燃气轮机顶轴油系统启动优化

刘千驹， 唐 健， 张 帅

(1. 清华大学 机械工程学院， 北京 100084； 2. 上海电气燃气轮机有限公司， 上海 200240)



燃气轮机顶轴油系统启动优化

刘千驹1,2， 唐 健2， 张 帅2

(1. 清华大学 机械工程学院， 北京 100084； 2. 上海电气燃气轮机有限公司， 上海 200240)

针对F级燃气轮机多轴联合循环机组安装调试过程中或者燃气轮机长时间停机后的启动过程中，机组顶轴油系统发出油压低的报警，并且会非正常联启备用泵，使后期机组顶轴油泵一用一备的安全冗余配置不能发挥作用。通过分析、现场测试及设备检查，对常规顶轴油系统的流程改进和结构优化，解决了顶轴油系统油压低报警及非正常联启备用泵的问题，提高了机组的安全性。

燃气轮机； 顶轴油系统； 启动优化； 非正常联启备泵； 油压低报警

在多轴F级燃气轮机联合循环项目的安装调试阶段，发现燃气轮机顶轴油系统只要在一段时间停机后再次启动，系统就会发出压力低的报警信号，并且会自动联启备用顶轴油泵，造成后续系统正常运行时如果发生故障就不能再次启用备用泵，使系统的安全性降低。为解决该问题，针对系统各结构和部件进行技术分析，列出所有可能的影响因素，然后逐项通过目视检查、试验验证等方法确定要因。通过优化系统流程，重新设计泵组结构，解决了系统存在的问题，并经项目验证取得了很好的效果。

1 顶轴油系统

燃气轮机润滑油系统的主要作用是为轴承提供润滑，带走轴承摩擦产生的热量和杂质等；顶轴油系统主要是在机组低速状态下顶起转子，减小摩擦，驱动盘车[1]。

润滑油系统和顶轴油系统的简图见图1。润滑油供油母管设计压力为2.0×105Pa。图中右边部分为顶轴油系统，顶轴油泵为一用一备，泵出口设置安全阀和止回阀，各泵出口管路上设置手动关断阀，用于在线检修，顶轴油过滤器设置压差监测开关SDP01，用于滤芯堵塞报警，顶轴油母管设置PG01就地压力表和TP01与TP02压力变送器，压力变送器的信号作为2选1联启备用顶轴油泵的控制信号。

顶轴油系统的保护逻辑：TP01和TP02分别监测顶轴油母管的压力，母管设计压力为1.6×107Pa，当压力低于设定值时，TP01和TP02发出压力低报警信号，系统延时5 s，如果此时压力没有恢复到设定值以上，备用顶轴油泵将自动联启。引起系统自动联启备用顶轴油泵的直接原因是顶轴油母管压力在规定时间内低于设定值。

M01—主顶轴油泵；M02—备用顶轴油泵；SV01—安全阀；SV02—安全阀；CV01—止回阀；CV02—止回阀；MV01—手动关断阀；MB02—手动关断阀；FL01—过滤器；SDP01—压差开关；

PG01—压力表；TP01—压力变送器；TP02—压力变送器。

图1 润滑油系统和顶轴油系统

2 故障分析

2.1 问题分析

从燃气轮机联合循环的TCS控制系统中调取的故障状态下顶轴油压力的监测曲线见图2。从图2可以看出顶轴油母管压力在系统启动后的5 s内低于1.0×107Pa，造成了系统自动联启备用顶轴油泵的情况。备用顶轴油泵联启后顶轴油压力继续增加，达到正常设计值，此时系统依然可以正常运行，但是如果再次发生压力低的情况，系统将不能采取切换备用泵的安全措施，增加了系统的安全风险。

图2 故障状态下压力变化曲线

2.2 原因排查

分别从系统结构、设备选型匹配、部件故障和控制逻辑判定等方面进行分析，采用头脑风暴法，得到故障因素树形图(见图3)[2]；然后针对各影响因素通过试验、检查、计算分析等逐一验证和排除。

图3 故障因素树形图

过滤器和管路通过拆开目视检查，排除了该影响因素；通过计算和实际检测电流电压等参数后进行了排除电动机问题；通过测试排除了溢流阀潜在的故障因素；通过检查逻辑图、对仪表进行标定和接线查线排除了控制逻辑因素影响；对于泵内漏问题，分别用2台泵更换顺序单独测试，并且单台泵测试都能满足流量和压力的要求，因此也排除了泵内漏的影响；最后认为泵吸入空气是引起故障的主要原因。

