小型汽轮发电机组低压透平调节油蓄能器甩负荷工况的选型研究

1 概述

汽轮机数字电液调节系统（简称DEH 系统）由液压控制系统和计算机控制系统组成，其中作为实现汽轮机自动调节控制的驱动核心的液压系统由伺服控制系统、供油装置以及危机保安系统等组成［1］，而根据供油装置的压力和油品不同分为低压透平油和高压抗燃油两种方式。

高压抗燃油电调系统的油压高，一方面有效保证了油动机提升力，对调速系统进行精确动态调节；另一方面汽轮机可以灵活切换进汽方式，提高机组运行经济性，适用于大型汽轮发电机组［2-3］。而低压透平油电调系统因为工作油压较低，油动机的提升受到限制，在大型汽轮发电机组应用极少。但低压透平油电调系统的DDV 型电液伺服阀控制精度近年来有了极大的提高，控制精度可达到1%，完全满足汽机控制要求，同时采用常规的透平油液压油源，不需另配外置式油源站，具有系统简洁，环保性好，维护量少等优点，经济性和可靠性较好，适合中小型机组［4］。

小型汽轮机发电机组采用的低压透平油电液调节系统油源来源于润滑油系统，油系统常规配置主要由润滑油箱，主、辅油泵，过滤器和油冷却，蓄能器以及机组所属的管道、仪表、阀门等组成［5］，示意图见图1。正常工作状态下，润滑油箱中的油液通过油泵输出，润滑油经油冷却器、油过滤器后，送至汽轮机、发电机的各轴承箱使用，调节油经过油过滤器后从供油主管分出部分送到调节系统，最后均自流回油箱。

图1 汽轮机油系统示意图

为减少因用油量变化而引起的油压波动，在调节油管路上装设了蓄能器，蓄能器作用是当管路上某些原因造成油压突然下降，对油压进行补充，消除机组非正常停机事故。造成油系统油压降低的原因有很多，比如管道泄漏、工作油泵突然停止联机启备用泵等等，张宇鹏［6］、孙国强［7］、俞洪锋［8］等就利用蓄能器解决备用油泵连锁启动瞬间油压降幅度过大导致机组跳机的情况进行了不同程度的分析和实践。但长期以来，企业自备电厂等小型汽轮发电机组用户对机组突然甩负荷的情况重视不够，蓄能器如何解决机组甩负荷瞬间引起的油压突然下降问题没有提及。《汽轮机电液调节系统性能验收导则》（DL/T824）中明确指出，蓄压（能）器应有足够的容量和充油压力，以使在机组甩负荷的同时主油泵故障停止供油时，仍能维持系统液体压力，保证系统正常工作［9］。

下文以采用低压透平油电液调节系统的小型汽轮发电机利用蓄能器解决甩负荷阶段的油压波动为研究对象，通过蓄能器的正确选型，保证机组甩负荷时不会因调节油压下降幅度过大而出现机组跳机现象。

2 蓄能器工作原理

蓄能器是液压系统中常见的能量储蓄装置，正常工况下，蓄能器可将系统中多余的能量转变为位能或者压缩能进行存储，而当系统能量降低时，蓄能器则将之前自身存储的能量释放出来，重新补入系统。目前常见的蓄能器是气体蓄能器，其中囊式蓄能器因为胶囊响应快，安装容易、充气方便等优势，成为应用最为广泛的气体蓄能器［10-11］。汽轮机调节油系统蓄能器同样是使用的囊式蓄能器，作为辅助动力源在机组甩负荷时，提供因调阀油动机瞬间大范围动作时所需的大量用油，保证调节油压力不致过低而造成汽机速关阀关闭跳机。

囊式蓄能器内腔由皮囊分为两部分，囊内充氮气，囊外充液体。当系统压力高于蓄能器充气压力时，胶囊就受压变形，皮囊内气体体积压缩减小，液体被储存。若系统压力低于蓄能器内部压力，胶囊内气体体积增大，将蓄能器内液体排出［11］。囊式蓄能器工作过程详见图2及相关说明，其中：

