300MVar 調(diào)相機(jī)油系統(tǒng)方案的原理及機(jī)電機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

李輝，肖偉，高浪，徐華池，王成鑫

（1.四川川潤液壓潤滑設(shè)備有限公司，四川 成都 611743；2.清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，四川 成都 610213）

1 概述

隨著直流輸電、新能源、大電網(wǎng)、特高壓等技術(shù)的發(fā)展，同步調(diào)相機(jī)重新得到關(guān)注，300MVar 大型同步調(diào)相機(jī)即將使用。電網(wǎng)發(fā)展對系統(tǒng)穩(wěn)定性提出更高要求，電壓調(diào)節(jié)及無功補(bǔ)償是一個(gè)重要方面，電網(wǎng)可靠運(yùn)行要求充足的系統(tǒng)無功儲(chǔ)備、合理的無功電源配置。電力系統(tǒng)的無功源，主要有同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器、電抗器、靜止補(bǔ)償器等多種；發(fā)電機(jī)既是有功源，又是最基本的無功源。調(diào)相機(jī)在我國電網(wǎng)中的應(yīng)用有過一番變遷。作為專用的無功功率源，調(diào)相機(jī)與其他幾種無功源相比，其輸出的無功功率可連續(xù)控制、靈活調(diào)節(jié)無功數(shù)值，精度高，無差調(diào)節(jié)，易于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。近年來，隨著直流輸電、新能源、大電網(wǎng)、特高壓等技術(shù)的發(fā)展以及電力電子設(shè)備大量應(yīng)用，電網(wǎng)運(yùn)行特性變化很大，交流與直流、送端與受端相互影響，帶來電壓和頻率穩(wěn)定、電網(wǎng)的安全運(yùn)行等問題。系統(tǒng)所需無功日漸增多，需解決電網(wǎng)的無功與電壓問題，加強(qiáng)無功功率補(bǔ)償及調(diào)節(jié)能力。我國可生產(chǎn)的調(diào)相機(jī)最大單機(jī)容量約100Mvar(凸極式)、300Mvar（隱極式）。國家電網(wǎng)公司計(jì)劃建設(shè)的為300Mvar 調(diào)相機(jī)組，其進(jìn)相無功調(diào)節(jié)深度優(yōu)于傳統(tǒng)調(diào)相機(jī)。

調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子作為高速旋轉(zhuǎn)的大型部件，在機(jī)組工作時(shí)，需要提供潤滑油在軸承上形成連續(xù)的油膜，轉(zhuǎn)子在這層油膜上轉(zhuǎn)動(dòng)才能避免主軸與軸承直接接觸造成燒瓦。形成油膜本身只需要少量的潤滑油，但是，由于轉(zhuǎn)子的傳熱、軸承面的摩擦以及潤滑油自身的紊流，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，為了維持軸承正常的運(yùn)行溫度，需提供更多的油量對軸承進(jìn)行冷卻。

針對上述問題，本文創(chuàng)新性地建立了300MVar 大型同步調(diào)相機(jī)的兩大潤滑油路系統(tǒng)：主潤滑回路及輔助回路。主潤滑回路主要指潤滑油集裝裝置，該裝置提供調(diào)相機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需要的頂起主軸的高壓油及潤滑冷卻軸承的低壓潤滑油；輔助回路主要指由貯油箱、潤滑油輸送泵、凈油裝置等構(gòu)成的輔助系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)一套潤滑冷卻系統(tǒng)用以保證調(diào)相機(jī)的正常工作，并提升主潤滑回路的運(yùn)行可靠性并延長其運(yùn)行壽命。

2 300MVar 調(diào)相機(jī)油路潤滑油集裝裝置

潤滑油集裝裝置是保證調(diào)相機(jī)正常工作的基礎(chǔ)設(shè)備。該裝置通過輸油管道向調(diào)相機(jī)輸送用于頂起主軸的高壓油及用于潤滑冷卻軸承的低壓油，同時(shí)，該部分油液在軸承潤滑點(diǎn)完成其潤滑冷卻功能后經(jīng)回油管道流回裝置油箱內(nèi)，形成完整的循環(huán)。該裝置先于主機(jī)工作而工作，晚于主機(jī)停止而停止，向主機(jī)提供連續(xù)穩(wěn)定的潤滑介質(zhì)。該裝置內(nèi)配置了完善的自動(dòng)化控制設(shè)備，監(jiān)控裝置運(yùn)行狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)了裝置的高自動(dòng)化要求。每臺調(diào)相機(jī)各配置1 套潤滑油集裝裝置，兩套集裝裝置分別服務(wù)于各自主機(jī)，互不干擾。

