汽轮机润滑油系统的发展及存在问题

汽轮机润滑油系统的发展及存在问题

发动机管理系统起到了润油、冷却、控制和密封的作用。通常的工作是确保发动机组正常运行的必要条件。油系统不正常时既可引起轴颈、轴承非正常磨损、“烧瓦”、“抱瓦”等电厂常见的事故，又可引起汽轮机调速系统失控，导致汽轮机超速，甚至造成整个透平转子报废的严重恶性事故。轴承故障和调节系统故障都是导致机组停机时间最长的故障。随着机组单机容量增大，为适应对汽轮机效率、控制精度及可靠性要求的提高，汽轮机的油系统也不断发展，但同时也带来许多新问题。本文对汽轮机油系统发展进行了简单介绍和评价，指出存在的问题，并对当前故障较多的润滑油系统进行故障树分析，提出提高润滑油系统可靠性的措施和研究方向。1油系统的发展与存在的问题1.1油系统的发展我国的汽轮发电机组是由小机组逐渐发展起来的，在汽轮机组的发展过程中，大致形成了3种油系统。1.1.1齿轮泵和螺杆泵早期的汽轮机单机功率一般较小，其供油系统采用独立的电动油泵或与主轴连接在一起的齿轮泵或螺杆泵供油系统为机组提供润滑油和调速系统用油。采用独立电动油泵的供油系统，油泵由电动机带动，其特点是能在机组整个运行过程中为机组提供润滑油，但在机组失去厂用电的情况下则无法保障机组用油，可靠性较低；此外其跟踪性能差，无法在机组甩负荷或超速试验用油量增加时，自动为机组提供更多的润滑油。采用与主轴连一起的齿轮泵或螺杆泵的供油系统其特点是自吸能力强，可直接由主油箱吸油，并能在低转速下继续向润滑油系统供油，机组润滑油系统可靠性高。但由于齿轮泵、螺杆泵要求转速低，在主轴与齿轮泵间须用减速器连接，使供油系统本身效率、可靠性降低，加之齿轮泵与螺杆泵为容积泵，在一定转速下其输出量是一定的，为保证机组在非正常工况时用油，往往所选齿轮泵与螺杆泵的功率比正常运行所要求的功率要高，增加了机组正常运行时的功耗。此外，由于当时我国齿轮泵技术不成熟并受油质影响，齿轮泵磨损严重，需经常维修，其寿命较短。目前此种油系统已被新的油系统所代替。1.1.2传动控制性能随着汽轮机制造业发展，单机容量逐渐增加，同时由于调节部套的大型化，使调节系统的用油量增加了许多，为此，我国重新设计了大油量、具有平滑特性线的高性能主油泵、射油器供油系统以满足需要。主油泵直接连接到汽轮机的主轴上，提高了机组运行效率和油系统的可靠性。此外，离心式主油泵受油质影响很小，射油器为无机械运动部件，使得其使用寿命大大延长，此种供油系统简图如图1所示。对于使用主油泵、射油器供油系统的机组，若调速油系统与润滑油系统共用同一供油系统，在机组甩负荷及超速试验等非正常工况下，在油系统用油量突然增加时，主油泵瞬时流量很大，出口压力下降，射油器因动力油压下降，输出流量减少，不能满足主油泵对流量需求，导致主油泵入口油流连续性破坏而导致的轴承断油烧瓦事故时有发生；此外，主油泵出现故障或主油泵齿形联轴器磨损时，也会引起调速系统摆动甚至导致调速系统失控，发生严重的毁机事故。随着单机容量增大，机组能否安全、经济地运行对整个电网的稳定越来越重要。为此，我国300MW、600MW大型火电机组采取将润滑油系统与调速油系统分开的措施，润滑油系统仍沿用以前的主油泵、射油器供油系统，而控制系统则采用电液调节系统并由独立的高压抗燃油系统供油。这样在提高了润滑油系统和调节油系统可靠性的同时，提高了机组的控制性能。目前，部分200MW机组也改造成这种油系统，其他200MW及以下汽轮机组则仍沿用润滑油系统与调节油系统共用的由主油泵和射油器组成的供油系统。对于采用主油泵、射油器的供油系统，存在着射油器占用容积大、效率低且在偏离正常工况及油速高时射油器噪声大等缺点。1.1.3燃油系统的补充完善采用主油泵、射油器的供油系统，其动力油压由主油泵提供，约为2MPa。在此动力油压下，射油器提供的流量是有限的，不能超过射油器工作的临界流量（约5000L/min）。