一种高位储能应急供给汽轮机润滑油的方法

摘要

本发明公开了一种高位储能应急供给汽轮机润滑油的方法，包括利用高位水箱储存的水作为重力势能，一旦汽轮机的润滑油泵供给系统不能正常工作，即释放高位水箱中的水作用于水轮机，通过水轮机将高位重力势能及动能转化为机械能，驱动润滑油泵正常供油。本发明方法为大型汽轮机提供了一套无需电力而以水为工质建立重力势能作为驱动能源的润滑油供给装置，可以确保在汽轮机原有配置的交流、直流润滑油泵全部失效的情况下，还有最后一套润滑油装置直接利用机械能来提供汽轮机安全停机惰走的轴承润滑油量，避免发生严重的汽轮机断油烧瓦事故。

权利要求

1.一种高位储能应急供给汽轮机润滑油的方法，其特征是包括利用高位水箱储存的水作为重力势能，一旦汽轮机的原润滑油系统不能正常工作，即释放高位水箱中的水作用于水轮机，通过水轮机将水的高位重力势能及动能转化为水轮机的机械能，驱动润滑油泵正常供油；

所述水轮机采用卧式布置方式，进水通过管道与高位水箱相联，水轮机尾水接尾水管直接排雨水井；所述润滑油泵采用低位卧式布置方式与水轮机通过主轴或齿轮或皮带传动装置连接，并且两者之间还加装有飞轮，润滑油泵的入口从原润滑油系统润滑油箱底部接入，出口通过单向止回阀接入原润滑油系统润滑油冷油器和润滑油滤网后的管道向汽轮发电机组各个轴承供给润滑油。

2.根据权利要求1所述的高位储能应急供给汽轮机润滑油的方法，其特征是所述释放高位水箱中的水作用于水轮机是由汽轮机润滑油母管压力低开关动作发出信号，通过电磁阀控制自动联锁打开高位水箱至水轮机气动控制截止阀，或者由运行人员根据实际情况手动控制电磁阀打开水轮机气动控制截止阀或其旁路阀，或者当发生全厂失电或失气极端情况时，由于水轮机气动控制截止阀失去动力源从而依靠复位弹簧弹力自动打开阀门。

说明书

一种高位储能应急供给汽轮机润滑油的方法

技术领域

[0001] 本发明属于汽轮机，具体涉及一种高位储能应急供给汽轮机润滑油的方法。技术背景

[0002] 大型汽轮机是在火力发电厂、核电厂等行业广泛使用的关键设备。这种大型旋转机械一般采用滑动轴承，汽轮机原润滑油供给及联锁保护系统如下：汽轮机正常运行时，由汽轮机主轴驱动主油泵或交流润滑油泵向各个轴承提供足量的润滑油，润滑油系统还配置有蓄电池提供直流电源的直流润滑油泵作为机组交流润滑油泵失效的最后保障，此外润滑油系统还具有汽轮机润滑油压力低一值或汽轮机跳闸联锁交流润滑油泵，低二值联锁启动直流润滑油泵等逻辑保护。

[0003] 尽管汽轮机润滑油供给及保护系统配置了备用交流、直流润滑油泵及联锁保护系统，在实际生产中依然有大型汽轮发电机组断油烧瓦事故发生，事故的原因主要有交流、直流润滑油泵壳体聚集空气造成油泵短时间失压、断油，交流、直流电源失效或者油泵电机合闸失败造成无润滑油泵运行断油，运行操作不到位或联锁保护系统故障导致润滑油压力低未及时启动交流、直流润滑油泵，润滑油系统滤网、冷油器内部堵塞导致油路中断而烧瓦等。

