(国电科学技术研究院 江苏南京 210023)
摘要：汽轮机润滑油系统是保证汽轮机安全运行的重要系统，润滑油系统瞬间断油都有可能对汽轮机造成毁灭性的伤害，容易引发烧瓦、断轴、着火等事故。本文介绍了某电厂两台新建超临界机组同时因润滑油瞬时断油而停机事故，通过深入分析事发原因，采取了一系列措施防止事故的再次发生，为机组安全运行提供可靠保障，并顺利完成了满负荷试运行。
关键词：超临界机组；润滑油系统；断油；
Abstract: The lubricating oil system of steam turbine is an important system to ensure the safe operation of the steam turbine, and the instantaneous oil shutoff of the lubricating oil system may cause destructive damage to the turbine and cause accidents such as burning tile, shaft breaking and fire. This paper introduces a power plant two new supercritical units shutdown accident at the same time because of no lubricating, through in-depth analysis of the incident, has taken a series of measures to prevent accidents and to provide a reliable guarantee for the safe operation of the unit, and the successful completion of the full load test run.
Key words: supercritical unit; lubricating oil system; oil supply interruption
前言：汽轮机润滑油系统是保证汽轮机安全运行的重要系统[1]，润滑油系统瞬间断油都有可能对汽轮机造成毁灭性的伤害,容易引发汽轮机断轴烧瓦、大轴弯曲、转子动静磨擦、火灾甚至整机损坏等事故[2]。本次事故的大致情况为：某新建电厂两台350MW超临界机组，两台机组带负荷运行，在启动公用#3辅机冷却水泵过程中，因故障跳闸后，两台机组几乎同时全部跳闸，首出信号均为“润滑油压力低低”。由于两台机组跳闸后“润滑油压力低低”信号立即消失，且就地监视润滑油压力正常，在汽轮机惰走以及盘车过程中各参数均正常，未发生更严重的后果。
1概述
1.1.机组概况
某火力发电厂建设两台350MW超临界机组，汽轮机为东方汽轮机有限公司设计制造的超临界、一次中间再热、单轴、双缸双排汽、间接空冷凝汽式汽轮机，汽轮机型号CJK350/285-24.2/0.4/566/566[3]。
1.2.润滑油系统
本机组润滑油系统系东方汽轮机有限公司自带，未经改造变动。汽轮机润滑油系统采用主油泵-射油器供油方式。主油泵由汽轮机主轴直接驱动，其出口压力油驱动射油器投入工作。润滑油系统的主要作用是向汽轮发电机组的各轴承（包括支承轴承和推力轴承）、盘车装置提供合格的润滑油。另外，润滑油还为发电机密封油系统提供稳定可靠的氢密封油源，为装于汽机前轴承座内的机械超速脱扣及手动脱扣装置提供控制用压力油，为顶轴油系统提供工作用油。本润滑油系统的工作介质采用ISO VG32透平油。
本润滑油系统包括汽轮机主轴驱动的主油泵、供油射油器、供润滑油射油器、集装油箱、直流事故油泵、交流润滑油泵、压力调节器、油烟分离器、油位指示器、冷油器、切换阀、顶轴装置、低润滑油压遮断器、套装油管路、电加热器及连接管道，监视仪表等设备及系统，未设置蓄能器设备。
