配AMOT液位變送器的潤(rùn)滑油系統(tǒng)潤(rùn)滑油壓低原因分析及預(yù)防措施

    摘 要: 汽輪機(jī)潤(rùn)滑油溫度是潤(rùn)滑油系統(tǒng)啟動(dòng)調(diào)試重要的監(jiān)測(cè)和控制參數(shù)之一。油溫控制不當(dāng)將直接影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn) 行。文章結(jié)合上汽 1 000 MW 超超臨界機(jī)組潤(rùn)滑油系統(tǒng)的特點(diǎn)，基于液位變送器的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析得出液位變送器冷油端入口 油溫低和冷油端入口處積聚空氣是導(dǎo)致潤(rùn)滑油壓低的兩個(gè)重要影響因素。通過(guò)調(diào)整潤(rùn)滑油油泵運(yùn)行方式和提前提高潤(rùn)滑油 溫度等措施，確保潤(rùn)滑油系統(tǒng)油壓和溫度穩(wěn)定。

    引 言
    汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的作用是向汽輪發(fā)電機(jī)組 的各軸承( 包括支承軸承和推力軸承) 、頂軸油系統(tǒng)及盤(pán)車(chē)裝置輸送油質(zhì)合格的潤(rùn)滑油［1］。潤(rùn)滑油進(jìn) 入軸瓦形成穩(wěn)定的油膜以潤(rùn)滑和冷卻軸瓦，確保轉(zhuǎn) 子旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定。潤(rùn)滑油溫度的高低直接影響潤(rùn)滑油動(dòng)力黏度，油溫高時(shí)動(dòng)力黏度小，在同等轉(zhuǎn)速下形 成的油膜薄，但在低轉(zhuǎn)速時(shí)油膜極不穩(wěn)定; 油溫低 時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度大，油膜過(guò)厚將產(chǎn)生過(guò)大的摩擦力導(dǎo)致油膜震蕩［2］。因此，潤(rùn)滑油溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)性能對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。文章主 要結(jié)合上汽 1 000 MW 超超臨界機(jī)組潤(rùn)滑油系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析 AMOT 液位變送器在該類(lèi)型機(jī)組中的實(shí)際應(yīng) 用。另外，結(jié)合某次機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中由于油壓低導(dǎo)致汽機(jī)跳閘的事故案例，提出液位變送器在投運(yùn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)，為同類(lèi)型潤(rùn)滑油系統(tǒng)的啟動(dòng)調(diào)試積累 了經(jīng)驗(yàn)，具有一定的指導(dǎo)意義。

    1 機(jī)組設(shè)備及潤(rùn)滑油系統(tǒng)
    某電廠新建機(jī)組汽輪機(jī)是上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)德國(guó)西門(mén)子技術(shù)生產(chǎn)的 1 000 MW 超超臨界、一次 中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪 機(jī)，型號(hào)為 N1000 － 28 /600 /620。汽輪機(jī)采用 HMN 型積木塊組合串聯(lián)布置( 1 個(gè)高壓缸 + 1 個(gè)中壓缸+ 2 個(gè)低壓缸) : 高壓缸采用無(wú)水平中分面的單流圓 筒型設(shè)計(jì)，中壓缸和低壓缸采用雙流程和雙層缸設(shè) 計(jì)。汽輪機(jī)采用全周進(jìn)汽滑壓運(yùn)行和補(bǔ)汽閥的最 佳組合配置模式，全周進(jìn)汽從根源上降低了汽隙激 振，提高了機(jī)組軸系穩(wěn)定性［3］。