[0004] 因此，汽轮机现有润滑油供给及保护系统仍存在一定的断油烧瓦安全隐患，为防止汽轮机发生断油烧瓦事故，国家能源局2014年4月颁布新版《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中第8.4.1条规定：“汽轮机应配置足够容量的润滑油储能器（如高位油箱），一旦润滑油泵及系统发生故障，储能器能保证机组安全停机，不发生轴瓦烧坏、轴承磨损”。高位油箱主要应用在石化、冶金行业中压缩机、工业用汽轮机等设备，但国内大型汽轮机并没有高位储能油箱设计、实际投运的经验和业绩，而且保证大型汽轮机安全停机惰走的润滑油量是压缩机、工业汽轮机等设备的数倍乃至十倍以上，以600MW火电厂汽轮发电机组为例，高位储能油箱必须布置在汽轮发电机组运行层以上5～8m位置，为满足机组安全惰走时间35min所需的润滑油总容积约120m3，而且汽轮机厂房底部必须配置同样容积的低位油箱以接纳高位油箱下排的润滑油量，此外高位储能油箱系统还需要油位监测、排烟系统、油循环、油净化、消防等配套设施，整个系统投资巨大。高位油箱布置于汽轮机厂房内，汽轮发电机组运转平台上，大型发电机都是充易燃易爆的氢气运行，高位油箱对汽轮机厂房的主辅设备乃至整个发电厂带来巨大的火灾或爆炸安全风险。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种安全、简便、经济的高位储能应急供给汽轮机润滑油的方法。

[0006] 实现本发明目的采用的技术方案如下：

[0007] 本发明提供的高位储能应急供给汽轮机润滑油的方法，包括利用高位水箱储存的水作为重力势能，一旦汽轮机的润滑油泵供给系统不能正常工作，即释放高位水箱中的水作用于水轮机，通过水轮机将高位重力势能及动能转化为机械能，驱动润滑油泵正常供油。

[0008] 进一步的方法是，所述润滑油泵从原有润滑油箱底部吸入润滑油，通过原润滑油管道向汽轮发电机组各个轴承供给润滑油，这样设计可以充分利用润滑油系统原有设备，无需额外增加润滑油箱及润滑油，同时还能保证润滑油箱油位较低时依然可以正常供给润滑油。

[0009] 所述释放高位水箱中的水作用于水轮机是由汽轮机润滑油母管压力低开关动作发出信号，通过电磁阀控制自动联锁打开高位水箱至水轮机气动控制截止阀，或者由运行人员根据实际情况手动控制电磁阀打开气动控制截止阀或其旁路阀，或者当发生全厂失电或失气等极端情况时，由于气动控制截止阀失去动力源从而依靠复位弹簧弹力自动打开阀门。

[0010] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

[0011] 1）本发明方法采用高位水箱，充分利用水重力自流原理和非能动思想构建了一套全新的供油应急系统，摈弃了供油应急系统采用发电机和电动机装置的传统模式，一旦发生全厂停电、油泵电机启动失败、压缩气源失效等极端情况，无需其他外界电力、气源，所述方法提出的应急系统可及时自动投入运行，可以有效避免汽轮发电机组断油烧瓦事故发生。本发明方法将水的重力势能及动能直接转化为机械能，简化了系统，系统投入可实现自动化无需人为干预，同时避免了机械能与电能反复转化带来的效率降低以及系统可靠性降低等不利因素。

[0012] 2）本发明方法可采用普通的水作为储能介质，水箱、管道均为普通碳钢材料，水轮机排水可以直接排放雨水井，并且可以充分利用原机组除氧器及润滑油系统，仅增加一台水轮机和离心式油泵，整个应急系统投资小，无污染，可执行性强，维护成本低，并且不存在高位油箱储能系统带来的重大火灾或爆炸安全隐患。

