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摘要：介绍了主流的大型汽轮机组润滑油系统的设计特点，介绍了蓄能器在润滑油系统中的应用，并通过试验分析对大型汽轮机组润滑油系统的可靠性进行验证，避免跳机风险，具有重要的工程应用参考价值。
关键词：蓄能器;润滑油系统;试验分析
中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2021）08-0000-00
0 引言
润滑油系统的稳定运行对大型汽轮机组的安全至关重要。目前主流的大型汽轮机组多采用同轴主油泵或双电泵方式供油，前者多配套用于早期的汽轮机组，后者随着近年配电技术的不断完善和机组大型化需求的发展而逐渐成为主流，这些机组国内主要由东汽、上汽和哈汽三大动力供货，在事故工况下保证供油压力稳定的措施因各家采用的技术方案不同也有差异。本文介绍这三种技术方案的设计特点以及蓄能器的应用，并通过试验分析的方法对大型汽轮机组润滑油系统的可靠性进行验证，提升运行稳定性，避免跳机风险，具有重要的工程应用参考价值。
1润滑油系统的设计特点
双电泵润滑油系统主要由交流润滑油泵（两台，一用一备）、直流润滑油泵、双联冷油器、双联过滤器、回油滤网、油箱、蓄能器、压力阀、仪表、附件等组成。其中，电动机的安全性是保证双电泵润滑油系统安全运行的最重要因素，除此之外，还在于配置与控制逻辑、控制柜的设置、电网的稳定性、运行维护等外部因素[1]。任何时候当发生故障需要进行油泵切换时，都应该保证在规定的时间内供给轴承的润滑油不会因压力波动大而造成机组的停机动作。
东汽典型的单轴联合循环汽轮机组的润滑油系统采用三台电动油泵与蓄能器相结合并辅助压力调节阀的技术方案。交流润滑油泵出口压力0.54MPa，直流润滑油泵出口压力0.265MPa，直流润滑油泵流量为交流润滑油泵的75%，润滑油泵电机转速选择1500 r.min-1。经过冷油器、过滤器后的润滑油被旁路压力调节阀调整到0.15MPa再进入机组对各轴承进行润滑。润滑油蓄能器被安排在交流油泵的出口管路上，以满足油泵的切换运行要求[2]。压力控制测点设置在压力调节阀后，压力下降到0.1MPa时联锁启动备用交流润滑油泵，压力持续下降到0.08MPa时联锁启动直流润滑油泵并机组跳机。
上汽厂超超临界600～1200MW汽轮机组润滑油系统设置两台100%容量的电动交流润滑油泵，和一台100%容量的直流润滑油泵，润滑油泵均采用快速启动式，在额定电压下的启动时间低于1 s。交流润滑油泵出口压力0.55MPa，直流润滑油泵出口压力0.25MPa，油泵自身的供油压力有较大的冗余（至少比轴承最高所需供油压力高0.1MPa）[3]。在交流润滑油泵出口和供油母管上各设置一个压力开关，当其中任意一个触发告警时直接联锁备用交流润滑油泵，并伴随启动直流润滑油泵;供油母管上的另一个稍低压力设定的压力开关告警时直接联锁启动直流润滑油泵;供油母管上还设置3取2保护逻辑的压力变送器，用于供油压力低告警时主机跳机，但此信号设置了延时3 s发讯。
哈汽厂早期的大型汽轮机组润滑油系统需要同时供给密封油，除了两交流和一直流的润滑油泵之外，还配有一台直流密封事故油泵。润滑油系统中，交流油泵出口压力为0.9MPa，密封油从交流油泵出口直接引出，其余油液经过压力调节阀减压到0.25MPa后供给轴承润滑用。近些年，对润滑油系统进行了优化，将密封油系统从润滑油系统中剥离出来单独设计，降低交流润滑油泵出口压力至0.55MPa，取消直流密封事故油泵，在直流事故油泵出口管路上设置蓄能器，并采用快速启动油泵。压力控制测点设置在汽轮机运行平台上，当压力下降到0.07MPa时联锁另一交流油泵启动;压力下降到0.05MPa时联锁直流润滑油泵启动并机组跳机。
2蓄能器的应用
无论是电气或非电气原因，当运行润滑油泵故障停运、备用润滑油泵联锁启动时，润滑油压均是先下降后上升的過程，直到备用油泵运行正常供油压力达到稳定。为了保证切换时油压稳定，通常从减缓压力下降速率、提高油泵快速建压能力和缩短备泵投入时间三方面进行考虑。
（1）润滑油压下降是由轴瓦间隙泄油产生的固有特性，只能通过方案进行延缓。在润滑油系统中设置合适的蓄能器，通过蓄能器辅助动力源的作用，为辅助油泵争取宝贵的启动时间，防止汽轮机跳机[4]，是使用最广的方案。此外，采用提高油泵出口压力的方案，也是可行的方法之一。