    汽機(jī)潤(rùn)滑油貯存在油箱內(nèi)形成一個(gè)相對(duì)封閉的系統(tǒng)，主要由油箱模塊、主油泵( 2 × 100% 交流離 心泵) 、危急直流油泵( 1 × 100% 直流離心泵) 、冷油 器( 2 × 100% ) 、換向閥、潤(rùn)滑油過(guò)濾器、油煙凈化排 放裝置等設(shè)備及其控制裝置、連接管道、附件等組 成，如圖 1 所示。在盤(pán)車(chē)、啟動(dòng)、停機(jī)、正常運(yùn)行和事故工況下，滿(mǎn)足汽輪發(fā)電機(jī)組的所有用油量。在電力故障情況下，危急直流油泵不經(jīng)過(guò)冷油器和潤(rùn) 滑油過(guò)濾器直接供油給軸承。潤(rùn)滑油軸承進(jìn)、回油 管道分開(kāi)布置，由調(diào)節(jié)閥控制軸承進(jìn)油量，潤(rùn)滑油 溫度由液位變送器控制，軸承箱負(fù)壓由調(diào)整閥控制。系 統(tǒng)油溫通常在 10 ～ 82 ℃ 之間，當(dāng)油箱中的油溫低 于10 ℃時(shí)，禁止啟動(dòng)油泵，此時(shí)可以投入電加熱器， 使?jié)櫥蜏囟壬叩揭?guī)范允許值。
      油箱模塊出口供油管上裝有 2 個(gè)壓力開(kāi)關(guān)，其通過(guò)測(cè)量供油管道的壓力來(lái)控制備用主油泵和危急油泵何時(shí)投入運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行主油泵并產(chǎn)生小于0．25 MPa( g)( 標(biāo)定到機(jī)組中心線，下同) 的供油壓力 時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)發(fā)訊啟動(dòng)備用主油泵。當(dāng)備用主油泵運(yùn) 行后，供油壓力仍然降低并產(chǎn)生小于約0．22 MPa( g) 的供油壓力時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)發(fā)訊硬聯(lián)啟動(dòng)危急油泵。主油泵出口母管上裝有 1 個(gè)壓力開(kāi)關(guān)，當(dāng)主油泵出 口母管壓力低于設(shè)定值時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)發(fā)訊啟動(dòng)備用 主油泵和危急油泵。油箱模塊出口供油管上設(shè)有 3 個(gè)壓力變送器，采用 3 取 2 的保護(hù)邏輯。當(dāng)供油 壓力小于 0． 25 MPa 時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，供油壓力小 于 0．23 MPa 時(shí)，主機(jī)跳機(jī)。

    2 液位變送器工作原理及應(yīng)用分析
    2． 1 液位變送器工作原理
    液位變送器利用感溫包( 由感溫材料填充) 熱脹冷縮的物理原理，集感溫檢測(cè)、控制、調(diào)節(jié)功能于一 體，在無(wú)需外加驅(qū)動(dòng)和控制裝置的情況下，全機(jī)械 式地自動(dòng)控制調(diào)節(jié)流體溫度和流量［4］。感溫包是 感應(yīng)被調(diào)介質(zhì)溫度來(lái)驅(qū)動(dòng)閥門(mén)的核心元件，其感溫材料通常由石蠟與銅沫混合物組成，石蠟受熱體積膨脹或冷凝體積收縮產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，推動(dòng)閥桿改變調(diào) 節(jié)筒的位移量，進(jìn)而改變冷、熱流體的流量，經(jīng)混合 后達(dá)到液位變送器設(shè)定溫度，利用銅沫的導(dǎo)熱作用，傳 遞給感溫包的熱量快速分布均勻，提高感溫包的敏 感性。