[0013] 3）本发明方法构建的供油应急系统还具有防润滑油箱油位低的保护功能，由于汽轮机的原润滑油系统配置的润滑油泵吸入口距润滑油箱底部都有一定的高度，一旦发生系统漏油事故，润滑油箱油位接近或低于原润滑油泵吸入口时原油泵无法正常出力就会发生断油烧瓦。本发明方法将润滑油泵低位布置，油泵进口从润滑油箱底部接入，这样设计可以充分利用润滑油系统原有设备，无需额外增加润滑油箱及润滑油，同时还能保证润滑油箱油位较低时依然可以向汽轮机各轴瓦正常供给润滑油。

[0014] 本发明方法为大型汽轮机提供了一套无需电力而以水为工质建立重力势能作为驱动能源的润滑油供给装置，可以确保在汽轮机原有配置的交流、直流润滑油泵全部失效的情况下，还有最后一套润滑油装置直接利用机械能来提供汽轮机安全停机惰走的轴承润滑油量，避免发生严重的汽轮机断油烧瓦事故。

[0015] 本发明既可以用于现有水轮机润滑油供系统的改造，也可用于新设备的设计。

[0016] 下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

附图说明

[0017] 图1是汽轮机润滑油泵供给系统流程示意图。

[0018] 图2是高位储能应急供给汽轮机润滑油装置中水轮机及润滑油泵组示意图。

[0019] 图中，1是高位水箱，2是高位水箱水位计，3是气动截止阀前球阀，4是气动控制截止阀，5是气动截止阀后球阀，6是气动截止阀旁路球阀，7是调节阀前截止阀，8是自力式流量调节阀，9是调节阀旁路截止阀，10是水轮机，11是主轴或齿轮或皮带等传动装置，12是离心式润滑油泵，13是润滑油系统润滑油箱，14是交流润滑油泵，15是直流润滑油泵，16是油涡轮或射油器，17是润滑油泵出口逆止阀，18是润滑油冷油器，19是润滑油滤网，20是汽轮机主油泵，21是汽轮机，22是水轮机及润滑油泵的自润滑滚动轴承，23是飞轮。

具体实施方式

[0020] 见图1，本发明提供的高位储能应急供给汽轮机润滑油的方法，包括利用高位水箱1储存的水作为重力势能，一旦汽轮机21的润滑油泵供给系统不能正常工作，即释放高位水箱1中的水作用于水轮机10，通过水轮机10将高位重力势能及动能转化为机械能，驱动润滑油泵12正常供油。

[0021] 本发明方法采用高位储能应急供给汽轮机润滑油系统，如图1、图2所示，在该系统中：

[0022] 1）汽轮机原有的润滑油泵供给系统，由润滑油系统润滑油箱13、交流润滑油泵14、直流润滑油泵15、油涡轮或射油器16、润滑油泵出口逆止阀17、润滑油冷油器18、润滑油滤网19、主油泵20组成；汽轮机21正常运行带负荷时，汽轮机21主轴驱动主油泵20，主油泵20带动润滑油系统润滑油箱13内布置的油涡轮或射油器16一路向润滑油母管供润滑油，一路向主油泵20进口供油。交流润滑油泵14作为汽轮机21启、停机时或润滑油压力低时的辅助、备用润滑油泵。直流润滑油泵15在交流润滑油泵14启动失败时依靠蓄电池提供的直流电源向汽轮机21供润滑油。润滑油泵出口都设有出口逆止阀17，润滑油经润滑油冷油器18、润滑油滤网19后向汽轮机21各个轴承供给润滑油，各个轴承的润滑油经回油管回至润滑油系统润滑油箱13。

[0023] 2）本发明方法在汽轮发电机组运行厂房、锅炉厂房或其他建筑物高处设计安装一个有效容积为V高位水箱的普通闭式高位水箱1，高位水箱1内部进行防腐处理，顶部开口供排气，高位水箱1设高位水箱水位计2检测水箱水位，其底部标高为H高位水箱，高位水箱1正常水位高度为H水箱水位。实际上，火电厂或核电厂汽轮机热力系统都配置有除氧器，除氧器利用蒸汽对凝结水进行加热除氧，其本身就是一个高位布置的水箱。如果除氧器的有效水容积及标高设计合理，则除氧器完全可以作为本发明方法提出的高位水箱1。