（2）减小油泵和电机的转动惯量是提高油泵快速启动的最优办法。采用低转速泵也可以提高泵的启动时间，从而实现快速建压。将油泵止回阀设置在油箱运行油面以下并预留排气小孔，备用泵启动前就排净备用泵管路中空气从而提高备用泵建压速度。
（3）提高备用泵压力切换点压力值，将压力开关故障信号采用电气回路硬联锁方式，都可以缩短备用泵的投入时间。
润滑油系统中蓄能器一般布置在过滤器后供油管路上，多采用气囊式蓄能器。市场厂能够直接匹配润滑油工作压力的气囊式蓄能器较少，国外公司能够提供一种公称压力1.6MPa的低压皮囊式蓄能器，但受于安全认证和价格等方面因素的影响，在大型汽轮机组润滑油系统中的应用业绩很少。国内市场上润滑油系统多采用国家标准的公称压力为10MPa的NXQ型囊式蓄能器。所需蓄能器的容积按照绝热状态蓄能器作为辅助动力源的容积公式计算，放油量的多少可以通过多个标准容积的蓄能器并联实现调节，简单方便。
国家能源局2014年下发的《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中提出：应配置或设计足够容量的润滑油储能器，一旦润滑油泵及系统发生故障，储能器能够保证机组安全停机，未设计安装润滑油储能器的机组，应补设并在机组大修期间完成安装或冲洗，具备投运条件[5]。 因此，设置蓄能器是大型汽轮机组润滑油系统故障保障的最有效措施，不仅仅适用于新建机组，更适用于改造机组。
3 试验分析
受润滑油系统制造商试验条件和设计院对系统试验验证理解等方面的限制，当前很少有项目将润滑油系统事故时油泵切换过程中压力的变化作为产品出厂验收条件的规定。往往都是润滑油系统在现场安装后运行期间，模拟或真正故障切泵时才会暴露出压力过低、无法切泵等问题，严重者会造成经济损失。因此，對于大型汽轮机组而言，在工厂内进行模拟试验就尤为重要。
润滑油系统单台油泵典型的油压下降和上升曲线见图1示例。曲线1为常规机组普通的油压下降曲线，曲线2是通过减缓压力下降速率优化后的油压下降曲线，曲线3是常规机组普通的油压上升曲线，曲线4是通过提高油泵快速建压能力优化后的油压上升曲线。授权公告号CN110848147B的专利中提供了一种离心油泵快速切换的模拟测试方法，通过测试模拟离心油泵切换过程中离心油泵的启动曲线和停止曲线，找到二者交点作为叠加压力最低值，将模拟压力最低值与叠加压力最低值进行比较验证，从而模拟轴承的工作状态[6]。通过这种方法，很容易在工厂内对事故工况时油泵切换过程进行模拟测试，得出需要的压力变化曲线和切换过程中的压力最低值。从图2可以看出，优化的油压下降曲线2和优化的油压上升曲线4的交点C压力值最高，是最优的方案。通过缩短备用泵投入时间可以将曲线4沿时间轴前移，可以得到更优的最低压力值。
哈汽厂某1000MW机组工程油站采用的是双电泵润滑油系统，设置蓄能器并安装在供油母管出口管路上，润滑油系统主要参数见表1。
润滑油系统在制造厂进行油泵切换模拟试验，模拟试验数据曲线见图2。由图2（a）和图2（b）波形曲线对比可以看出，交流油泵出口压力下降斜率和下降到的最低值基本相当;供油母管出口压力波动存在较大差异，未带蓄能器的供油母管出口压力波动较大，带蓄能器的供油母管出口压力波动较小，前者切换时压力下降到的最低值是0.168MPa（1.68bar），后者切换过程中压力下降到的最低值是0.231MPa（2.31bar）。因此，蓄能器对供油母管油压的异常波动有明显的缓解作用，可以控制供油母管油压基本处于稳定状态，保证系统运行安全。
4存在的风险
气囊式蓄能器的应用，依靠的是气囊内稳定的气压和气量，气体压力的变化和气量的变化都会对放油量产生影响，造成放油量的减少。常见的风险有：
（1）气侧气压过低，主要是由于漏气引起气量减少导致。
（2）气侧气压过高，主要是充气不规范、压力过高导致的。
气囊式蓄能器气侧压力需要定期检查，且必须在油源不工作的情况下单独进行。为此，润滑油系统设计时就需要在单个蓄能器进油侧设置隔离阀，并在隔离阀与蓄能器进口之间设置放油阀。气体检查时，需要先切断隔离阀，之后打开放油阀放净蓄能器内的油液后再进行。
5 结语
无论是新建机组，还是改造机组，均能通过设置蓄能器实现事故时油泵切换过程中的轴承供油压的稳定，避免跳机风险。并可以通过在工厂的试验对事故工况下供油压力的变化进行模拟，对大型汽轮机组润滑油系统的可靠性进行验证，提前预判风险，具有重要的工程应用参考价值。
参考文献
[1] 梁孝驰，夏侯恒宇，刘栩宁.同轴主油泵与双电泵润滑油系统的对比[J].热力透平，2020，49（1）：47-53.
