仙居抽水蓄能電站鏡板泵外循環(huán)及密封故障處理

楊仕福，張全勝，鄭小康，黃智欣，趙志文

（1.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽 618000；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761；3.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江仙居 317300）

仙居抽水蓄能電站鏡板泵外循環(huán)及密封故障處理

楊仕福1，張全勝2，鄭小康1，黃智欣1，趙志文3

（1.東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽 618000；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761；3.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江仙居 317300）

浙江仙居抽水蓄能電站發(fā)電電動機(jī)單機(jī)容量375MW，額定轉(zhuǎn)速375r/min。本文介紹了仙居電站發(fā)電電動機(jī)鏡板泵外循環(huán)系統(tǒng)理論、結(jié)構(gòu)與試驗驗證，及實際運行中鏡板泵集油槽密封故障的處理。高速機(jī)組鏡板泵具有泵壓高的特點，需要加強(qiáng)泵的密封及密封結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，進(jìn)一步提高泵密封結(jié)構(gòu)的可靠性。

抽水蓄能電站；鏡板泵外循環(huán)；密封

0 引言

浙江仙居抽水蓄能電站位于浙江省仙居縣。電站安裝4臺單機(jī)容量375MW的發(fā)電電動機(jī)，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速375r/min，飛逸轉(zhuǎn)速555r/min。

機(jī)組為半傘式結(jié)構(gòu)，推力軸承布置于轉(zhuǎn)子下方，下導(dǎo)軸承與推力軸承共用一個油槽。機(jī)組轉(zhuǎn)速高，損耗大，宜采用外循環(huán)結(jié)構(gòu)。

機(jī)組下機(jī)架安裝空間受限，推力下導(dǎo)外循環(huán)冷卻系統(tǒng)布置于機(jī)坑外。由于仙居機(jī)組轉(zhuǎn)速高，軸承損耗大，需要的油循環(huán)油量大。高轉(zhuǎn)速機(jī)組鏡板泵油壓頭高，能滿足仙居機(jī)組軸承循環(huán)油冷卻用流量。仙居機(jī)組采用鏡板泵外循環(huán)結(jié)構(gòu)。

1 鏡板泵外循環(huán)結(jié)構(gòu)

1.1 鏡板泵的基本理論及特點

1.1.1 基本理論

鏡板泵是在推力軸承轉(zhuǎn)動部件鏡板或推力頭上開數(shù)個徑向直泵孔或斜泵孔[1]，見圖1。鏡板外緣裝有集油槽（相當(dāng)于一般油泵的蝸殼），用以匯集泵出的熱油，然后送入冷卻循環(huán)管路。熱油經(jīng)冷卻器冷卻后送回油槽，完成油槽的熱交換，將油槽油溫穩(wěn)定在一定值，以保證軸承的安全運行。

圖1 鏡板泵孔Fig.1 Mirror plate hole pump

機(jī)組轉(zhuǎn)動之前，鏡板整體浸泡在潤滑油中；機(jī)組轉(zhuǎn)動時，充滿于泵孔（見圖2）中的潤滑液在離心力的作用下，從內(nèi)徑被甩向外徑，經(jīng)集油槽排至外循環(huán)管路中。與此同時，在泵的內(nèi)徑處形成了低壓區(qū)，油在液面大氣壓力的作用下，從油槽內(nèi)徑側(cè)流入鏡板泵孔。鏡板不斷轉(zhuǎn)動，油就不斷地流入，又從泵不斷流出，這樣鏡板泵即可源源不斷地送油了。

圖2 鏡板泵原理結(jié)構(gòu)Fig.2 Mirror plate pump structure principle

按照流體力學(xué)理論，鏡板泵空載壓頭見式（1）。

式中：ko——泵壓頭系數(shù)；

ρ——潤滑油密度；

vi，vo——鏡板內(nèi)外徑線速度。

鏡板泵工作壓頭見式（2）。

式中：K1——泵流量系數(shù)；

A——泵孔橫截面積；

Q——管路流量。

管路阻力見式（3）。

式中：Z——管道阻力系數(shù)。

泵特性曲線與管路阻力曲線交點（見圖3）即為泵工作點。從式（1）可以看出，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速越高，泵壓頭會越高。從圖（3）可以看出，循環(huán)系統(tǒng)工作點壓力不僅與泵尺寸、轉(zhuǎn)速相關(guān)，也與管路及管路元件阻力密切相關(guān)。如果冷卻器阻力差異大，也必然會導(dǎo)致外循環(huán)系統(tǒng)工作點壓力變化大。管路阻力越小，循環(huán)系統(tǒng)工作點壓力越低。

