水力發(fā)電水輪機(jī)及潤(rùn)滑技術(shù)

李光賦

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司合成油脂分公司

本文介紹了水力發(fā)電水輪機(jī)核心設(shè)備、設(shè)備工況和潤(rùn)滑要求，闡述了水輪機(jī)組中汽輪機(jī)油的作用，介紹了汽輪機(jī)油的分類、國(guó)內(nèi)外OEM技術(shù)規(guī)格及長(zhǎng)城汽輪機(jī)油產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)水電站的應(yīng)用情況，為水力發(fā)電行業(yè)的設(shè)備選油及潤(rùn)滑方案推薦提供參考。

水力資源作為可再生清潔能源，是中國(guó)能源的重要組成部分。水力發(fā)電技術(shù)先進(jìn)，能效轉(zhuǎn)換水平高，應(yīng)用廣泛，已成為我國(guó)第二大發(fā)電電源，在能源平衡和能源工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中占有重要地位。目前，我國(guó)建設(shè)了以三峽水利工程為代表的一批大型水力發(fā)電站，其中以四川和云南區(qū)域?yàn)榇?，推?dòng)了大型水輪機(jī)的應(yīng)用，目前大型水輪機(jī)單機(jī)容量已達(dá)1 000 MW以上。

十三大水電基地的規(guī)劃和有序開(kāi)發(fā)，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)水電流域梯級(jí)滾動(dòng)開(kāi)發(fā)，實(shí)行資源優(yōu)化配置，帶動(dòng)西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展都起到了極大的促進(jìn)作用，其可利用水力資源量超過(guò)全國(guó)的一半，基地的建設(shè)在水電建設(shè)中居重要地位。截至2019年6月底，全國(guó)水電裝機(jī)容量約354 GW，水電發(fā)電量排名前五位的省份依次為四川、云南、湖北、貴州和湖南，合計(jì)占全國(guó)水電發(fā)電量的69.7%，其中水力發(fā)電設(shè)備的可靠性保障對(duì)電力輸出起著非常重要的作用[1]。

水力發(fā)電流程及核心設(shè)備

水力發(fā)電是利用河流、湖泊等位于高處具有勢(shì)能的水流至低處，水從高水位水庫(kù)沿通道流向處于低水位的水輪機(jī)的過(guò)程中，高水位水的勢(shì)能變成水輪機(jī)動(dòng)能，推動(dòng)水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生電能。

常規(guī)水力發(fā)電站的發(fā)電流程見(jiàn)圖1。

水力發(fā)電核心設(shè)備有水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器以及閘門(mén)啟閉機(jī)等。充分了解各設(shè)備在水力發(fā)電中的作用、工況、潤(rùn)滑要求及合理選油，對(duì)水力發(fā)電的發(fā)展及其運(yùn)行具有推動(dòng)作用和現(xiàn)實(shí)意義。水力發(fā)電工藝設(shè)備及潤(rùn)滑劑推薦見(jiàn)表1。

其中，水輪機(jī)是水力發(fā)電最核心、最關(guān)鍵的設(shè)備，其運(yùn)行的順暢和使用壽命對(duì)于水力發(fā)電站的生產(chǎn)效率和效益將產(chǎn)生顯著的影響。

水輪機(jī)的工況及潤(rùn)滑要求

水輪機(jī)是以水為原動(dòng)力，并將水流能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，因此，水輪機(jī)就是將蓄水水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并最終轉(zhuǎn)化為電能的裝置。水輪機(jī)有不同的分類方法，按照轉(zhuǎn)輪水流方向或進(jìn)水特征，水輪機(jī)可分為反擊式、沖擊式和可逆式，根據(jù)功率和轉(zhuǎn)輪直徑大小可分為大型、中型和小型等。

一般水力發(fā)電站建設(shè)在偏遠(yuǎn)的峽谷地帶，機(jī)組常年運(yùn)行在潮濕、高溫及溫差較大的環(huán)境中，要求汽輪機(jī)油具有可靠性高、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。

水輪機(jī)的潤(rùn)滑部位主要是轉(zhuǎn)動(dòng)主軸(主機(jī))、導(dǎo)葉軸(導(dǎo)水機(jī)構(gòu))、連桿(導(dǎo)水機(jī)構(gòu))、調(diào)整機(jī)構(gòu)、推拉桿、導(dǎo)軸承、推力軸承箱徑向軸承、推力軸承箱推力球軸承等，屬于低速、定負(fù)荷運(yùn)行工況；

