某大型水電廠推力軸承外循環(huán)冷卻方式對(duì)比分析

鄒林峰，湯 馳，顧祥武，陳才龍

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

1 概況

該大型水電廠共安裝18臺(tái)單機(jī)出力770 MW水輪發(fā)電機(jī)組，其中1號(hào)～6號(hào)機(jī)組由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)（以下簡(jiǎn)稱哈電機(jī)組），7號(hào)～9號(hào)機(jī)組由上海福伊特水電設(shè)備有限公司生產(chǎn)（以下簡(jiǎn)稱福伊特機(jī)組），10號(hào)～18號(hào)機(jī)組由東方電氣股份有限公司生產(chǎn)（以下簡(jiǎn)稱東電機(jī)組），所有機(jī)組均為全空冷立軸半傘式結(jié)構(gòu)。3種機(jī)型均采用推力下導(dǎo)聯(lián)合軸承結(jié)構(gòu)，分別采用導(dǎo)瓦泵、外加泵、鏡板泵外循環(huán)冷卻形式。

1.1 導(dǎo)瓦泵外循環(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

哈電機(jī)組推力下導(dǎo)聯(lián)合軸承采用導(dǎo)瓦泵外循環(huán)冷卻方式。系統(tǒng)主要由導(dǎo)瓦泵、集油環(huán)管、冷卻器、監(jiān)測(cè)元件、閥門(mén)及管路等組成。系統(tǒng)共配置18塊巴氏合金型自泵式下導(dǎo)瓦，整個(gè)系統(tǒng)的油流循環(huán)動(dòng)力由旋轉(zhuǎn)的推力頭產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)油的自循環(huán)而無(wú)需外加油泵。導(dǎo)瓦泵由泵隙、滑動(dòng)表面及油排出通道等組成。機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)，推力頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，將附近的油帶動(dòng)一起旋轉(zhuǎn)，使其通過(guò)瓦的泵隙和支撐面部分，由于瓦泵部分間隙較大，支撐面部分間隙較小，進(jìn)入泵隙的油不能全部通過(guò)支撐面，因此，在泵隙進(jìn)油孔處產(chǎn)生一定的油壓，迫使熱油進(jìn)入油孔，通過(guò)18個(gè)下導(dǎo)瓦出油口管道匯至油槽外圍熱油環(huán)管，再經(jīng)過(guò)6組（12個(gè)）油冷器進(jìn)行冷卻，冷油匯入冷油環(huán)管后，經(jīng)6根回油管再流向瓦塊，從而完成一個(gè)油循環(huán)。

1.2 外加泵外循環(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

福伊特機(jī)組推力下導(dǎo)聯(lián)合軸承采用外加泵外循環(huán)冷卻方式。系統(tǒng)主要由2臺(tái)外循環(huán)泵（1臺(tái)工作，1臺(tái)備用）、6個(gè)冷卻器（4個(gè)工作，2個(gè)備用）、監(jiān)測(cè)元件、閥門(mén)、管路及外循環(huán)泵控制柜等組成。油槽分為上、下2個(gè)腔，上腔為熱油區(qū)，下腔為回油區(qū)。熱油區(qū)設(shè)置若干根出油管，盡量保證熱油被均勻吸走。外循環(huán)泵將熱油吸入出油環(huán)管內(nèi)，最終匯至出油總管進(jìn)入外循環(huán)冷卻裝置進(jìn)行熱交換，經(jīng)冷卻后的潤(rùn)滑油通過(guò)回油管流回油槽。

1.3 鏡板泵外循環(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

東電機(jī)組推力下導(dǎo)聯(lián)合軸承采用鏡板泵外循環(huán)冷卻方式。系統(tǒng)主要由集油槽、冷卻器、二次監(jiān)測(cè)元件、閥門(mén)及管路等組成。鏡板內(nèi)部設(shè)有20個(gè)Φ50 mm徑向通道，當(dāng)機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)，熱油被鏡板泵離心力甩出至集油槽，再通過(guò)油管進(jìn)入12個(gè)設(shè)置在下機(jī)架支臂上的冷卻器冷卻。冷油通過(guò)匯油管進(jìn)入油槽下方的環(huán)管中，再經(jīng)過(guò)22個(gè)回油管進(jìn)入油槽對(duì)推力下導(dǎo)軸承進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑。