[0024] 3）在汽轮发电机组运行厂房零米层设计安装一个小型水轮机10，水轮机10依靠高位水箱1的水驱动旋转，水轮机10采用卧式布置方式，进水通过管道与高位水箱1相联，水轮机10尾水接尾水管直接排雨水井。水轮机10进口中心线标高为H进口，水轮机10的设计水头为H，设计流量为Q，设计效率为η，额定转速为r水轮机，额定功率为N。

[0025] 4）在汽轮发电机组运行厂房零米层设计安装一个离心式润滑油泵12，润滑油泵12采用低位卧式布置，其入口从润滑油系统润滑油箱13底部接入，出口通过单向止回阀接入原润滑油系统润滑油冷油器18和润滑油滤网19后的管道，这种设计可以保证在油箱低油位时依然可以紧急供油，也可以避免原润滑油滤网19或润滑油冷油器18堵塞或油路中断发生的润滑油断油烧瓦事故。润滑油泵12无需电动机驱动，采用卧式布置方式与水轮机10直接同轴联接，润滑油泵12的额定转速为r油泵，额定功率为N油泵，额定流量为Q油泵，出口压力为P油泵。

[0026] 5）水轮机10的流量调节主要采用自力式流量调节阀8，该种调节阀是一种无需外加驱动能源，依靠被调介质自身的压力为动力源，按设定值进行自动调节的节能型控制装置，可以在无电、无气的场所正常工作。自力式流量调节阀8跟踪润滑油泵12出口压力P油泵，通过调节阀门开度控制水流量做功。通过进水管道流量与水轮机10匹配设计，自力式流量调节阀8最大开度时依然能够保证水轮机10、润滑油泵12等设备在安全工作范围内。当自力式流量调节阀8故障时，调节阀旁路截止阀9可以通过人为手动调节水轮机10的进水流量。

[0027] 6）由于卧式小型水轮机尺寸小、转速高，通常在主轴上增加一个较大飞轮23来提高水轮机10的转动惯量。水轮机10与润滑油泵12均采用自润滑滚动轴承22。如果水轮机10额定转速r水轮机与润滑油泵12额定转速r油泵不一致，两者采用简单的主轴或齿轮或皮带等传动装置11使两者转速匹配。

[0028] 7）考虑到全厂交流电源、直流电源、压缩空气全部失效的极端情况，为保证本方法能够及时、自动运行向汽轮机21供给润滑油，高位水箱1至水轮机10管道设计采用气动控制截止阀4，气动控制截止阀4为气关式气动阀，采用压缩空气作为动力源，气缸设置电磁阀控制气缸排气，当电磁阀打开、气缸进气时，压缩空气推动气缸活塞克服弹簧弹力使阀门保持全关位，当电磁阀关闭时气缸排气，复位弹簧依靠弹簧力使阀门快速保持全开位。电磁阀可以通过电气信号远程控制，投入汽轮机润滑油母管压力开关动作联锁控制电磁阀可以实现系统联锁自动向汽轮机21供给润滑油。电磁阀也可以通过手动关闭控制气动截止阀快速打开。在全厂电源、压缩空气全部失效情况下，该类型阀门失电、失气可以快速自动全开，保证高位水箱1的水能够及时自流入水轮机10做功。润滑油泵12出口采用单向止回阀17，保证油泵启动后单向供汽轮机21各轴承润滑油。

[0029] 水轮机的输出功率与进水流量、进水水头有关，其额定输出功率N的计算公式如下：

[0030] N=g×Q×H×η                                             （1）

[0031] 其中，N为水轮机额定输出功率，单位：kW；Q为水轮机设计额定流量，单位：m3/s；H为水轮机的设计水头，单位：m；η为水轮机额定工况下的效率，单位：%；g为重力加速度，单位：m/s2。