根據(jù)水輪機(jī)的使用工況，其潤(rùn)滑要求強(qiáng)調(diào)使用過(guò)程中的防銹性能、油水分離性能以及較長(zhǎng)的使用壽命，對(duì)油品的如下性能都有要求：

◇物理性能：如外觀；合適的運(yùn)動(dòng)黏度以保證油膜形成和散熱能力；水分控制防止銹蝕/腐蝕、防止氧化產(chǎn)生油泥，堵塞油路；清潔度等。

◇化學(xué)性質(zhì)：如酸值，以鑒定油品劣化及腐蝕性能；抗腐蝕性，保證設(shè)備部件運(yùn)行順暢等。

◇使用特性：抗氧化性保證較長(zhǎng)的使用壽命，延緩氧化變質(zhì)、提前報(bào)廢；抗乳化分水性能，可抵抗進(jìn)水乳化、濾網(wǎng)堵塞、影響散熱的風(fēng)險(xiǎn)等。

圖1 水力發(fā)電流程示意

表1 水力發(fā)電工藝設(shè)備及潤(rùn)滑劑推薦

水輪發(fā)電機(jī)組中汽輪機(jī)油的作用

汽輪機(jī)油在水輪機(jī)組中的主要作用是潤(rùn)滑、冷卻散熱和液壓操作（包括調(diào)速系統(tǒng)、主閥、液壓操作閥等）[2]：

◇潤(rùn)滑作用。通過(guò)潤(rùn)滑油泵把汽輪機(jī)油輸送到汽輪機(jī)組滑動(dòng)軸承的主軸軸徑與軸瓦之間，在其間形成潤(rùn)滑油膜，以潤(rùn)滑油膜內(nèi)部的液態(tài)摩擦代替固體之間的干摩擦，從而減少設(shè)備磨損和發(fā)熱，以延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備的機(jī)械效益和運(yùn)行安全；同時(shí)可為汽輪機(jī)組的變速齒輪箱以及調(diào)速機(jī)構(gòu)等摩擦部件提供潤(rùn)滑作用。

◇冷卻散熱作用。汽輪機(jī)組運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承自身產(chǎn)生大量的熱量，由于環(huán)境的影響，水輪機(jī)工作溫度可達(dá)60～90 ℃，通過(guò)汽輪機(jī)油在機(jī)組潤(rùn)滑系統(tǒng)中的不斷循環(huán)流動(dòng)，把熱量從軸承上吸走并通過(guò)油冷卻器帶出機(jī)組外，起到散熱冷卻的作用，使得設(shè)備和潤(rùn)滑油的溫度不會(huì)超過(guò)規(guī)定值，以保證設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

◇液壓操作作用。水電站中有許多設(shè)備的操作需要很大的能量，如導(dǎo)水葉、槳葉的操作，都需要用汽輪機(jī)油作為傳遞能量的工作介質(zhì)。實(shí)際上用于汽輪機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的汽輪機(jī)油可視作是一種液壓介質(zhì)，通過(guò)傳遞控制機(jī)構(gòu)給出的壓力對(duì)汽輪機(jī)組的運(yùn)行起到調(diào)速的作用。

為此，汽輪機(jī)油的性能要求主要體現(xiàn)在使用壽命（運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)）、抗乳化性（與水接觸的耐水性，環(huán)保）、低溫油泥或高溫漆膜控制，以及防銹性、抗泡性和空氣釋放性等，以充分滿足機(jī)組的運(yùn)行使用要求。為了達(dá)到以上要求，汽輪機(jī)油必須選用優(yōu)質(zhì)基礎(chǔ)油和優(yōu)選添加劑：

◇選用優(yōu)質(zhì)基礎(chǔ)油，提高穩(wěn)定性?；A(chǔ)油是汽輪機(jī)油的基礎(chǔ)組分，基礎(chǔ)油品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響著汽輪機(jī)油產(chǎn)品質(zhì)量的高低和機(jī)組運(yùn)行后期油品使用性能的穩(wěn)定，不同精制工藝對(duì)基礎(chǔ)油性能的影響密切相關(guān)。汽輪機(jī)油需選用優(yōu)質(zhì)基礎(chǔ)油（主要是API II+/III加氫基礎(chǔ)油），可以有效提高油品的氧化壽命，延緩油泥出現(xiàn)的時(shí)間，延長(zhǎng)油品換油周期。

