大中型水電站推力外循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

崔峻豪 王 震 劉娟莉

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000）

對于大中型水電站而言，冷卻技術(shù)對于推力軸承的性能起著至關(guān)重要的作用。某水電站總裝機(jī)容量為600 MW，單機(jī)容量為150 MW，采用推力外循環(huán)的方式對推力軸承進(jìn)行冷卻。推力外循環(huán)與推力內(nèi)循環(huán)最大區(qū)別就是其油的冷卻裝置設(shè)置在油槽外部，在出現(xiàn)故障時便于檢修維護(hù)。一般來說，高轉(zhuǎn)速機(jī)組均采用推力外循環(huán)的方式對其推力軸承進(jìn)行冷卻，該電站是采用軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組，是屬于高轉(zhuǎn)速機(jī)組，故該電站采用推力外循環(huán)。本文介紹了大中型水電站的推力外循環(huán)系統(tǒng)的組成，結(jié)合推力外循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行方式，分析了運(yùn)行過程中常見的問題及處理方法。

1 系統(tǒng)組成

機(jī)組在運(yùn)行過程中，由于大軸的高速轉(zhuǎn)動，會使推力軸瓦在與靜板摩擦的過程中，產(chǎn)生大量熱能，導(dǎo)致推力軸承性能下降甚至出現(xiàn)燒瓦的現(xiàn)象。而推力外循環(huán)系統(tǒng)的作用就是解決這一問題。將冷油在推力軸瓦與油槽間不斷循環(huán)起到冷卻作用，而冷油在冷卻推力軸瓦過程中會吸收熱量發(fā)熱，這時就需要冷卻水來將熱油冷卻，以達(dá)到將推力軸瓦不斷冷卻的目的。故推力外循環(huán)系統(tǒng)大體可分為3部分：油支路、水支路以及控制盤柜組成。

油支路設(shè)置有1臺油泵，進(jìn)油管路、出油管路分別設(shè)置1支RTD用來檢測油溫，1塊壓力表來測量管路內(nèi)壓力，2個排氣閥對管路進(jìn)行排氣處理，1支油流量計用來檢測油流量，并在流量過低時發(fā)出報警信號；水支路設(shè)置有1個電動閥用來打開水支路，進(jìn)水管路、出水管路分別設(shè)置1支RTD用來檢測水溫，1支流量開關(guān)用來檢測水流量，并在流量過低時發(fā)出報警信號；控制盤柜主要包括觸摸屏、PLC控制器及其模塊以及各種中間繼電器，模塊包括CPU模塊、電源模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、以太網(wǎng)通信模塊，用來控制推力外循環(huán)系統(tǒng)以及與現(xiàn)地控制單元進(jìn)行通信。

2 運(yùn)行方式及控制邏輯

該水電站每臺機(jī)組設(shè)有6條推力外循環(huán)支路，采用PLC控制方式，推力外循環(huán)支路機(jī)組正常運(yùn)行時，3條支路投入運(yùn)行，3條支路備用。將1#、3#、5#支路分為第一組，2#、4#、6#支路分為第二組，兩組互為備用。分為手動、自動和切除三種位置，將控制方式選擇切換開關(guān)置于“自動”控制方式時，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)方啟/停泵控制，并設(shè)置有輪換時間，當(dāng)6條支路全部能夠正常運(yùn)行時，每240 h輪換一組推力外循環(huán)油泵；當(dāng)切換開關(guān)設(shè)置于“切除”位置時，相應(yīng)控制對象退出運(yùn)行；將控制方式選擇切換開關(guān)置于“手動”運(yùn)行時，在現(xiàn)地控制柜上通過按鈕直接啟/停油泵并閉鎖自動控制命令的輸出。

在機(jī)組正常運(yùn)行時，其6條支路的控制把手均切至自動位置，由PLC程序判斷投入哪一組推力外循環(huán)油泵（見圖1）。

圖1 正常情況下高壓油泵控制邏輯

當(dāng)機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)“推力外循環(huán)系統(tǒng)遠(yuǎn)方啟動命令”時，控制柜按可用支路數(shù)量、運(yùn)行時間長短（如可用支路相等時）決定投入第1組還是第2組支路。若兩組支路都無故障，則定時輪換兩組支路。若在運(yùn)行過程中，主用組中有支路發(fā)生故障，且備用組支路都無故障，則切換到備用組支路。