因为空气的可压缩性非常高，顶轴油泵在建压时需要花费额外的时间压缩空气，造成系统的建压时间延长。

顶轴油泵组的安装结构见图4。顶轴油泵布置在油箱顶板上，是高位布置，其吸油管较长，管的末端浸入液位以下有一定深度，这样在初次启动前在油箱液面以上的吸油管道中会有一段空气柱存在，顶轴油泵吸油时会先将空气柱带入顶轴油管道中，这段空气柱就会在油管道随油流运动。

图4 顶轴油泵组安装结构

从图4可以看到：顶轴油泵卧式布置在顶板上，由于电动机机座等的影响，泵的中心线高出油箱顶板一定距离h1；油箱满油时液位低于油箱顶板h2，由于顶轴油系统和润滑油系统共用一个油箱，因为机组安全需要，润滑油系统总是先于顶轴油系统启动，当润滑油系统启动后，管路和轴承座中充油，会再次造成油箱液位降低(h3)。此时在重力作用下，泵的吸油管内形成空气柱的高度H=h1+h2+h3。

H段空气柱高度较高，所占容积较大，顶轴油泵启动后，较大量的空气进入顶轴油系统管道，由于空气的可压缩性大，造成系统建压时间延长。

3 实施对策

顶轴油系统优化简图见图5[3]。

MV03—手动关断阀；MV04—手动关断阀；OP01—限流孔板；OP02—限流孔板；OP03—排气孔板；OP04—排气孔板；CV01—

止回阀；CV02—止回阀。

图5 顶轴油系统优化简图

3.1 系统结构优化

在图4顶轴油泵组结构的基础上主要进行了四点改进：

(1) 在顶轴油泵的吸口增加止回阀CV01和CV02，防止油在重力作用下回流；增加手动关断阀MV03和MV04供在线检修用。

(2) 增加顶轴油泵吸油管充注油管路。在顶轴油泵开启前向其吸油管中注油，OP01和OP02为限流孔板，以防消耗润滑油量过大对润滑油系统造成影响。

(3) 高压吸油管顶端设置放气管路。充注油进入吸油管路慢慢抬高管内液位，将管内空气通过放气管路排至油箱低低液位以下。

(4) 在放气管路上设置节流孔板OP03和OP04，当空气完全排出后，润滑油通过节流孔板立即将润滑油流量降到最低，防止过多的润滑油经放气管路流回油箱。

由此，解决了顶轴油泵吸口和叶轮之间存在空气柱的问题，使吸油管中的空气被全部排出，h1、h2和h3形成的空气柱被全部自动排除，吸油管中的液位在顶轴油泵启机前已高于泵的中心线的高度h4(见图6)，确保了顶轴油泵的正常运行，为燃气轮机安全正常运行提供了保障。

图6 顶轴油泵优化结构

3.2 效果检查

对经过优化设计后的顶轴油系统进行了检验，在机组调试和运行过程中系统运行都很正常，不再发生联启备泵的问题。

顶轴油泵启动后母管压力在很短的时间(约2 s)内即超过逻辑设定值(1.0×107Pa)，5 s可达到系统设计值(见图7)。

此外，顶轴油系统不再产生压力低的报警信号，在启动阶段也未发生自动联启备用泵的问题。

图7 新顶轴油母管压力监测曲线

4 结语

对于燃气轮机机组顶轴油系统启动过程中出现的非正常联启备用泵的问题，进行故障原因分析，列出各种可能的影响因素后，逐一验证排除，找到引起故障的主要原因，最后通过结构优化解决了问题。

该顶轴油系统结构优化方案彻底解决了顶轴油泵启动建压时间慢的问题，消除了顶轴油系统的报警信号，同时不再发生启动阶段就非计划自动联启备用泵的情况，实际运行良好，提高了机组的安全性。

[1] 焦树建. 燃气-蒸汽联合循环[M]. 北京: 机械工业出版社, 2000.

[2] 中国动力工程学会. 火力发电设备技术手册 第二卷 汽轮机[M]. 北京: 机械工业出版社, 1999.

[3] 清华大学热能工程系动力机械与工程研究所. 燃气轮机与燃气——蒸汽联合循环装置[M]. 北京: 中国电力出版社, 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

刘千驹(1987—)，男，工程师，从事燃气轮机辅助系统的设计开发工作。

E-mail: qianjuliu@163.com

TK477

A

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