2 3種冷卻方式冷卻效果對(duì)比

2.1 推力下導(dǎo)瓦重要定值

3種機(jī)型推力及下導(dǎo)瓦重要定值見(jiàn)表1所示。

表1 推力下導(dǎo)瓦重要定值

2.2 冷卻效果對(duì)比

實(shí)際運(yùn)行情況表明，同類型機(jī)組推力及下導(dǎo)瓦溫度差異并不大，故以下分別以6F、7F、11F機(jī)組為分析對(duì)象，在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行且機(jī)組出力和推力外循環(huán)冷卻水流量相近的條件下，采集同一時(shí)間段內(nèi)1號(hào)～10號(hào)推力瓦及下導(dǎo)瓦運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。3臺(tái)機(jī)組推力瓦和下導(dǎo)瓦運(yùn)行溫度見(jiàn)圖1、圖2所示。

圖1 推力瓦運(yùn)行溫度

圖2 下導(dǎo)瓦運(yùn)行溫度

從圖1可以明顯看出，東電機(jī)組11F（鏡板泵外循環(huán)）推力瓦運(yùn)行溫度最低，其最高瓦溫僅61.9℃，低于一級(jí)報(bào)警值18.1℃；福伊特機(jī)組7F（外加泵外循環(huán)）推力瓦運(yùn)行溫度最高，其最高溫度達(dá)69.7℃，僅比其一級(jí)報(bào)警值低5.3℃；哈電機(jī)組6F（導(dǎo)瓦泵外循環(huán)）推力瓦運(yùn)行溫度位于前二者之間，其最高溫度為67.6℃，低于其一級(jí)報(bào)警值12.4℃。經(jīng)計(jì)算，6F、7F、11F機(jī)組推力瓦平均運(yùn)行溫度分別為65.6℃、69.0℃、60.2℃，7F機(jī)組比11F機(jī)組高出約8.8℃。

圖2表明，3種機(jī)型下導(dǎo)瓦運(yùn)行對(duì)比情況與推力瓦類似，6F、7F、11F機(jī)組下導(dǎo)瓦運(yùn)行最高溫度分別為47.5℃、48℃、40.2℃，平均溫度分別為41.1℃、46.9℃、39.4℃，7F與11F機(jī)組下導(dǎo)瓦平均溫度相差7.5℃。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，3種機(jī)型下導(dǎo)瓦運(yùn)行溫度均遠(yuǎn)低于報(bào)警值。

3 3種冷卻方式運(yùn)維成本對(duì)比

因推力外循環(huán)工作原理及結(jié)構(gòu)不同，3種機(jī)型運(yùn)維成本也不同。結(jié)合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，就3種機(jī)型設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)成本對(duì)比分析如下。

3.1 運(yùn)行成本比較

導(dǎo)瓦泵和鏡板泵均屬于自身泵外循環(huán)動(dòng)力形式，不需要外加動(dòng)力設(shè)備。此種外循環(huán)形式，首先減少了對(duì)相關(guān)設(shè)備的巡檢、定期試驗(yàn)及輪換、倒閘操作等工作；其次，在機(jī)組開(kāi)機(jī)運(yùn)行時(shí)，不會(huì)因外循環(huán)動(dòng)力設(shè)備故障而導(dǎo)致開(kāi)機(jī)失敗，降低開(kāi)機(jī)成功率；另外，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，也不會(huì)因外循環(huán)動(dòng)力設(shè)備或電控系統(tǒng)故障而導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)，減少了機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)概率，也避免了因機(jī)組故障停運(yùn)后的相關(guān)事故處理工作。