图1 润滑油系统简易图
1.3.辅机冷却水系统
本机组润滑油系统冷却水采用#1、#2机组公用的辅机冷却水，通过板式换热器将润滑油中因轴承、油泵及射油器耗功产生的热量带走，设置在冷却水侧回水管路上的电动调整门通过控制冷却水流量来维持润滑油供油的温度在合适的温度。
辅机冷却水系统采用母管制供水系统，两台机组包括3座机力通风冷却塔、3台辅机冷却水泵、一条辅机冷却水进水管、一条辅机冷却水回水管、三条冷却塔至水泵吸水池的自流引水管。辅机冷却水泵为单级双吸泵、滚动轴承、油脂润滑。每台辅机冷却水泵出口均设置一个具有快关功能的液控蝶阀，一个用于检修的电动隔离门。辅机冷却水泵采取两台机组夏季两用一备，其他工况一用两备的模式设计。
2现象及原因分析
2.1.现象介绍
事发当日，#1机负荷350MW正在进行168满负荷试运，#2机负荷约150MW正在做整套带负荷试运试验，两台机组均正常运行，没有润滑油系统的相关工作，也没有可能影响润滑油系统的试验在进行。#1辅机冷却水泵运行，为#1、#2机组提供冷却水源，#2、#3辅机冷却水泵备用。
因设备轮换需求，运行人员准备启动#3辅机冷却水泵替换#1辅机冷却水泵。凌晨01:37分启动#3辅机冷却水泵，因出口液控蝶阀全开信号故障，30秒后#3辅机冷却水泵联锁跳闸；辅机冷却水泵跳闸后，几乎同时两台机组全部跳闸，锅炉MFT，跳闸首出信号均为“润滑油压力低低”开关动作；由于两台机组跳闸后“润滑油压力低低”信号立即消失，且就地监视润滑油压力正常，在汽轮机惰走以及盘车过程中各参数均正常，未发生更严重的后果。
2.2.原因分析
事发后，电厂领导及各参建单位十分重视，连夜召集各专业人员分析事故原因，提出预防措施及解决方案。经过各参建单位商讨，初步达成以下共识：（1）由于两台机组的润滑油系统并无相连部分，唯一可能有关联的油净化装置在事发时也并未运行，且不至于同时造成两台机组的润滑油系统故障；（2）在事发后两台机组的润滑油系统仍然正常运行，在惰走过程以及后期的盘车过程中并未发现异常，各参数均正常，惰走时间与以往相比也未见异常；（3）两台汽轮机几乎同时跳闸，且紧在#3辅机冷却水泵跳闸后，期间并未有其他操作。基于以上分析，初步怀疑系#3辅机冷却水泵跳闸信号误入两台机组的“润滑油压力低低”跳机信号，造成两台机组“润滑油压力低低”信号误动作，继而引发跳机事故。
验证工作比较简单，将#3辅机冷却水泵电源送到试验位，启动后再就地按下事故按钮停运此泵，但未发生“润滑油压低低”信号触发事件，类似方法轮换试验几次也均未触发，猜测方向错误。
问题方向又分化为两个：一是#3辅机冷却水泵的6KV动力电缆与两台机组的“润滑油压低低”有某种联系，或者因电磁干扰等因素引起信号跳变；二是辅机冷却水的流量或者压力等变化对两台机组的润滑油压产生影响。动力电缆的影响很快被排除，经电气专业确认，电缆的布置和“润滑油压低低”信号电缆完全没有物理上的接近，且即使有影响也不至于有如此精准的指向性，查询报警历史也证实事故发生时并未有其他信号的误报现象。那么可能性就只有一个：辅机冷却水的流量或者压力等变化对两台机组的润滑油压产生了实质性的影响，造成了机组的润滑油压力瞬间下降至跳机值，然后又立即恢复。
验证工作证实了此种说法：派人就地观测汽轮机润滑油压力表，将#3辅机冷却水泵电源送到工作位启动后再就地按下事故按钮停运此泵，“润滑油压低低”信号再次触发，就地压力表也快速下降后立即恢复。
那么，问题就出现了，辅机冷却水与汽轮机润滑油唯一有关联的地方就是换热器，换热器是如何影响到汽轮机润滑油压力的变化呢？
原来该机组润滑油冷却介质为公用的辅机冷却水，冷油器为板式换热器。在一台辅机冷却水泵运行时冷油器水侧压力低于油侧压力，在压差的影响下板式换热器换热片变形凸向水侧；而在两台辅机冷却水泵运行时冷油器水侧压力高于油侧压力，在压差的影响下板式换热器换热片变形凸向油侧。这就使得在启动第二台辅机冷却水泵水压高于油压后，再停运此泵油压高于水压时，造成板式换热器换热片反向变形，油侧空间增大，运行平台的润滑油大量回流至冷油器使得润滑油压瞬间下降至跳机值以下，而此扰动过后润滑油充满冷却器，润滑油压再次恢复到正常值。