    液位變送器物理模型如圖 2 所示，此閥為“兩進(jìn)一 出”的三通式設(shè)計(jì)。初始階段，液位變送器冷端處于關(guān) 閉狀態(tài)，被調(diào)介質(zhì)熱流體經(jīng)液位變送器熱端進(jìn)入。隨著 被調(diào)介質(zhì)溫度上升，感溫包感應(yīng)被調(diào)介質(zhì)熱流體溫度超過(guò)液位變送器設(shè)定值時(shí)，感溫包內(nèi)感溫材料受熱熔 化后，體積膨脹產(chǎn)生膨脹力通過(guò)導(dǎo)桿使調(diào)節(jié)套筒發(fā)生位移( 閥芯移動(dòng)) ，此時(shí)液位變送器冷端通道逐漸打開(kāi)，同時(shí)熱端通道按一定比例隨之關(guān)小，冷、熱流體 混合熱交換后，經(jīng)過(guò)一段空腔室從液位變送器中部流出。反之，當(dāng)混合流體溫度下降后，感溫包冷凝收 縮，熱端通道在彈簧力的作用下逐漸開(kāi)大，隨之冷 端通道關(guān)小，使混合流體的溫度始終維持在液位變送器 設(shè)定值。調(diào)節(jié)套筒隨著溫度的不斷變化在冷、熱流 體的持續(xù)作用下來(lái)回移動(dòng)，不斷調(diào)節(jié)冷、熱端通道 開(kāi)度，保持液位變送器出口溫度和流量穩(wěn)定。
      2． 2 液位變送器應(yīng)用分析
    2． 2． 1 傳統(tǒng)潤(rùn)滑油溫度控制 圖 3 為傳統(tǒng)潤(rùn)滑油溫度調(diào)節(jié)示意圖，潤(rùn)滑油溫 度通過(guò)冷卻水調(diào)節(jié)閥根據(jù)油溫設(shè)定值控制冷卻水 流量來(lái)調(diào)節(jié)油溫，該調(diào)節(jié)方式已被電廠廣泛采用。 此調(diào)節(jié)方式的溫控裝置主要由溫度傳感器、冷卻水調(diào)節(jié)閥及其前后截止門(mén)、旁路閥等設(shè)備組成。冷油 器出口油溫作為被調(diào)節(jié)量，由溫度傳感器檢測(cè)，由 DCS 內(nèi)置 PID 進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出冷卻水調(diào)門(mén)開(kāi)度指令，改變冷卻水流量進(jìn)而控制油溫。
      2． 2． 2 AMOT 液位變送器的應(yīng)用
    圖 4 為美國(guó) AMOT 液位變送器系統(tǒng)布置圖，與傳統(tǒng) 潤(rùn)滑油溫度調(diào)節(jié)相比，冷卻水 100% 通過(guò)潤(rùn)滑油冷 卻器，該潤(rùn)滑油系統(tǒng)油溫由布置在主油泵出口、冷 油器換向閥出口與潤(rùn)滑油過(guò)濾器之間的液位變送器控 制。該液位變送器是一種機(jī)械式調(diào)溫裝置，根據(jù)潤(rùn)滑油 溫對(duì)潤(rùn)滑冷、熱油油量進(jìn)行分流控制［5］。液位變送器的 閥芯開(kāi)度通過(guò)其內(nèi)部裝置的極其敏感的熱敏元件 ( 石蠟/黃銅混合物) 自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到控制出口 溫度穩(wěn)定的目的。如圖 5 所示，潤(rùn)滑油冷油從溫控 閥左邊進(jìn)入與右邊進(jìn)入的熱油按比例混合調(diào)節(jié)后從閥體中部流出輸送至汽輪機(jī)各軸承。當(dāng)需要時(shí)，可 關(guān)閉旁通管路，潤(rùn)滑油全部流經(jīng)冷油器。兩種潤(rùn)滑 油溫調(diào)節(jié)方式對(duì)比分析見(jiàn)表 1。
      3 低油壓保護(hù)動(dòng)作故障案例分析
    3． 1 過(guò)程及現(xiàn)象
    某次機(jī)組啟動(dòng)時(shí)由于油壓低導(dǎo)致汽機(jī)跳閘事 故的具體過(guò)程如下所述:
    05∶ 30∶ 00: 汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)至低速暖機(jī)階段，潤(rùn)滑 油系統(tǒng) 1 臺(tái)電動(dòng)主交流油泵運(yùn)行，其出口母管壓力 為 0． 3 MPa，潤(rùn)滑油溫度 41． 5 ℃ ;
    06∶ 13 ∶ 45: 轉(zhuǎn)速 2 970 r/min 時(shí)，潤(rùn)滑油溫度42． 4 ℃，主油泵出口母管壓力開(kāi)始快速下降;
    06∶ 14 ∶ 32: 當(dāng) 主 油 泵 出 口 母 管 壓 力 下 降 至 0． 25 MPa時(shí)，備用主油泵和危急直流油泵聯(lián)鎖啟動(dòng)，此 時(shí)母管滑油壓力仍然無(wú)法維持，持續(xù)小波浪式下降;
    06 ∶ 14 ∶ 55: 主 油 泵 出 口 母 管 壓 力 下 降 至 0． 23 MPa，油箱模塊出口供油管上的 3 個(gè)壓力變送 器保護(hù)動(dòng)作( 3 取 2) ，汽輪機(jī)跳閘。