对于600MW的机组，射油器的工作流量已接近其临界流量，目前，我国650MW的核电机组润滑油系统已开始采用以油涡轮增压泵代替射油器的供油系统，此种供油系统如图2所示。油涡轮增压泵具有体积小、提供的油量大及效率高等优点，油涡轮增压泵供油系统总效率超过50%，而多孔射油器供油系统效率约25%，且油涡轮增压泵在非设计工况下仍可维持较高的效率，减小了主油泵的功率，提高了机组经济性。此外，主油泵、油涡轮增压泵供油系统由油涡轮增压泵向主油泵入口供油，使得主油泵入口油压力提高，维持机组润滑油系统供油能力的转速比主油泵、射油器供油系统低，提高了机组启停机过程中的安全可靠性。国外的东芝、日立等公司的机组均采用了此种供油系统。与射油器相比，油涡轮为转动部件，会发生磨损，受油质的影响，须定期检修且在容量不足时易发生汽蚀。我国在80年代曾尝试在200MW汽轮发电机组上使用这种供油系统，但由于缺乏设计、运行经验，频繁发生吸空、汽蚀而导致轴承振动及轴承断流烧瓦的事故，最后只得又改回原来的主油泵、射油器供油系统。近年来，我国在主油泵、油涡轮增压泵供油系统的应用过程中积累了许多经验，已具备了设计、使用此种供油系统的能力。目前，北京重型电机厂生产的小机组及哈尔滨汽轮机厂生产650MW核电机组的润滑油系统都采用了主油泵、油涡轮增压泵供油系统。上述3种油系统是在寻求一种高效率、高可靠性的汽轮机油系统过程中产生的，有着各自的优缺点，根据各国制造技术及应用经验，其应用状况也不尽相同。如ABB和法国的阿尔斯通（Alsthom）公司的300MW和600MW润滑油系统目前仍采用具有自吸能力、可靠性高的齿轮泵供油系统。1.2我国汽轮机油系统的效率和可靠性我国研究人员在借鉴国外先进经验的基础上不断的探索，使我国汽轮机油系统效率和可靠性有了很大提高。但目前我国的汽轮机油系统仍存在如下问题。1.2.1大机组的油膜摩擦学性能随着机组容量的增加，机组轴径尺寸加粗，轴径表面线速度增大，同时转子重量大、油膜薄（小机组油膜厚度约为0.2mm，而大机组的油膜通过实测只有0.05mm），不仅使当润滑油压偏低时轴径易与轴瓦间发生摩擦，而且轴径更易受油中微小颗粒的损伤，使近年来大机组轴径拉毛磨损的事故频繁发生。此外，对润滑油系统，特别是润滑油与调速油共用同一供油系统的机组，由于设计上存在缺陷或操作中失误，同时缺乏必要的监测手段，在非正常工况下或启停机过程中润滑油系统断油烧瓦的事故仍时有发生。1.2.2伺服阀故障频繁由于我国油质普遍较差，调节系统卡涩现象一直是一个威胁机组安全的问题。特别是，现在大容量机组大都采用数字电液调速系统（DEH），对机组转速和负荷进行连续调节并满足机组协调控制系统（CCS）对汽轮机的要求。这种控制系统的核心是电液伺服阀、电液比例阀、电液转换器等元件，它们作为信号转换和功率放大元件直接影响调节系统的性能。电液伺服阀是非常精密的电液转换元件，其阀套与阀芯、拨叉与阀芯的配合间隙都小于10μm，有的甚至小于5μm，使由于抗燃油污染而引起的伺服阀故障频繁发生。油液中少量中等颗粒即可引起前置放大部件滤油器淤塞，节流小孔、喷嘴堵塞，使元件无法工作或误动作；一定量中小颗粒卡堵在功率放大耦合件间会引起活动件卡紧，滑芯不能动作；此外，工作状态下油液中质地较硬的微细颗粒长期冲刷滑阀节流口、喷嘴和挡板，日积月累使得锐边钝化、尺寸改变，导致元件性能下降，甚至失效。据有关资料统计，电液伺服阀故障80%～90%是由油液污染所引起的。由于国内尚缺乏抗燃油系统的运行、管理经验，上述问题一直未能得到有效的控制。2润滑系统故障为使机组安全可靠的运行，我国在借鉴国外先进技术的基础上开始了电站设备故障诊断的研究，自1985年以来有了迅速发展。在油系统方面，对调速系统的故障诊断研究在90年代初就已进行，并开发出了故障诊断系统，对润滑油系统的故障诊断研究则未见报道。