若兩組支路都存在故障支路，則以可用支路數(shù)多的為主用組；如可用支路數(shù)仍相同，則選擇運(yùn)行時間少的組作為主用，并從備用組中選擇無故障且運(yùn)行時間短的支路投入運(yùn)行。

考慮到另外一種極端方式，即多條支路發(fā)生故障，導(dǎo)致兩組推力外循環(huán)油泵支路都有故障，且可用支路總和小于3（見圖2），當(dāng)有2個泵可用時，則啟動所有可用泵，并強(qiáng)制啟動主用組中剩余其他兩個泵，此時會出現(xiàn)“4泵同時運(yùn)行”的情況。若此時，推力軸承溫度仍然持續(xù)升高，當(dāng)達(dá)到一定溫度時，則會啟動緊急停機(jī)流程，保證推力軸瓦不受到損傷。

圖2 多條支路發(fā)生故障時高壓油控制邏輯

3 常見故障及處理方法

3.1 冷卻水電動閥無法至全開位置

該水電站4臺機(jī)組，每條推力外循環(huán)支路進(jìn)水管上都裝有1個電動閥。當(dāng)機(jī)組開機(jī)，啟動推力外循環(huán)系統(tǒng)時，均要先開此冷卻水電動閥至全開，然后才能啟動油泵；當(dāng)機(jī)組停機(jī)，停止推力外循環(huán)系統(tǒng)后，關(guān)此閥門至全關(guān)，閥門的開、關(guān)均由推力外循環(huán)系統(tǒng)現(xiàn)地 PLC 程序控制。由于推力外循環(huán)系統(tǒng)需頻繁啟停及輪換，冷卻水電動閥頻繁出現(xiàn)全開接點(diǎn)未到達(dá)，推力外循環(huán)系統(tǒng)PLC據(jù)此判斷該支路的循環(huán)油泵不能投入運(yùn)行，影響推力外循環(huán)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

處理方法：為保證推力外循環(huán)正常運(yùn)行，取消了冷卻水電動閥遠(yuǎn)方自動流程控制閥門功能，將4臺機(jī)組各推力外循環(huán)各支路進(jìn)水管冷卻水電動閥保持常開，保留現(xiàn)地控制屏手動控制閥門功能，刪除了推力外循環(huán)各支路冷卻水流量的判斷，但保持對水流量低的報警。

3.2 管路進(jìn)氣

在推力外循環(huán)系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，頻繁出現(xiàn)某條推力外循環(huán)支路油管路流量低報警，當(dāng)同1組的3條支路油流量累計值小于設(shè)置的定值時，則PLC判斷油流量低，自動切換到另外1組油泵。而導(dǎo)致油流量低的原因，就是因為管路中存在空氣，對管路進(jìn)行排氣處理后，油流量則恢復(fù)正常。

管路進(jìn)氣原因分析：（1）管路密封性下降。在理想的狀態(tài)下，推力外循環(huán)系統(tǒng)是全封閉狀態(tài)的，但是在實際運(yùn)行的過程中，由于油位的變化以及油流的變化，會導(dǎo)致推力外循環(huán)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，從油槽與管路的連接處以及油管路的接口處進(jìn)入空氣，導(dǎo)致油流量測量不準(zhǔn)確；并且，運(yùn)行過程中油的高速流動以及熱量也是導(dǎo)致管路密封性下降的原因。（2）渦流。主油流在受到阻力的作用下，發(fā)生方向及流速的變化，這種情況下就會產(chǎn)生渦流，進(jìn)入到渦流區(qū)里面的油會不斷地來回旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生氣泡，破裂后將氣體存留在管路中，導(dǎo)致油流量計所測數(shù)值不準(zhǔn)確，頻繁發(fā)出油流量低報警。

處理方法：目前，對于管路進(jìn)氣的處理方法是在推力外循環(huán)管路上設(shè)置有2個排氣閥，對管路定期進(jìn)行排氣處理。

4 結(jié)語

采用推力外循環(huán)的方式對機(jī)組推力軸承進(jìn)行冷卻，結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，相較于內(nèi)循環(huán)冷卻具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。在多年運(yùn)行過程中，無明顯缺陷，宜用于大中型水電站。但如何能從根本上解決管路進(jìn)氣導(dǎo)致壓力及流量不準(zhǔn)確，依舊是今后需要研究的課題。