[2]沈南雁，陶健，黎汝坚.M701F燃气-蒸汽单轴联合循环机组润滑油系统分析[J].东方电气评论，2008（4）：62-65.
[3]刘孝峰.电动主油泵供油系统在超超临界机组中的应用[J].热力透平，2013（3）：171-174.
[4]张宇鹏.汽轮机油系统蓄能器的研究与应用[J].石油化工设备技术，2018，39（3）：46-48+51+7.
[5]国能安全[2014]161号.防止电力生产事故的二十五项重点要求[Z].国家能源局.2014：55-57.
[6]王秋宝，田国林，郭艳妮，等.一种离心油泵快速切换的模拟测试系统及其测试方法[P].CN110848147B.2019-11-19.
收稿日期：2021-07-01
作者简介：王秋宝（1983—），男，陕西宝鸡人，本科，工程师，从事汽轮机、燃机、电动机等大型转轴类设备的润滑油系统的研发和设计工作。
Application and Test Analysis of Accumulator in Lubricating Oil System of Large Steam Turbine Unit
WANG Qiubao， GUO Yanni
（Jiangsu Jianghai Lubrication &Hydraulic Equipment Co.，Ltd.，QidongJiangsu 226200）
Abstract： This paper introduces the design characteristics of the mainstream lube oil system of large steam turbine units， introduces the application of accumulator in the lube oil system， and verifies the reliability of the lube oil system of large steam turbine units through experimental analysis to avoid the risk of tripping， which has important engineering application reference value.
Keywords： accumulator; lube oil system; test analysis
关键词：蓄能器;润滑油系统;试验分析
中图分类号：TM311 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2021）08-0000-00
0 引言
润滑油系统的稳定运行对大型汽轮机组的安全至关重要。目前主流的大型汽轮机组多采用同轴主油泵或双电泵方式供油，前者多配套用于早期的汽轮机组，后者随着近年配电技术的不断完善和机组大型化需求的发展而逐渐成为主流，这些机组国内主要由东汽、上汽和哈汽三大动力供货，在事故工况下保证供油压力稳定的措施因各家采用的技术方案不同也有差异。本文介绍这三种技术方案的设计特点以及蓄能器的应用，并通过试验分析的方法对大型汽轮机组润滑油系统的可靠性进行验证，提升运行稳定性，避免跳机风险，具有重要的工程应用参考价值。
1润滑油系统的设计特点
双电泵润滑油系统主要由交流润滑油泵（两台，一用一备）、直流润滑油泵、双联冷油器、双联过滤器、回油滤网、油箱、蓄能器、压力阀、仪表、附件等组成。其中，电动机的安全性是保证双电泵润滑油系统安全运行的最重要因素，除此之外，还在于配置与控制逻辑、控制柜的设置、电网的稳定性、运行维护等外部因素[1]。任何时候当发生故障需要进行油泵切换时，都应该保证在规定的时间内供给轴承的润滑油不会因压力波动大而造成机组的停机动作。
东汽典型的单轴联合循环汽轮机组的润滑油系统采用三台电动油泵与蓄能器相结合并辅助压力调节阀的技术方案。交流润滑油泵出口压力0.54MPa，直流润滑油泵出口压力0.265MPa，直流润滑油泵流量为交流润滑油泵的75%，润滑油泵电机转速选择1500 r.min-1。经过冷油器、过滤器后的润滑油被旁路压力调节阀调整到0.15MPa再进入机组对各轴承进行润滑。润滑油蓄能器被安排在交流油泵的出口管路上，以满足油泵的切换运行要求[2]。压力控制测点设置在压力调节阀后，压力下降到0.1MPa时联锁启动备用交流润滑油泵，压力持续下降到0.08MPa时联锁启动直流润滑油泵并机组跳机。