由表1可以看出：（1）在稳定状态时冷油器处油侧压力稳定在0.30MPa，运行平台处油压稳定在0.17MPa，在启停第二台辅机冷却水泵时水侧压力正好波动在油侧压力上下，分别为0.40MPa和0.23MPa；（2）在第二台辅机冷却水泵跳闸瞬间，由于对应液控蝶阀关闭仍需要数秒时间，原管路里的水部分回流使得辅机冷却水母管压力最低至0.08MPa，更加剧了板式换热器换热片的变形量；（3）在第二台泵跳闸时，润滑油压力（运行平台）处压力低至0.06MPa，低于跳机保护定值（0.07MPa）。
注：1.润滑油压力（运行平台）与参与跳机保护的“润滑油压力低低”信号水平位置相当；2. 润滑油压力（冷油器后）紧临冷却器，能够代表冷油器中油侧压力；3. 辅机冷却水流量控制阀设置在回水管路，辅机冷却水母管压力能够代表冷油器中水侧压力。
3事故分析及问题解决方法
3.3.1.事故分析
通过以上分析，我们得知了问题产生的原因，为了更好提出解决措施，我们整理下此机组为什么会发生这样的事故：
（1）该厂两台机组润滑油冷却水源同为公用的辅机冷却水，一旦冷却水出现问题势必造成两台机组润滑油系统同时故障。
（2）该厂润滑油冷却器为板式换热器，给变形以及润滑油的回流提供了可能；假若采用管式换热器，就不存在此种情况发生。
（3）该厂润滑油冷却水采用辅机冷却水，冷却水母管压力变化空间正好处于冷油器处油压的上下，这也是换热器变形的直接原因；假若采用压力高的闭式水，或者压力低的循环水作为冷却水源，基本不会发生此种事故。
（4）该厂润滑油冷却器冷却水电动调整门设置在冷却水侧回水管路上，这就使得冷油器处冷却水侧压力基本上等于辅机冷却水母管压力，无形中提升了水侧压力，使得水侧压力正好在油压的上下波动；假若冷却水电动调整门设置在冷却水侧进水管路上，也基本上杜绝了事故发生的可能。
（5）该厂润滑油系统中未设置蓄能器，不能化解润滑油压力突降或者瞬间失去给机组带来的风险。
3.2.问题解决方法
由于板式换热器更换、辅机冷却水母管压力调整、润滑油系统增设蓄能器等措施均时间长、投资大且需要经过严格数据计算，故从冷却水调节温度方式入手最方便，且时间短、见效快。
基本思路为：全开冷油器水侧回水管路中的各门，通过冷油器水侧供水管路中的门控制冷却水量以达到控制润滑油温度的目的；另外需通过试验确定供水管路门的最大开度，一来保证机组润滑油系统温度能维持在正常水平，二来防止开度过大时再次发生本文中提及的事故。
注：1.润滑油压力（运行平台）与参与跳机保护的“润滑油压力低低”信号水平位置相当；2. 润滑油压力（冷油器后）紧临冷却器，能够代表冷油器中油侧压力；3. 辅机冷却水流量由供水管路手动门控制，辅机冷却水母管压力并不能够代表冷油器中水侧压力。
由表2中数据发现，冷油器水侧供水管路手动门开度为全行程1/4时，即使第二台辅助冷却水泵跳闸瞬间，辅机冷却水母管压力下降至0.10MPa时，润滑油压力（运行平台）仍然为0.17 MPa，完全不影响润滑油系统的正常运行；另外，根据简单估算，冷油器水侧供水管路手动门开度为全行程1/4时，完全能满足机组正常运行时冷却水的需求量。故采取以下临时措施（管路走向及阀门位置参见图1）：
（1）全关冷油器水侧供水管路手动门。
（2）将冷油器水侧回水管路上的电动调整门、调整门前手动门、调整门后手动门和调整门旁路门全开。
（3）用冷油器水侧供水管路手动门控制润滑油温在40℃至45℃之间。
（4）冷油器水侧供水管路手动门的最大开度为全行程的1/4，严禁将开度超过规定。
由于工程进度的原因，采取了此临时措施，建议电厂在后期停运辅机冷却水系统时将电动调整门改至供水管路，以免再次发生本文中的事故。