外加泵外循環(huán)冷卻方式與自身泵外循環(huán)冷卻方式相比，運(yùn)行成本明顯增加。首先，在機(jī)組運(yùn)行或備用時(shí)，應(yīng)按照相關(guān)規(guī)定巡檢該系統(tǒng)動(dòng)力及控制設(shè)備，確保設(shè)備的正常運(yùn)行；其次，在系統(tǒng)設(shè)備故障、檢修和試驗(yàn)時(shí)，需進(jìn)行相應(yīng)的倒閘操作；另外，在進(jìn)行廠用電運(yùn)行方式倒換時(shí)，為避免因外循環(huán)泵切換不成功而影響機(jī)組的安全運(yùn)行，運(yùn)行人員需要事先對(duì)相關(guān)運(yùn)行機(jī)組外循環(huán)泵進(jìn)行切換運(yùn)行，再進(jìn)行廠用電倒換操作。

3.2 維護(hù)成本比較

按照測(cè)量元件及回路缺陷、管路及閥門(mén)缺陷、循環(huán)泵及控制系統(tǒng)缺陷三種類型，統(tǒng)計(jì)該電廠自2013年7月投產(chǎn)發(fā)電至2019年7月推力外循環(huán)系統(tǒng)所產(chǎn)生的缺陷詳見(jiàn)表2所示。

表2 推力外循環(huán)系統(tǒng)缺陷統(tǒng)計(jì)表

測(cè)量元件及回路缺陷主要包括RTD損壞、傳感器接線松動(dòng)和斷線、液位計(jì)發(fā)卡、液位開(kāi)關(guān)損壞等。此類缺陷發(fā)生較多，統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)全廠共發(fā)生252次測(cè)量元件及回路缺陷，哈電、福伊特、東電3種機(jī)型發(fā)生率分別約為3.3次/臺(tái)·年、1.4次/臺(tái)·年、2.0次/臺(tái)·年。

管路及閥門(mén)缺陷主要為管路連接法蘭漏水、漏油、螺栓松動(dòng)、閥門(mén)開(kāi)裂等。此類缺陷相對(duì)較少，全廠6年內(nèi)總計(jì)發(fā)生33次，3種機(jī)型均約0.3次/臺(tái)·年。

循環(huán)泵及控制系統(tǒng)缺陷僅福伊特機(jī)組所有，主要包括循環(huán)泵動(dòng)力電源故障、軟啟動(dòng)故障、電源監(jiān)視繼電器故障、循環(huán)泵倒換失敗等。此類缺陷在6年時(shí)間內(nèi)共發(fā)生6次，大約0.33次/臺(tái)·年，雖然故障率不高，但對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行影響較大，缺陷處理相對(duì)復(fù)雜且耗時(shí)較長(zhǎng)。其次，根據(jù)每年機(jī)組歲修要求，應(yīng)對(duì)推力外循環(huán)泵及控制系統(tǒng)元器件、控制回路等進(jìn)行全面檢查和相關(guān)試驗(yàn)。另外，還應(yīng)對(duì)相關(guān)備品備件進(jìn)行管理和維護(hù)?？傮w而言，外加泵比自身泵外循環(huán)方式維護(hù)成本更高。

4 3種冷卻方式優(yōu)缺點(diǎn)比較

根據(jù)3種推力外循環(huán)冷卻系統(tǒng)不同工作原理，結(jié)合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況及運(yùn)維成本的對(duì)比分析，3種冷卻方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下。

4.1 導(dǎo)瓦泵外循環(huán)冷卻優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①整個(gè)油循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)力由導(dǎo)瓦泵和旋轉(zhuǎn)的推力頭產(chǎn)生，無(wú)需安裝外部動(dòng)力設(shè)備及相應(yīng)二次監(jiān)控元件，運(yùn)行維護(hù)量小，投資成本相對(duì)較少。②機(jī)組運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)能形成穩(wěn)定的壓頭，運(yùn)行可靠性高。③系統(tǒng)循環(huán)油流量隨機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高而升高，在機(jī)組過(guò)速或飛逸工況下，將有更多的油對(duì)軸瓦表面進(jìn)行潤(rùn)滑，避免油溫及瓦溫過(guò)高，過(guò)速工況仍能安全運(yùn)行。④與外加泵外循環(huán)形式相比，機(jī)組啟動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間少，且在系統(tǒng)電源事故情況下能使機(jī)組安全停機(jī)。⑤與鏡板泵相比，無(wú)集油槽密封問(wèn)題，自身?yè)p耗較小，且取油位置較好。