汽轮机润滑油系统故障是汽轮机常见故障并具有多样性。多年来，人们在对润滑油系统故障进行诊断、维修的同时，加深了对各种故障的认识并积累了丰富的经验，因此，利用这些宝贵的经验知识，将润滑油系统故障进行分类、总结，判明润滑油系统的基本故障模式，确定故障的原因、影响，以提高油系统设计的可靠性，并在此基础上确定故障监测和诊断研究的方向是进行汽轮机油系统故障诊断工作的首要任务。2.1最小割集的概念故障树分析方法（FaultTreeAnalysis）简称FTA法，是系统可靠性分析中一种最主要最常用的方法。FTA法以系统最不希望发生的故障（顶事件）作为故障分析的目标，通过逐层向下推溯所有可能引起该故障的直接原因，找出可能的元件失效、环境影响、人为失效及程序等硬件和软件因素（中间事件），直到追查到那些原始的、其故障机理或概率分布都是已知的，因而毋需再深究的因素（各种底事件）为止。是一种将系统故障形成的原因由总体至部分按树枝状逐级细化的分析方法。若故障树的某几个底事件的集合同时发生时，将引起顶事件的发生，则称这个集合为一个割集；若去掉其中任意一个底事件后就不再是割集，则这个割集被称为最小割集。一个割集代表了系统故障发生的一种可能性，即系统的一种失效模式。通过对故障树的定性分析可找出故障树的最小割集，确定导致顶事件发生的所有可能的失效模式，判明故障原因和影响，从而找出提高系统可靠性的方法和进行故障监测与诊断的有效途径。2.2齿轮润滑系统故障分析汽轮机润滑油系统的功能是连续不断地向轴承提供压力、温度合乎要求的润滑油，在轴径与轴瓦间形成油膜，防止轴与轴瓦间磨损甚至烧毁，同时带走由汽轮机内传到轴径上的热量和轴承工作时产生的热量，避免轴承内温度过高而发生乌金熔化。通过对汽轮机润滑油系统故障的统计分析，润滑油系统2种常见的主要故障为：汽轮机轴径、轴瓦磨损拉伤和轴承断油烧瓦。前者发生时间一般较长，具有隐蔽性，通常在大修时才发现；后者则通常在很短时间内完成，并易引发重大的毁机事故。分别以这2种故障作为顶事件，建立了这2种故障的故障树。系统边界条件限定于易出现故障的与调节油系统共用同一供油系统的润滑油系统，并只考虑由油系统本身所引起的故障，未考虑机组其他部分对机组润滑油系统的影响。这样，通过对引起这2种故障的因素进行分析，并对各个因素逐层展开，建立起了汽轮机润滑油系统2种常见故障的故障树模型。如图3、4所示。2.3润滑系统故障模式分类对汽轮机润滑油系统的故障树进行定性分析，求出其最小割集，即可得到汽轮机润滑油系统的失效模式，分析其发生途径，从而找出提高系统安全性的有效措施。汽轮机油系统由设备和在这些设备间流动的工质（透平油）组成。因此，本文在采用富塞尔算法得到了导致润滑油系统轴颈、轴瓦磨损拉伤及轴承断油烧瓦故障的油系统失效模式的同时，按工质因素、设备因素对这些失效模式进行分类。导致轴颈、轴瓦磨损拉伤故障的油系统失效模式共27种，其中设备因素包括16种，工质因素11种，如表1所示。导致轴承断油烧瓦故障的油系统失效模式共18种，其中设备因素包括13种，工质因素5种，如表2所示。从表1、2中所得结果可看出，汽轮机润滑油系统轴颈、轴瓦磨损拉伤故障除由于油系统设备本身缺陷使润滑油压较长时间低于润滑油系统要求的油压外，联系各个油系统部件的透平油的污染是引起该故障的主要原因，文献已对此进行了论述；汽轮机润滑油系统轴承断油烧瓦故障除部分由运行人员操作失误或工质间接引起外，主要原因则是由于油系统设备本身存在某些缺陷，并在一些特殊工况下显示出来，在很短时间内导致了轴承断油烧瓦事故发生。3油挤出系统的正反归反映回路及影响分析3.1轴颈、轴瓦磨损拉伤由2.3分析结果知，轴颈、轴瓦磨损拉伤故障主要由润滑油系统中联系各部件的工质—透平油污染引起的。通过对图3故障树中由油污染导致轴颈、轴瓦磨损拉伤故障发生的途径分析可注意到，某些底事件同时又是故障树中的中间事件或顶事件，这样在底事件与顶事件间便形成了一个正反馈回路。