[0032] 以高位水箱的水作为驱动水源，水轮机的平均水头ΔH的计算公式如下：

[0033] ΔH=0.5×H水箱水位+H高位水箱-H进口                          （2）

[0034] 其中，H水箱水位为高位水箱作为储能备用时的正常水位，单位：m；H高位水箱为高位水箱底部所处标高，单位：m；H进口为水轮机进口管道中心线所处标高，单位：m。

[0035] 考虑到高位水箱作为储能紧急供给汽轮机润滑油的功能，为尽量降低投资，以满足汽轮发电机紧急破坏真空停机惰走所需时间t惰走时间为基准，对高位水箱、水轮机以及润滑油泵进行选型设计。

[0036] 以某电厂一台660MW超临界汽轮发电机组为例，需增加一台与原直流润滑油泵参数相同的离心式润滑油泵，已知其额定功率N油泵为37kW，转速1750r/min，润滑油流量229m3/h，则所需水轮机的额定功率N的计算公式如下：

[0037] N =N油泵/η传动= 37/95%=38.95kW                          （3）

[0038] 其中，η传动为水轮机与润滑油泵传动装置的传动效率，一般齿轮/皮带传动装置的传动效率为92%～97%，这里取95%。

[0039] 一般小型水轮机的设计效率η为85%，水轮机进口中心线标高H进口为1m，高位水箱设计标高H高位水箱为40m，水箱正常水位H水箱水位为4m，则由公式（1）、（2）、（3）得出水轮机所需流量Q的计算公式为：

[0040] Q=N /( g×ΔH×η)= 38.95/(9.80665×41×85%)=0.114 m3/s  （4）

[0041] 一般汽轮机紧急破坏真空停机惰走所需时间为35min，取安全系数为1.2，则高位水箱的有效水容积为：

[0042] V高位水箱=1.2×3600×Q×t惰走时间/60=287m3                          （5）[0043] 由以上数据可以得出，对于某电厂一台660MW超临界汽轮发电机组，设计一个40m3
高位布置、容积约300 m 左右的高位储能水箱即可满足一台汽轮发电机组的应急供给润滑油。

[0044] 对于一台660MW超临界汽轮发电机组，一般其除氧器的有效水容积为235 m3，设计标高23m，除氧器正常运行水位2m，正常满负荷运行时除氧器内的凝结水为饱和水状态，其饱和压力一般为1.0MPa左右，饱和温度180℃左右。

[0045] 按照公式（1），计算除氧器正常满负荷运行状态下42min内供水轮机做功的平均功率：

[0046] N=9.80665×235×60/(3600×42)×(100+23)×85%=95.6kW    （6）

[0047] 由公式（6）可以判断，除氧器正常满负荷运行状态下其饱和水供水轮机做功的功率足够满足汽轮机紧急破坏真空停机惰走所需的润滑油供油。

[0048] 考虑到机组刚启动时除氧器内的凝结水为常温常压状态时的极端情况，除氧器在该运行状态下42min内供水轮机做功的平均功率：

[0049] N=9.80665×235×60/(3600×42)×23×85%=17.8kW            （7）

[0050] 由公式（7）可以判断，除氧器常温常压运行状态下其凝结水供水轮机做功的功率无法满足汽轮机紧急破坏真空停机惰走所需的润滑油供油。

[0051] 如果采用除氧器作为本发明方法所述的高位水箱，根据公式（3），在其有效水容积不变的情况，将其标高提至50m，则除氧器常温常压运行状态下其凝结水42min内供水轮机做功的平均功率：

[0052] N=9.80665×235×60/(3600×42)×50×85%=38.7kW              （8）

[0053] 综上所述，通过合理设计除氧器的有效水容积和标高，本发明方法所述高位储能应急供给汽轮机润滑油系统完全可以利用原热力系统中的除氧器，以最大限度降低应急系统的投资。