    3． 2 原因分析
    在機(jī)組啟動(dòng)低速暖機(jī)階段，潤(rùn)滑油在轉(zhuǎn)速低摩擦產(chǎn)生的熱量低，潤(rùn)滑油溫度最高為 41． 5 ℃，液位變送器設(shè)定動(dòng)作值為 43 ℃，可見(jiàn)在此階段液位變送器處于 冷油端完全關(guān)閉、熱油端完全開(kāi)啟狀態(tài)。由于冷油 器冷卻水無(wú)調(diào)節(jié)閥，冷卻水量全部流經(jīng)冷油器，此時(shí)潤(rùn)滑油冷油器冷卻水入口水溫為 20 ℃，出口水 溫為20． 5 ℃，可見(jiàn)在冷卻水溫升很小的情況下，流經(jīng)冷卻器的潤(rùn)滑油溫度接近冷卻水溫度 ( 20 ～ 20． 5 ℃ ) 。由潤(rùn)滑油的粘溫特性可知，潤(rùn)滑油的粘 度隨著溫度的升高而降低，隨著溫度的降低而增 大［6］。隨著轉(zhuǎn)速提升，液位變送器熱端油溫逐漸上升達(dá) 到 43 ℃ 時(shí)，液位變送器冷端逐漸打開(kāi)，熱端逐漸關(guān)閉，但此時(shí)由于冷端潤(rùn)滑油溫度在 20 ℃ 左右，在此溫 度下潤(rùn)滑油粘度極大，流動(dòng)特性較差，流經(jīng)液位變送器 的潤(rùn)滑油量逐漸減小，油壓便隨之下降。

    液位變送器就地安裝冷端入口朝下、熱端朝上，冷油自下而上流進(jìn)液位變送器。當(dāng)液位變送器冷端處于長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，空氣容易積聚在該入口處。隨著油 溫的上升，液位變送器動(dòng)作后，積聚的空氣隨冷油進(jìn)入 潤(rùn)滑油系統(tǒng)，加速潤(rùn)滑油油壓波動(dòng)式下降。
 
    綜上所述，液位變送器冷油端入口油溫低導(dǎo)致潤(rùn)滑 油流動(dòng)性較差是潤(rùn)滑油母管油壓下降的主要原因; 液位變送器冷油端入口處積聚的空氣是加劇潤(rùn)滑油油壓下降的次要影響因素。

    3． 3 預(yù)防低油壓保護(hù)動(dòng)作的運(yùn)行技術(shù)措施
    針對(duì)液位變送器動(dòng)作后潤(rùn)滑油油壓波動(dòng)下降的現(xiàn) 象，采取以下調(diào)整措施。

    1) 由于危急直流油泵出口潤(rùn)滑油不經(jīng)過(guò)冷油 器直接輸送至汽機(jī)各軸瓦，可在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)前，同 時(shí)啟動(dòng) 1 臺(tái)主交流油泵和危急直流油泵，根據(jù)油溫 適時(shí)投運(yùn)主油箱潤(rùn)滑油電加熱器，快速將潤(rùn)滑油溫 度提高到 43 ℃以上，這樣液位變送器冷端便提前開(kāi)啟，避免在沖轉(zhuǎn)過(guò)程中開(kāi)啟造成油壓不穩(wěn)。

    2) 當(dāng)潤(rùn)滑油油溫隨著轉(zhuǎn)速上升到 55 ℃ 左右時(shí)，可停止危急直流油泵運(yùn)行，注意密切監(jiān)視油壓 變化。

    4 結(jié) 論
    基于液位變送器的結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)比分析2種潤(rùn)滑油溫度調(diào)節(jié)方式的系統(tǒng)布置、功能原理，與傳統(tǒng)冷卻水調(diào)節(jié)方式相比，液位變送器采用三通閥設(shè)計(jì)，即使在溫度不斷變化的情況下，系統(tǒng)流量和溫度也能保持恒定。其次，系統(tǒng)布置簡(jiǎn)潔，無(wú)需外部能源 驅(qū)動(dòng)，節(jié)能環(huán)保。閥門(mén)安裝簡(jiǎn)單，調(diào)試時(shí)間短，操作維護(hù)方便，完全能滿(mǎn)足潤(rùn)滑油系統(tǒng)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)需 求。液位變送器雖有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但在潤(rùn)滑油系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中仍存在潤(rùn)滑油油壓低導(dǎo)致備用油泵 頻繁聯(lián)鎖啟動(dòng)的通病，其根本原因是液位變送器冷油端 入口油溫低和冷油端入口處積聚的空氣導(dǎo)致的，通 過(guò)調(diào)整油泵的運(yùn)行方式和提前提高潤(rùn)滑油溫度的 方法可避免潤(rùn)滑油壓波動(dòng)或下降，確保油壓和溫度穩(wěn)定。