2.1 工作原理

（1）當(dāng)控制室下達(dá)調(diào)相機(jī)啟動(dòng)命令后，潤滑油集裝裝置開始自檢，完成自檢后啟動(dòng)低壓交流潤滑油泵。交流潤滑油泵將油液泵出后經(jīng)過油冷卻器將溫度控制在40 ～45℃范圍內(nèi)，再經(jīng)過過濾器將油液內(nèi)顆粒度大于10μm 的雜質(zhì)濾除，進(jìn)入潤滑供油管道內(nèi)。

（2）當(dāng)潤滑供油管道內(nèi)充滿油液后，啟動(dòng)高壓交流頂軸油泵，高壓頂軸油泵自潤滑供油管道內(nèi)抽油，經(jīng)高壓油泵加壓，將輸出壓力控制到調(diào)定值，經(jīng)過調(diào)定壓力的高壓油分兩路經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥分流，輸送至頂軸供油管道內(nèi)。

（3）潤滑油泵采用“兩交一直”的組合形式。兩臺交流潤滑油泵互為備用，直流潤滑油泵作為緊急供油泵存在，置在潤滑供油管道上并聯(lián)了4 只皮囊式蓄能器，主要用于在交直流潤滑油泵切換過程中補(bǔ)充因直流油泵啟動(dòng)延時(shí)造成的流量缺失。

（4）頂軸油泵亦采用“兩交一直”的組合形式。兩臺交流頂軸油泵互為備用，直流頂軸油泵作為交流頂軸油泵的備用泵存在。

2.2 基本結(jié)構(gòu)

潤滑油集裝裝置按功能由兩部分構(gòu)成：低壓潤滑冷卻系統(tǒng)，高壓頂軸系統(tǒng)。低壓潤滑冷卻系統(tǒng)油液由低壓離心泵自潤滑油箱吸油，經(jīng)冷卻、過濾后由低壓潤滑管道輸送至軸承潤滑點(diǎn)；高壓頂軸系統(tǒng)油液由低壓供油管道吸油，經(jīng)調(diào)壓、分流后輸送至軸承高壓頂軸點(diǎn)。該裝置外形圖見圖1。

3 調(diào)相機(jī)油路潤滑油電氣控制邏輯

3.1 集裝裝置低壓油泵控制邏輯

集裝裝置是在潤滑系統(tǒng)油箱液位滿足運(yùn)行要求的情況下可以進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。在得到DCS 啟動(dòng)信號后，低壓主油泵啟動(dòng)，啟動(dòng)完成后，延時(shí)數(shù)秒，循環(huán)檢測泵口母管壓力，當(dāng)壓力（泵口母管壓力開關(guān)進(jìn)行二取一判定）低于壓力設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)備用油泵，壓力高于壓力設(shè)定值（泵口母管壓力開關(guān)進(jìn)行二取一判定）延時(shí)數(shù)秒停備用泵。

圖2 潤滑油集裝裝置外形圖

若低壓主油泵出口壓力持續(xù)數(shù)秒低于壓力設(shè)定值(泵口壓力開關(guān)持續(xù)處于該狀態(tài))，則判定低壓主油泵故障，自動(dòng)觸發(fā)低壓主油泵故障報(bào)警信號，控制器將發(fā)出置換主泵的信號，同時(shí)，將當(dāng)前備用泵置換為主泵。

若在潤滑油站運(yùn)行過程中，軸承潤滑供油壓力低于壓力設(shè)定值時(shí)，低壓供油母管上設(shè)置的三冗余壓力開關(guān)（供油口壓力開關(guān)進(jìn)行三取二判定）將發(fā)出重故障低壓報(bào)警，同時(shí)，發(fā)出主機(jī)（調(diào)相機(jī)）停機(jī)信號，同時(shí)啟動(dòng)直流事故油泵，二通電磁插裝閥1MAV70BH001 失電，蓄能器進(jìn)入工作狀態(tài)。

