸油系統(tǒng)管道，由于空氣的可壓縮性大，造成系統(tǒng)建壓時(shí)間延長(zhǎng)。

3 實(shí)施對(duì)策

頂軸油系統(tǒng)優(yōu)化簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5[3]。

MV03—手動(dòng)關(guān)斷閥；MV04—手動(dòng)關(guān)斷閥；OP01—限流孔板；OP02—限流孔板；OP03—排氣孔板；OP04—排氣孔板；CV01—

止回閥；CV02—止回閥。

圖5 頂軸油系統(tǒng)優(yōu)化簡(jiǎn)圖

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在圖4頂軸油泵組結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上主要進(jìn)行了四點(diǎn)改進(jìn)：

(1) 在頂軸油泵的吸口增加止回閥CV01和CV02，防止油在重力作用下回流；增加手動(dòng)關(guān)斷閥MV03和MV04供在線檢修用。

(2) 增加頂軸油泵吸油管充注油管路。在頂軸油泵開(kāi)啟前向其吸油管中注油，OP01和OP02為限流孔板，以防消耗潤(rùn)滑油量過(guò)大對(duì)潤(rùn)滑油系統(tǒng)造成影響。

(3) 高壓吸油管頂端設(shè)置放氣管路。充注油進(jìn)入吸油管路慢慢抬高管內(nèi)液位，將管內(nèi)空氣通過(guò)放氣管路排至油箱低低液位以下。

(4) 在放氣管路上設(shè)置節(jié)流孔板OP03和OP04，當(dāng)空氣完全排出后，潤(rùn)滑油通過(guò)節(jié)流孔板立即將潤(rùn)滑油流量降到最低，防止過(guò)多的潤(rùn)滑油經(jīng)放氣管路流回油箱。

由此，解決了頂軸油泵吸口和葉輪之間存在空氣柱的問(wèn)題，使吸油管中的空氣被全部排出，h1、h2和h3形成的空氣柱被全部自動(dòng)排除，吸油管中的液位在頂軸油泵啟機(jī)前已高于泵的中心線的高度h4(見(jiàn)圖6)，確保了頂軸油泵的正常運(yùn)行，為燃?xì)廨啓C(jī)安全正常運(yùn)行提供了保障。

圖6 頂軸油泵優(yōu)化結(jié)構(gòu)

3.2 效果檢查

對(duì)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的頂軸油系統(tǒng)進(jìn)行了檢驗(yàn)，在機(jī)組調(diào)試和運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)運(yùn)行都很正常，不再發(fā)生聯(lián)啟備泵的問(wèn)題。

頂軸油泵啟動(dòng)后母管壓力在很短的時(shí)間(約2 s)內(nèi)即超過(guò)邏輯設(shè)定值(1.0×107Pa)，5 s可達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)值(見(jiàn)圖7)。

此外，頂軸油系統(tǒng)不再產(chǎn)生壓力低的報(bào)警信號(hào)，在啟動(dòng)階段也未發(fā)生自動(dòng)聯(lián)啟備用泵的問(wèn)題。

圖7 新頂軸油母管壓力監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組頂軸油系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的非正常聯(lián)啟備用泵的問(wèn)題，進(jìn)行故障原因分析，列出各種可能的影響因素后，逐一驗(yàn)證排除，找到引起故障的主要原因，最后通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決了問(wèn)題。

該頂軸油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案徹底解決了頂軸油泵啟動(dòng)建壓時(shí)間慢的問(wèn)題，消除了頂軸油系統(tǒng)的報(bào)警信號(hào)，同時(shí)不再發(fā)生啟動(dòng)階段就非計(jì)劃自動(dòng)聯(lián)啟備用泵的情況，實(shí)際運(yùn)行良好，提高了機(jī)組的安全性。

[1] 焦樹(shù)建. 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

[2] 中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì). 火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè) 第二卷 汽輪機(jī)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1999.

[3] 清華大學(xué)熱能工程系動(dòng)力機(jī)械與工程研究所. 燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)裝置[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2007.

Optimization on Start-up Process of a Gas Turbine Lifting Oil System

Liu Qianju1,2, Tang Jian2, Zhang Shuai2

(1. School of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2. Shanghai Electric Gas Turbine Co., Ltd., Shanghai 200240, China)

To solve the problem of low oil pressure existing in the lifting oil system of a F class gas turbine combined cycle power unit during erection, commissioning, or after long-term shutdown of the gas turbine, leading to improper interlock start-up of the standby pump, which could not be put into operation again in the case of normal operation, or once a failure is encountered by the main pump, an analysis and on-site inspection & testing were carried out to the lifting oil system, so as to improve its technological process and optimize the structure, and finally to enhance the safety of the power unit.

gas turbine; lifting oil system; start-up optimization; improper interlock start-up of standby pump; low pressure alarm

2016-04-26；

2016-06-06

劉千駒(1987—)，男，工程師，從事燃?xì)廨啓C(jī)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作。

E-mail: qianjuliu@163.com

TK477

A

1671-086X(2017)02-0137-03