◇優(yōu)選添加劑，產(chǎn)品性能突出?？寡鮿┦瞧啓C(jī)油中最主要的添加劑，可以保證汽輪機(jī)油在機(jī)組運(yùn)行后期的氧化性能穩(wěn)定。汽輪機(jī)油生產(chǎn)中選用的添加劑應(yīng)是具有耐高溫穩(wěn)定、低油泥趨勢(shì)的抗氧劑，確保油品的緩慢變質(zhì)，從而延長(zhǎng)使用壽命，特別是在抗乳化分水性能和氧化安定性方面必須具有一定的優(yōu)勢(shì)。

汽輪機(jī)油產(chǎn)品線及技術(shù)認(rèn)證

滿足不同用途和使用要求的汽輪機(jī)油產(chǎn)品，需通過(guò)相關(guān)汽輪機(jī)OEM（原始設(shè)備制造商）設(shè)計(jì)廠家或生產(chǎn)廠家技術(shù)認(rèn)證，以達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)和使用基本要求。

汽輪機(jī)油品種及應(yīng)用

根據(jù)水輪機(jī)的運(yùn)行要求及使用要求，采用的汽輪機(jī)油品種及其應(yīng)用見(jiàn)表2。

汽輪機(jī)油國(guó)際OEM技術(shù)規(guī)格

汽輪機(jī)油國(guó)際OEM技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表3。

汽輪機(jī)油國(guó)內(nèi)OEM技術(shù)規(guī)格

汽輪機(jī)油國(guó)內(nèi)OEM技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表4。

目前，國(guó)內(nèi)OEM設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家的技術(shù)規(guī)格與國(guó)際OEM具有不同程度的關(guān)聯(lián)。

汽輪機(jī)油在水力發(fā)電站的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)油產(chǎn)品以其優(yōu)異的品質(zhì)和性能表現(xiàn)，得到國(guó)內(nèi)外主流汽輪機(jī)OEM技術(shù)認(rèn)證，在云南、四川的水力發(fā)電站中得到廣泛的應(yīng)用，尤以長(zhǎng)城潤(rùn)滑油為代表的國(guó)內(nèi)潤(rùn)滑油廠家，在十三大水電基地的水輪機(jī)組應(yīng)用中，占據(jù)了絕對(duì)的主流，在瀾滄江、大渡河、金沙江、長(zhǎng)江及支流水電站都有廣泛的應(yīng)用，并走出國(guó)門(mén)，在東南亞水電站建設(shè)中也得到應(yīng)用。長(zhǎng)城汽輪機(jī)油在部分水電站的應(yīng)用情況見(jiàn)表5。

華能大理徐村水電站在用油從1999年開(kāi)始裝機(jī)應(yīng)用，2019年4月?lián)Q油，換油周期達(dá)到20年，華能大理水電有限責(zé)任公司出具的使用情況證明見(jiàn)圖2。

結(jié)論

以十三大水電基地干流、支流資源為依托，憑借豐富的水力資源，使水力發(fā)電站發(fā)展迅速，形成梯級(jí)開(kāi)發(fā)態(tài)勢(shì)，我國(guó)已成為世界上水力發(fā)電裝機(jī)量和發(fā)電量最大的國(guó)家。水輪機(jī)的運(yùn)行工況對(duì)汽輪機(jī)油提出了較高的潤(rùn)滑要求，以長(zhǎng)城潤(rùn)滑油為代表的國(guó)內(nèi)潤(rùn)滑油以其優(yōu)異的品質(zhì)和穩(wěn)定的性能，取得了國(guó)內(nèi)外主流OEM廠家的技術(shù)認(rèn)證，在水力發(fā)電行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。

表2 汽輪機(jī)油品種及應(yīng)用

表3 汽輪機(jī)油國(guó)際OEM技術(shù)規(guī)格

表4 汽輪機(jī)油國(guó)內(nèi)OEM技術(shù)規(guī)格

表5 長(zhǎng)城汽輪機(jī)油在部分水電站的應(yīng)用情況

圖2 華能大理水電有限責(zé)任公司使用證明