當(dāng)直流泵啟動(dòng)后數(shù)秒，循環(huán)檢測直流泵出口壓力，當(dāng)直流泵口壓力開關(guān)達(dá)到壓力低點(diǎn)延時(shí)數(shù)秒后，判定潤滑系統(tǒng)直流泵故障，只做報(bào)警處理，但不停止其運(yùn)行。

3.2 集裝裝置電加熱器控制邏輯

集裝油箱溫度（油箱內(nèi)鉑熱電阻進(jìn)行二取一判定）小于等于設(shè)定溫度值時(shí)，控制加熱器啟動(dòng)對油液進(jìn)行加熱，油箱溫度（油箱內(nèi)鉑熱電阻進(jìn)行二取一判定）大于設(shè)定溫度值時(shí)，加熱器停止加熱。加熱器投入運(yùn)行一段時(shí)間后，停止加熱，溫度檢測未達(dá)到設(shè)定值，加熱器再次啟動(dòng)。同時(shí)，在加熱器停止控制中，加入液位低信號，避免在油位低的狀態(tài)下加熱器運(yùn)行，造成元件損壞。

3.3 集裝裝置板冷切換控制邏輯

軸承供油口的溫度采集，由供油口鉑熱電阻完成（三重化設(shè)置，溫度采集為三取均）；供油口的油溫通過進(jìn)水口的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷卻器進(jìn)水量來進(jìn)行自動(dòng)控制。

當(dāng)單板冷工作時(shí)，檢測到供油溫度高于設(shè)定溫度值，進(jìn)水口電動(dòng)球閥（水系統(tǒng)）完全打開時(shí)，備用冷卻器投入運(yùn)行( 若單臺板冷運(yùn)行，當(dāng)電動(dòng)球閥1MAV60AA103、1MAV60AA102、1MAV60AA104、1MAV60AA101 處于全開狀態(tài)時(shí)，則打開備用冷卻器的電動(dòng)球閥1MAV60AA106、1MAV60AA105、1MAV60AA107、1MAV60AA108，控制備用冷卻器投入運(yùn)行；反之，則控制方式一致)，通過與進(jìn)水口的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥一起工作，達(dá)到穩(wěn)定的供油溫度。

當(dāng)兩臺冷卻器同時(shí)運(yùn)行一段時(shí)間后后，備用冷卻器停止使用（對應(yīng)的電動(dòng)球閥關(guān)閉），或者當(dāng)進(jìn)水口電動(dòng)球閥（水系統(tǒng)）完全關(guān)閉，備用冷卻器停止使用；當(dāng)再次檢測冷卻器出油溫度高于設(shè)定溫度值，進(jìn)水口電動(dòng)球閥（水系統(tǒng)）完全打開時(shí)，重新打開備用冷卻器。當(dāng)供油溫度高于高溫報(bào)警設(shè)定溫度值時(shí)，將發(fā)出供油溫度高報(bào)警，同時(shí)，觸發(fā)預(yù)報(bào)警故障，提醒操作人員進(jìn)行故障排查。

3.4 潤滑油集裝裝置頂軸高壓泵控制邏輯

頂軸裝置高壓泵進(jìn)油口壓力開關(guān)1#（交流主泵）、2#（交流備用）、3#（直流）分別保持壓力高點(diǎn)。若壓力開關(guān)1#（交流主泵）壓力高點(diǎn)在數(shù)秒內(nèi)出現(xiàn)，可啟動(dòng)交流主泵；當(dāng)壓力開關(guān)1#（交流主泵）壓力高點(diǎn)在數(shù)秒內(nèi)未出現(xiàn)，2#（交流備用）壓力高點(diǎn)出現(xiàn)，在壓力開關(guān)1#（交流主泵）壓力高點(diǎn)在數(shù)秒內(nèi)未出現(xiàn)的情況下，啟動(dòng)交流備用泵；同時(shí)，檢測壓力開關(guān)3#（直流）壓力高點(diǎn)是否出現(xiàn)，若1#（交流主泵）、2#（交流備用）壓力高點(diǎn)在各自的檢查時(shí)間內(nèi)均未出現(xiàn)，壓力開關(guān)3#（直流）壓力高點(diǎn)出現(xiàn)，啟動(dòng)直流頂軸泵。