图2 蓄能器工作示意图

(1)使用前的状态（氮气与液体未进入）。

(2)胶囊内预先充入氮气，油阀是关闭的，防止胶囊脱离。

(3)胶囊最低工作压力状态，为避免胶囊在每次膨胀过程中撞击阀，引起胶囊损坏，此时胶囊外和油阀之间应保留少量油液，最低工作压力时，气囊的气体容积一般为蓄能器公称容量的10%。

(4)蓄能器处于最高工作压力，最低工作压力和最高工作压力时的容积变化量相当于有效的油液量，ΔV=V1-V2。

蓄能器内的压缩和膨胀过程遵循气体状态多变的规律，即

式中

P0——蓄能器气囊预充压力；

V0——气囊有效气体容积；

P1——液压系统最低工作压力；

V1——气囊在P1时的气体容积；

P2——液压系统最高工作压力；

V2——气囊在P2时的气体容积；

n——多变指数，蓄能器工作时，气囊快速膨胀或者压缩，该过程近似于绝热状态变化，因此多变指数n=k=1.4（适用于双原子气体的氮气）。

通过上述等式，可得：

由此可计算得出所需的蓄能器体积。

3 蓄能器选型案例应用

某自备电厂30 MW 高温高压机组采用低压透平油电液调节系统，根据厂家说明书，有如下表述：

1）正常调节油压为0.85 MPa，即P2=0.86 MPa（绝压）；

2）调节油压下降至0.65 MPa 时，启动辅助油泵。根据DL/T-824相关规定，可认为甩负荷时的用油量全部由蓄能器提供，而不包括启动备用辅助油泵进行补油（事实上启动备用油泵进行补油在时间上也无法满足要求），同时为了保证一定的富余量，取P1=0.69 MPa（绝压）；

3）蓄能器充氮压力0.55 MPa。根据蓄能器充氮原则，充氮压力0.25P2≤P0≤0.9P1，因此0.21 MPa≤P0≤0.61 MPa，说明书中取值P0=0.56 MPa（绝压）是合适的；

4）甩负荷瞬间调节阀从100%开度关闭至零位的时间≤0.3 s，甩负荷瞬间调节阀油动机用油量最大达到27.2 L/s，因此可知ΔV=7.85 L。

通过上述已知条件，计算得出V0=62.6 L，按照蓄能器样本选择容积80 L 或者100 L 可满足容积要求。

需要注意的是，该蓄能器样本80 L蓄能器的最大排放流量为20 L/s，小于调节阀油动机瞬间最大用油量27.2 L/s。同时蓄能器排放流量随着压力降低而减小，此系统为低压系统，实际正常排放流量比最大排放流量要小，单只蓄能器不能满足瞬间大量用油的需求，因此建议选取2 只63 L 的蓄能器，既可满足容积，同时2 只蓄能器排放流量相加也基本满足油动机的最大瞬间用油量。更加可靠的话，可选3只40 L的蓄能器。

此外，根据DL/T824 中要求：在异常工况下，一般要求系统液体压力的降低值不大于正常工作压力的5%［9］。根据该要求，则P1=0.95×P2=0.817 MPa（绝压），按此计算，则V0=290 L，可配备2 只160 L蓄能器；更可靠的话配备3只120 L蓄能器。

4 结论

以低压透平油作为电液调节系统的小型汽轮发电机组油系统关键设备之一的蓄能器应能够保证机组在甩负荷的极限工况下机组不发生停机事故，特别是因油压降低引起的非停，蓄能器选型除考虑有效气体容积外，还应着重考虑蓄能器的最大排放流量，应以蓄能器组的方式解决油动机瞬间大量用油情况，同时通过蓄能器的适当放大，减少系统油压在异常工况下的下降幅度。