4措施实施效果及进一步思考
4.1.措施实施效果
通过以上措施的实施，两台机组顺利完成了168小时满负荷试运，在后期运行过程中也再未发生本文中所讲事故[4]。虽然至今电厂仍没有机会将电动调整门改至供水管路，但有理由相信改造后能够免除人力调整温度的麻烦且不会导致其他负面后果。
4.2.事件的进一步思考
回过头来，我们再思考一下事件发生的必要条件：板式换热器、反转的压差、未设置蓄能器，三个条件缺一不可。板式换热器提供了润滑油回流的可能，反转的压差为润滑油回流的直接原因，未设置蓄能器使得最后一道保障都得以消失。
首先，我们看一下板式换热器。该换热器型号为NT250H B-10，换热片尺寸为2127mm×895mm，组装后换热片总厚度为1112mm，材质为TP316L，同样型号的板式换热器广泛应用于电厂，粗略估算一下最大容油量可达1m3。查询该厂以及其他诸多电厂技术协议，基本上仅针对设计温度、换热效率、换热面积、经过换热器的压降等参数做要求，并未对换热器的变形量以及变形引起的流量变化等做要求。由此可见，板式换热器存在变形的隐患早已有之，并不是新鲜事件，只是在实际应用中需要其他条件触发才会造成本文所述事故。
其次，我们再看一下反转的压差这一条，在这一条中关键为电动调整门的位置。从最后的解决措施里我们知道是通过冷却水进水管路节流解决的，所以我们看下这电动调整门的位置到底该设置在何处。笔者查询相关电力设计规范，没有找到相关规定，但在集控值班员考试题库中有“冷油器油侧压力一般应大于水侧压力”的说法，若依据此说法结合实际水侧压力该调整门确实应该设置在进水管路，此种设计也能避免冷油器泄漏造成的油中进水事故。笔者再次查阅诸多电厂设计文件及实际冷油器冷却水调整门的位置，发现调门设置在冷油器进水管路的较多，但也有不少机组设置在冷油器回水管路上。没有相关规范文件上的规定，再加上随着板式换热器制造工艺及材料上的改进已经鲜有因板式换热器而造成油中进水的事故发生了，故该调整门的位置设置在何处也无可厚非。
最后，就是润滑油系统未设置蓄能器。由于本厂润滑油系统设置有汽轮机主轴驱动的主油泵，即使在交流润滑油泵及直流事故油泵均故障的恶劣情况下依然能保证汽轮机在高转速惰走过程中有润滑油的冷却润滑作用，仅在汽轮机低转速时由于主油泵出口油压过低无法供油，对汽轮机的伤害也相对较小。笔者查询其他电厂，也发现并不是所有机组润滑油系统都设置有蓄能器，但在那些无主油泵的润滑油系统中，蓄能器的设置就是必备的了。
结束语：
本文主要讲述了因辅机冷却水压力波动引起的两台机组跳机事故，通过一步步排查，逐渐找到了事故的真实原因，并提出了解决措施，取得了良好的效果。
最后，笔者建议：（1）冷油器采用板式换热器时需考虑其因压差产生的变形量，若压差有变化甚至反转的可能则需采取必要的加固措施；（2）冷油器调整门的位置优先考虑设置在进水管路上，尽量使得冷油器处油压始终高于水压；（3）润滑油系统蓄能器的设置与否应以保证汽轮机安全为宗旨，而这也是以润滑油系统其他辅助设备的可靠性为依据的。
参考文献：
[1]张泽滨, 段鸿飞. 汽轮机组断油烧瓦典型案例分析[J]. 东方汽轮机, 2014年9月第3期. 66-68
[2]叶朋珍等. 1000MW超超临界汽轮机润滑油系统优化研究[J]. 中国电力, 2017年4月. 第50卷第4期, 113-117
[3]东方汽轮机有限公司. 汽轮机产品说明书[M]. 2015年4月
[4]于强等. 电厂开式循环水系统水藻堵塞的原因及解决措施[J]. 江苏电机工程, 2014年3月第2期, 79-80
论文作者:1于强,2田阳,3卢旭东,4朱旭初
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/14
标签：润滑油论文; 汽轮机论文; 冷却水论文; 压力论文; 机组论文; 辅机论文; 两台论文; 《电力设备》2017年第29期论文;