上汽厂超超临界600～1200MW汽轮机组润滑油系统设置两台100%容量的电动交流润滑油泵，和一台100%容量的直流润滑油泵，润滑油泵均采用快速启动式，在额定电压下的启动时间低于1 s。交流润滑油泵出口压力0.55MPa，直流润滑油泵出口压力0.25MPa，油泵自身的供油压力有较大的冗余（至少比轴承最高所需供油压力高0.1MPa）[3]。在交流润滑油泵出口和供油母管上各设置一个压力开关，当其中任意一个触发告警时直接联锁备用交流润滑油泵，并伴随启动直流润滑油泵;供油母管上的另一个稍低压力设定的压力开关告警时直接联锁启动直流润滑油泵;供油母管上还设置3取2保护逻辑的压力变送器，用于供油压力低告警时主机跳机，但此信号设置了延时3 s发讯。
哈汽厂早期的大型汽轮机组润滑油系统需要同时供给密封油，除了两交流和一直流的润滑油泵之外，还配有一台直流密封事故油泵。润滑油系统中，交流油泵出口压力为0.9MPa，密封油从交流油泵出口直接引出，其余油液经过压力调节阀减压到0.25MPa后供给轴承润滑用。近些年，对润滑油系统进行了优化，将密封油系统从润滑油系统中剥离出来单独设计，降低交流润滑油泵出口压力至0.55MPa，取消直流密封事故油泵，在直流事故油泵出口管路上设置蓄能器，并采用快速启动油泵。压力控制测点设置在汽轮机运行平台上，当压力下降到0.07MPa时联锁另一交流油泵启动;压力下降到0.05MPa时联锁直流润滑油泵启动并机组跳机。
2蓄能器的应用
无论是电气或非电气原因，当运行润滑油泵故障停运、备用润滑油泵联锁启动时，润滑油压均是先下降后上升的過程，直到备用油泵运行正常供油压力达到稳定。为了保证切换时油压稳定，通常从减缓压力下降速率、提高油泵快速建压能力和缩短备泵投入时间三方面进行考虑。
（1）润滑油压下降是由轴瓦间隙泄油产生的固有特性，只能通过方案进行延缓。在润滑油系统中设置合适的蓄能器，通过蓄能器辅助动力源的作用，为辅助油泵争取宝贵的启动时间，防止汽轮机跳机[4]，是使用最广的方案。此外，采用提高油泵出口压力的方案，也是可行的方法之一。
（2）减小油泵和电机的转动惯量是提高油泵快速启动的最优办法。采用低转速泵也可以提高泵的启动时间，从而实现快速建压。将油泵止回阀设置在油箱运行油面以下并预留排气小孔，备用泵启动前就排净备用泵管路中空气从而提高备用泵建压速度。
（3）提高备用泵压力切换点压力值，将压力开关故障信号采用电气回路硬联锁方式，都可以缩短备用泵的投入时间。
润滑油系统中蓄能器一般布置在过滤器后供油管路上，多采用气囊式蓄能器。市场厂能够直接匹配润滑油工作压力的气囊式蓄能器较少，国外公司能够提供一种公称压力1.6MPa的低压皮囊式蓄能器，但受于安全认证和价格等方面因素的影响，在大型汽轮机组润滑油系统中的应用业绩很少。国内市场上润滑油系统多采用国家标准的公称压力为10MPa的NXQ型囊式蓄能器。所需蓄能器的容积按照绝热状态蓄能器作为辅助动力源的容积公式计算，放油量的多少可以通过多个标准容积的蓄能器并联实现调节，简单方便。
国家能源局2014年下发的《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中提出：应配置或设计足够容量的润滑油储能器，一旦润滑油泵及系统发生故障，储能器能够保证机组安全停机，未设计安装润滑油储能器的机组，应补设并在机组大修期间完成安装或冲洗，具备投运条件[5]。 因此，设置蓄能器是大型汽轮机组润滑油系统故障保障的最有效措施，不仅仅适用于新建机组，更适用于改造机组。
3 试验分析
受润滑油系统制造商试验条件和设计院对系统试验验证理解等方面的限制，当前很少有项目将润滑油系统事故时油泵切换过程中压力的变化作为产品出厂验收条件的规定。往往都是润滑油系统在现场安装后运行期间，模拟或真正故障切泵时才会暴露出压力过低、无法切泵等问题，严重者会造成经济损失。因此，對于大型汽轮机组而言，在工厂内进行模拟试验就尤为重要。
润滑油系统单台油泵典型的油压下降和上升曲线见图1示例。曲线1为常规机组普通的油压下降曲线，曲线2是通过减缓压力下降速率优化后的油压下降曲线，曲线3是常规机组普通的油压上升曲线，曲线4是通过提高油泵快速建压能力优化后的油压上升曲线。授权公告号CN110848147B的专利中提供了一种离心油泵快速切换的模拟测试方法，通过测试模拟离心油泵切换过程中离心油泵的启动曲线和停止曲线，找到二者交点作为叠加压力最低值，将模拟压力最低值与叠加压力最低值进行比较验证，从而模拟轴承的工作状态[6]。通过这种方法，很容易在工厂内对事故工况时油泵切换过程进行模拟测试，得出需要的压力变化曲线和切换过程中的压力最低值。从图2可以看出，优化的油压下降曲线2和优化的油压上升曲线4的交点C压力值最高，是最优的方案。通过缩短备用泵投入时间可以将曲线4沿时间轴前移，可以得到更优的最低压力值。