即油污染在直接导致轴颈、轴瓦磨损拉伤的同时，又加剧了透平油本身的污染程度；轴颈、轴瓦磨损拉伤会影响油膜的形成，降低了油膜承载能力，油膜承载力的下降，进一步加剧了轴颈、轴瓦的磨损拉伤，其相互作用如图5所示。由图5可看出，油污染是形成此故障正反馈回路的关键因素，油污染不仅可直接导致轴颈、轴瓦磨损拉伤故障的形成，还可通过降低油膜的承载能力，间接导致轴颈、轴瓦磨损拉伤故障的形成。由以上分析可看出，对轴颈、轴瓦磨损拉伤故障，油污染如不加控制，其本身会自动形成故障正反馈回路，加速这一故障的形成。淮南平圩电厂1号机组运行后，1988年12月至1989年4月间就曾先后4次被迫停机揭瓦检查，各道轴瓦和轴颈均有不同程度的非正常磨损，轴颈上磨伤环状沟槽深达1mm。经研究认为，除轴承设计比压过大外，供油系统中的固体颗粒污染是轴瓦和轴颈损伤的主要原因。因此，加强油污染的管理，实行油污染在线监测和控制是减少此类故障的有效措施。近几年来，国内已逐渐注意到油污染对油系统的危害，并已开始了这方面的研究工作。3.2故障机制分析根据2.3中分析结果，汽轮机润滑油系统轴承断油烧瓦故障主要由设备本身存在缺陷引起。同样，通过对图3中由设备引发轴承断油烧瓦故障的途径进行分析可看出，在特殊工况下，轴承断油烧瓦故障树中亦存在某些中间事件同时又是引发事件本身形成的原因。此种情况表明，在供油设备主油泵与射油器间亦可形成正反馈回路，并在某些非正常工况下显示出来，可在很短时间内导致轴承断油烧瓦故障的发生。通过对轴承断油烧瓦故障树的分析可看出，在主油泵、射油器供油系统中，主油泵与1号射油器相互影响，形成了一个正反馈回路，如图6所示。从图6可看出，1号射油器为主油泵入口提供进油，同时1号射油器、2号射油器的工作油压又由主油泵提供，当设备本身存在缺陷时，在特殊工况下，这一正反馈回路存在，便会导致轴承断油烧瓦事故的发生。下面分别对在这些工况下，正反馈回路对故障形成的影响进行了分析。3.2.1号射油器出口压力随主油泵切换过程在由主油泵、射油器组成的供油系统的设计中，主油泵与射油器的设计都是以静态计算为基础的。在机组启动时，一般取n≥0.95n0(n0为额定转速）时，高压启动油泵与主油泵能实现自动切换，在机组定速时，由主油泵独立供油。但在实际运行中，通常会出现机组定速后，高压启动油泵仍与主油泵并列为机组供油的情况，如图7所示，此时主油泵工作在A点，高压启动油泵工作在C点。此时须人工关闭高压启动油泵出口截门，降低压头来实现油泵的切换。在切换过程中，主油泵流量增加，出口压力下降，使1号射油器工作油压下降，导致主油泵本身入口压力下降，使其出口压力下降至A、点，并随高压启动油泵的关闭，主油泵出口流量增加，压力下降到B、点。同样，在切换过程中射油器特性线及出口压力变化如图8所示。从图8可看出，射油器特性与工作油压有关并存在临界流量，在停高压启动油泵的过程中，1号射油器出口油压一方面由于工作油压的下降使得其出口压力随特性线下移至a、点；另一方面，随1号射油器供油量的增加，其出口压力也下降至b、点。主油泵工作正常后，逆止门完全打开，主油泵出口油压恢复到正常工作点B后，射油器特性线向上平移，出口压力最终也稳定在正常工作点b1。上述过程是在静态工况下对油泵切换过程的分析，而在实际过程中，当由于射油器特性线不合理、切换过程中稍有操作不当或主油泵逆止门卡涩不能完全打开时，主油泵与1号射油器间的正反馈回路，会使1号射油器出口油压不能平缓过渡到b1点，而是发生剧烈变化，使电厂经常发生主油泵出口压力骤然下降，甚至跌落到零，极易引起润滑油系统断油烧瓦事故的发生。为避免上述情况的发生，对存在上述正反馈回路的系统在设计及操作过程中应考虑油泵切换过程中主油泵与射油器间的动态耦合过程，设计合理的特性线并制定出油泵切换过程中的操作