圖3 鏡板泵P-Q曲線Fig.3 Mirror plate pump P-Q curve

1.1.2 鏡板泵外循環(huán)的特點

相較于外加泵外循環(huán)，鏡板泵外循環(huán)具有以下特點：

（1）可靠性高。

鏡板泵是利用機(jī)組轉(zhuǎn)動部分動力驅(qū)動油循環(huán)的結(jié)構(gòu)，與機(jī)組運行同步工作：機(jī)組轉(zhuǎn)動，循環(huán)系統(tǒng)開始工作；機(jī)組停機(jī)，循環(huán)系統(tǒng)停止工作。

（2）結(jié)構(gòu)簡單。

鏡板泵油槽外結(jié)構(gòu)僅有管路、閥門、冷卻器，而無外加泵結(jié)構(gòu)電動機(jī)、油泵、控制柜等輔助設(shè)施。

（3）自適應(yīng)性強(qiáng)。

鏡板泵流量與機(jī)組轉(zhuǎn)速自動匹配。機(jī)組轉(zhuǎn)速高，損耗大，鏡板泵壓頭高、流量大；機(jī)組轉(zhuǎn)速低，軸承損耗小，鏡板泵壓頭低，流量小。

正是由于鏡板泵的這些特點，近些年鏡板泵技術(shù)在水力發(fā)電機(jī)組上得到了廣泛的應(yīng)用[2]、[3]。

2 仙居推導(dǎo)外循環(huán)結(jié)構(gòu)

2.1 仙居推力導(dǎo)外循環(huán)設(shè)計參數(shù)

仙居推力軸承[4]鏡板泵外循環(huán)設(shè)計參數(shù)如下：

表1 鏡板泵外循環(huán)參數(shù)Tab.1 Mirror plate outside circulation pump parameters

2.2 仙居鏡板泵外循環(huán)結(jié)構(gòu)

仙居推導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)圖見圖4。由于仙居機(jī)組采用半傘式結(jié)構(gòu)，推力軸承布置在電機(jī)轉(zhuǎn)子下方。按常規(guī)結(jié)構(gòu)，將推導(dǎo)油槽全部布置在基坑內(nèi)，推力軸承檢修空間會非常狹小。為便于檢修，需留出檢修空間，將冷卻器集裝布置在機(jī)坑外，同時減小了機(jī)坑內(nèi)油槽容積，在基坑外增加了兩個外置油槽。鏡板泵機(jī)坑內(nèi)結(jié)構(gòu)見圖6，從泵集油槽引出的12支路流出的壓力油通過環(huán)管匯集，進(jìn)入冷卻系統(tǒng)。經(jīng)過冷卻器的冷油再經(jīng)過環(huán)管，從并聯(lián)的12支路進(jìn)入推力油槽。為保證導(dǎo)瓦的冷卻，將下導(dǎo)瓦布置在集油槽內(nèi)，集油槽結(jié)構(gòu)見圖6。

2.3 鏡板泵外循環(huán)廠內(nèi)試驗驗證

為驗證仙居鏡板泵性能，在東方電機(jī)有限公司高速軸承試驗臺上對推力軸承進(jìn)行了試驗驗證。試驗推力軸承與真機(jī)推力軸承按1：1設(shè)計，除了進(jìn)行推力軸承試驗外，還進(jìn)行了鏡板泵外循環(huán)冷卻試驗。

鏡板泵試驗需要驗證的是鏡板泵的流量是否能達(dá)到循環(huán)系統(tǒng)所需流量。由于試驗臺鏡板的尺寸與真機(jī)尺寸不同，故需要按真機(jī)泵最大壓頭對試驗臺軸承轉(zhuǎn)速進(jìn)行換算。按照換算，試驗臺轉(zhuǎn)速與真機(jī)轉(zhuǎn)速對應(yīng)關(guān)系見表2。表2顯示，試驗轉(zhuǎn)速325r/min，即達(dá)到真機(jī)375r/min所需壓頭。

圖4 仙居推導(dǎo)外循環(huán)系統(tǒng)圖Fig.4 Xianju figure outside loop system is derived

圖5 仙居鏡板泵外循環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.5 Xianju mirror plate outside pump circulation structure