哈汽厂某1000MW机组工程油站采用的是双电泵润滑油系统，设置蓄能器并安装在供油母管出口管路上，润滑油系统主要参数见表1。
润滑油系统在制造厂进行油泵切换模拟试验，模拟试验数据曲线见图2。由图2（a）和图2（b）波形曲线对比可以看出，交流油泵出口压力下降斜率和下降到的最低值基本相当;供油母管出口压力波动存在较大差异，未带蓄能器的供油母管出口压力波动较大，带蓄能器的供油母管出口压力波动较小，前者切换时压力下降到的最低值是0.168MPa（1.68bar），后者切换过程中压力下降到的最低值是0.231MPa（2.31bar）。因此，蓄能器对供油母管油压的异常波动有明显的缓解作用，可以控制供油母管油压基本处于稳定状态，保证系统运行安全。
4存在的风险
气囊式蓄能器的应用，依靠的是气囊内稳定的气压和气量，气体压力的变化和气量的变化都会对放油量产生影响，造成放油量的减少。常见的风险有：
（1）气侧气压过低，主要是由于漏气引起气量减少导致。
（2）气侧气压过高，主要是充气不规范、压力过高导致的。
气囊式蓄能器气侧压力需要定期检查，且必须在油源不工作的情况下单独进行。为此，润滑油系统设计时就需要在单个蓄能器进油侧设置隔离阀，并在隔离阀与蓄能器进口之间设置放油阀。气体检查时，需要先切断隔离阀，之后打开放油阀放净蓄能器内的油液后再进行。
5 结语
无论是新建机组，还是改造机组，均能通过设置蓄能器实现事故时油泵切换过程中的轴承供油压的稳定，避免跳机风险。并可以通过在工厂的试验对事故工况下供油压力的变化进行模拟，对大型汽轮机组润滑油系统的可靠性进行验证，提前预判风险，具有重要的工程应用参考价值。
参考文献
[1] 梁孝驰，夏侯恒宇，刘栩宁.同轴主油泵与双电泵润滑油系统的对比[J].热力透平，2020，49（1）：47-53.
[2]沈南雁，陶健，黎汝坚.M701F燃气-蒸汽单轴联合循环机组润滑油系统分析[J].东方电气评论，2008（4）：62-65.
[3]刘孝峰.电动主油泵供油系统在超超临界机组中的应用[J].热力透平，2013（3）：171-174.
[4]张宇鹏.汽轮机油系统蓄能器的研究与应用[J].石油化工设备技术，2018，39（3）：46-48+51+7.
[5]国能安全[2014]161号.防止电力生产事故的二十五项重点要求[Z].国家能源局.2014：55-57.
[6]王秋宝，田国林，郭艳妮，等.一种离心油泵快速切换的模拟测试系统及其测试方法[P].CN110848147B.2019-11-19.
收稿日期：2021-07-01
作者简介：王秋宝（1983—），男，陕西宝鸡人，本科，工程师，从事汽轮机、燃机、电动机等大型转轴类设备的润滑油系统的研发和设计工作。
Application and Test Analysis of Accumulator in Lubricating Oil System of Large Steam Turbine Unit
WANG Qiubao， GUO Yanni
（Jiangsu Jianghai Lubrication &Hydraulic Equipment Co.，Ltd.，QidongJiangsu 226200）
Abstract： This paper introduces the design characteristics of the mainstream lube oil system of large steam turbine units， introduces the application of accumulator in the lube oil system， and verifies the reliability of the lube oil system of large steam turbine units through experimental analysis to avoid the risk of tripping， which has important engineering application reference value.
Keywords： accumulator; lube oil system; test analysis