缺點(diǎn)：①導(dǎo)瓦泵在低轉(zhuǎn)速機(jī)組上不適用，其使用條件要求推力軸承PV值較高，軸承尺寸較小。②導(dǎo)瓦泵外循環(huán)系統(tǒng)管路部件較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，管理維護(hù)不便。③循環(huán)油流量與導(dǎo)瓦泵油槽尺寸、管路阻力密切相關(guān)，對(duì)設(shè)備制造和安裝工藝要求高。

4.2 外加泵外循環(huán)冷卻優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①外加泵外循環(huán)方式不受推力軸承PV值和軸承大小的限制。②系統(tǒng)對(duì)外部管路和元件的阻力要求不高。

缺點(diǎn)：①與自身泵外循環(huán)系統(tǒng)相比，外加泵外循環(huán)系統(tǒng)不但增加了動(dòng)力設(shè)備及其控制系統(tǒng)，還必須儲(chǔ)備一定的備品備件，投入成本明顯增加。②由于整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備種類及數(shù)量增加，系統(tǒng)故障概率增大，設(shè)備維護(hù)量更大。③一旦循環(huán)泵停運(yùn)，機(jī)組推力瓦和下導(dǎo)瓦溫度將快速上升，若無(wú)法及時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)行，將導(dǎo)致機(jī)組事故停機(jī)或被迫停運(yùn)。④由于系統(tǒng)設(shè)備增加，設(shè)備布置需要更大的空間，安裝及維護(hù)可能不便。

4.3 鏡板泵外循環(huán)冷卻優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①鏡板的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生循環(huán)動(dòng)力，無(wú)需安裝外部循壞動(dòng)力設(shè)備及其二次監(jiān)控元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，降低了投資成本。②與機(jī)組運(yùn)行同步工作，可形成穩(wěn)定的壓頭。③拆卸推力瓦時(shí)無(wú)需拆卸冷卻器，且單個(gè)冷卻器拆卸和維修不影響其他冷卻器的正常運(yùn)行。④鏡板泵流量與機(jī)組轉(zhuǎn)速自動(dòng)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。⑤與外加泵形式相比，避免了外加泵故障致使機(jī)組事故停機(jī)或被迫停運(yùn)的隱患。

缺點(diǎn)：①系統(tǒng)油循環(huán)壓力源大小與機(jī)組轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，鏡板泵通常在高轉(zhuǎn)速機(jī)組上使用，要求推力軸承PV值高，軸承尺寸較小。②機(jī)組低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，鏡板泵的揚(yáng)程減小，油循環(huán)動(dòng)力不足。③鏡板泵外循環(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障診斷較困難。④循環(huán)油流的壓力和大小與集油槽密封、管路特性關(guān)系密切，對(duì)設(shè)備制造和安裝進(jìn)度要求高。⑤鏡板孔的布置形式、數(shù)量、集油槽的形狀、面積和出口管路直徑等幾何參數(shù)，以及集油槽與鏡板孔的匹配問(wèn)題對(duì)鏡板泵性能影響非常大。

5 結(jié)語(yǔ)

該水電廠自投產(chǎn)發(fā)電以來(lái)，沒(méi)有因推力瓦或下導(dǎo)瓦溫度越限而導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)的事故發(fā)生，3種機(jī)型推力外循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。本文結(jié)合推力外循環(huán)系統(tǒng)實(shí)際冷卻效果、運(yùn)維成本和結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的分析表明：鏡板泵、導(dǎo)瓦泵外循環(huán)冷卻方式在冷卻效果和運(yùn)維成本方面優(yōu)勢(shì)明顯，但其使用條件受到推力軸承PV值和軸承尺寸的限制，且對(duì)設(shè)備制造和安裝精度要求高，外加泵外循環(huán)形式應(yīng)用廣泛，其使用主要受限于安裝空間，新電廠可根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。