圖6 鏡板泵集油槽Fig.6 Mirror plate oil pump set

表2 試驗轉(zhuǎn)速與真機(jī)轉(zhuǎn)速對應(yīng)表Tab.2 Speed and the real machine test speed corresponding

圖7為試驗外循環(huán)管路系統(tǒng)，圖8為試驗推力軸承與鏡板泵外循環(huán)管路。

圖7 外循環(huán)管路系統(tǒng)Fig.7 Outside circulation piping system

圖8 鏡板泵外循環(huán)管路Fig.8 Mirror plate outside pump circulation line

圖9為實測試驗臺鏡板泵流量隨轉(zhuǎn)速變化的曲線，圖10為實測試驗臺鏡板泵壓頭隨轉(zhuǎn)速變化的曲線。

試驗顯示，在各種轉(zhuǎn)速下，鏡板泵運行平穩(wěn)。轉(zhuǎn)速低時，泵流量小，壓頭小。試驗中沒有出現(xiàn)任何斷油的工況，這與計算結(jié)果相一致。即使在低轉(zhuǎn)速，雖然壓頭低，泵流量小，但流速低，管路阻力也小，管路與泵始終自動匹配工作。

圖9 鏡板泵試驗流量隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.9 Mirror plate pump test flow change with speed curve

圖10 鏡板泵試驗工作壓頭隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.10 Mirror plate pump pressure head along with the speed change curve test work

2.4 仙居電站鏡板泵實際運行結(jié)果

機(jī)組啟動后，鏡板泵熱油管路壓力0.2MPa左右。外循環(huán)熱油溫度24.8℃，冷油溫度17℃，最高推力瓦溫69.2℃，最高下導(dǎo)瓦溫56.3℃（2016年5月2日運行數(shù)據(jù)），數(shù)值在設(shè)計要求內(nèi)。

3 鏡板泵密封故障的處理

3.1 鏡板泵密封磨損及處理

2015年12月，機(jī)組在首次啟動時，鏡板泵一直不能建壓。最初分析認(rèn)為油槽油位過低，加285L左右潤滑油，后機(jī)組啟動后，水車室出現(xiàn)甩油。停機(jī)后拆出鏡板泵集油槽密封蓋，發(fā)現(xiàn)密封蓋上翻，且密封塊磨損，油槽內(nèi)出現(xiàn)棉絮狀非金屬物。

分析認(rèn)為，棉絮狀非金屬物為鏡板泵密封塊磨損物。磨損乃是由于密封塊頂緊彈簧壓力過大引起。由于磨損，接觸端面發(fā)熱嚴(yán)重，密封塊熱脹系數(shù)大，導(dǎo)致密封間隙擴(kuò)大而失效。

根據(jù)分析，改造方案一為更換剛度較小的密封塊隨動彈簧。方案二是換用廠內(nèi)試驗用過的鋁青銅作為基體，表面鑲嵌耐磨密封條的結(jié)構(gòu)。

更換密封塊后，機(jī)組啟動，鏡板泵建壓成功。管路油壓力為0.2MPa，循環(huán)系統(tǒng)工作正常。

3.2 鏡板泵上密封蓋把合螺栓斷裂分析及處理

1號機(jī)組在運行3個月后，監(jiān)控發(fā)現(xiàn)油槽油溫上升，遂停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)鏡板泵上密封蓋把合螺栓斷裂。拆開油槽，統(tǒng)計鏡板泵集油槽上密封蓋把合螺栓（M12）斷裂20余顆。

為分析螺栓斷裂原因，調(diào)取電站鏡板泵油壓實測數(shù)據(jù)，見圖11。壓力測點布置在泵集油槽出口對稱180°兩支管上。鏡板泵在穩(wěn)定工況下兩個壓力測點測出的出口壓力為216.87kPa 和215.02kPa，油壓存在脈動。油壓脈動主要含2 種成分，頻譜分析為75Hz 和150Hz。其中75Hz為1 倍泵孔通過頻率，該頻率為鏡板泵孔（泵孔數(shù)為12個）所激發(fā)的特征頻率，其幅值為2.84kPa 和3.91kPa。150Hz為2 倍泵孔通過頻率，實際壓力脈動幅值分別為3.81kPa和5.35kPa。

原設(shè)計按靜強(qiáng)度考核螺栓，螺栓靜強(qiáng)度最大應(yīng)力為382.9MPa。低于螺栓的材料屈服強(qiáng)度640MPa。為更深入分析螺栓斷裂的原因，對上密封蓋建立剛強(qiáng)度計算模型，見圖12，采用壽命計算模式，變形結(jié)果見圖13，壽命計算結(jié)果見表3。

圖11 鏡板泵出口壓力脈動時頻圖Fig.11 Line pressure monitoring

圖12 上密封蓋計算模型圖Fig.12 Cover gasket on the calculation model figure

圖13 上密封蓋-機(jī)架變形（單位mm）Fig.13 On the sealing cover - frame deformation

表3 上密封蓋把合螺栓計算結(jié)果Tab.3 Plug on the bolt calculation results

計算結(jié)果顯示，上密封蓋在油壓作用下，最大變形上翹1mm。在壓力波動下，M12螺栓壽命僅為121h。顯然在壓力波動下，螺栓會出現(xiàn)疲勞斷裂。

根據(jù)分析計算結(jié)果，需要降低螺栓的應(yīng)力，才能增大螺栓的疲勞壽命。改進(jìn)方案為增加96顆M16把合螺栓，降低螺栓應(yīng)力。若機(jī)組每天啟停8 次，每天運行13h，該結(jié)構(gòu)M12螺栓壽命為403.1 年；M16螺栓壽命為285.5 年，滿足機(jī)組長期運行要求。

4 對高速機(jī)組采用鏡板泵的一點看法

從試驗來看，高速機(jī)組鏡板泵泵壓較高，這與理論計算相符。國內(nèi)高速機(jī)組采用鏡板泵較少，主要焦點均集中于壓力過低，是否能滿足循環(huán)需要。但實際運行，反而是由于泵壓過高而導(dǎo)致的密封失效。從已有報道來看，鏡板泵故障大都由于密封失效[5]引起。

近些年，隨動式密封由于其密封效果好而在機(jī)組中大量采用，這種形式密封在中低速機(jī)組鏡板泵上運行良好。但在高速機(jī)組上采用，由于密封處線速度高及密封壓力高，對密封結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步發(fā)揮高速機(jī)組鏡板泵的優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

通過對仙居抽水蓄能機(jī)組鏡板泵的分析以及試驗，顯示高轉(zhuǎn)速機(jī)組鏡板泵具有泵壓高的特點，這與中低速機(jī)組是不同的，更利于油循環(huán)的建立。但泵壓高對泵密封性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求。通過對鏡板泵密封故障的處理，改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)并加強(qiáng)密封結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高了泵密封結(jié)構(gòu)的可靠性。

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Runner Pump External Cooler Structure of the Xianju Pumped Storage Power Station and the Processing of Seal Failure

YANG Shifu1，ZHANG Quansheng2，ZHENG Xiaokang1，HUANG Zhixin1，ZHAO Zhiwen3
（1.Dongfang Electrical machinery Co.，Ltd，Deyang 618000，China 2.State Grid XinYuan Company LTD，Beijing 100761，China，Zhejiang Xianju Pumped Storage Power Station，Xianju 317300，China）

The rated speed of the Xianju pumped storage power station generator motor is 375r/min，and its rated unit capacity is 375MW.This paper introduces the runner pump theory，structure，the verification test on the thrust bearing test rig，and the solution to seal failure in the equipment operation。The high-speed runner pump pressure is high.To further improve the reliability of the pump seal structure，so it is necessary to improve the sealing performance and its strength.

pumped storage power station； runner pump external loop； pump seal

TV735 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 學(xué)科代碼：570.3520 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.005

2016-9-22

楊仕福（1969—），男，四川大邑人，1992年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)機(jī)械設(shè)計及制造專業(yè)，西安交通大學(xué)在讀博士，東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司高級工程師，主要研究方向：軸承設(shè)計及試驗。Email：shf_yang@sohu.com

張全勝（1968—），男，高級工程師。主要研究方向：水電廠生產(chǎn)管理。E-mail：quansheng-zhang@sgxy.sgcc.com.cn

鄭小康（1954—）教授級高級工程師。主要研究方向：水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計。Email：xiaokang_zheng@163.com

黃智欣（1974—），高級工程師。主要研究方向：水力發(fā)電設(shè)計。Email：huangzhixin74@sina.com

趙志文（1972—），男，工程師。主要研究方向：水力發(fā)電設(shè)備。Email：zzw721228@126.com