3.5 集裝裝置液位開關(guān)檢測邏輯

集裝油箱液位報(bào)警按三取二原則。

集裝油箱液位過高報(bào)警：先開啟電動(dòng)球閥1MAV50AA102和JMAV20AA105，然后，啟動(dòng)潤滑油輸送泵，將潤滑油液輸送至貯油箱凈油室至潤滑油箱液位高點(diǎn)，停止?jié)櫥洼斔捅?，然后，再關(guān)閉相應(yīng)電動(dòng)球閥。

集裝油箱液位正常：關(guān)閉潤滑油輸送泵，然后，關(guān)閉1MAV50AA102 和JMAV20AA105 電動(dòng)球閥停止充油（備注：此過程適用于潤滑油箱補(bǔ)油工況，若潤滑油箱未處于補(bǔ)油工況，除了油箱進(jìn)水，潤滑油集裝裝置正常工作時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)報(bào)警）。

集裝油箱液位低報(bào)警：開啟電動(dòng)球閥JMAV20AA101、1MAV50AA101，1MAV26AA160，然后，開啟潤滑油輸送泵開始向潤滑油箱補(bǔ)油，補(bǔ)油至潤滑油箱液位高點(diǎn)停止（按上述步驟2 控制）。

3.6 集裝裝置頂軸裝置高壓泵控制邏輯

頂軸油泵只有在高壓泵口的壓力開關(guān)達(dá)到壓力高點(diǎn)時(shí)，對應(yīng)的高壓油泵才能啟動(dòng)。

在收到DCS 啟動(dòng)信號后，高壓主油泵運(yùn)行；高壓主油泵啟動(dòng)完成后，延時(shí)數(shù)秒，循環(huán)檢測泵口母管壓力，當(dāng)壓力（泵口母管壓力開關(guān)進(jìn)行二取一判定）低于壓力設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)備用交流頂軸油泵，若備用交流頂軸泵啟動(dòng)數(shù)秒后壓力仍低于壓力設(shè)定值，啟動(dòng)直流備用頂軸泵。

當(dāng)啟動(dòng)備用泵后，壓力（泵口母管壓力開關(guān)進(jìn)行二取一判定）達(dá)到高點(diǎn)，延時(shí)數(shù)秒停備用泵；如果頂軸工作油泵出口壓力(泵口壓力開關(guān)持續(xù)處于該狀態(tài))達(dá)到壓力低點(diǎn)，持續(xù)一段時(shí)間后，判定頂軸工作油泵故障，自動(dòng)觸發(fā)該油泵故障報(bào)警信號，控制器將發(fā)出置換主泵的信號，同時(shí)，將備用泵置換為主泵。

4 調(diào)試與優(yōu)化

初次安裝的潤滑油集裝裝置，必須按此要求：潤滑回路和頂軸回路分開調(diào)試，先調(diào)試潤滑回路，調(diào)試正常后，再進(jìn)行頂軸回路的調(diào)試；待機(jī)械系統(tǒng)調(diào)試正常后進(jìn)行自動(dòng)化元件調(diào)試與標(biāo)定，最后，與電氣聯(lián)調(diào)。

合理的運(yùn)行維護(hù)是保障裝置長期有效工作的必要工作，集裝裝置需要按表1 進(jìn)行例行巡檢及維護(hù)。

5 結(jié)語

調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子作為高速旋轉(zhuǎn)的大型部件，在機(jī)組工作時(shí)，需要提供潤滑油在軸承上形成連續(xù)的油膜，轉(zhuǎn)子在這層油膜上轉(zhuǎn)動(dòng)才能避免主軸與軸承直接接觸造成燒瓦。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)子的傳熱、軸承面的摩擦以及潤滑油自身的紊流，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，需提供更多的油量對軸承進(jìn)行冷卻。本文介紹了300MVar 大型同步調(diào)相機(jī)的兩大潤滑油路系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)方法，并對油路系統(tǒng)的機(jī)電控制邏輯進(jìn)行了優(yōu)化。

（1）主潤滑回路主要指潤滑油集裝裝置，該裝置提供調(diào)相機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需要的頂起主軸的高壓油及潤滑冷卻軸承的低壓潤滑油；輔助回路主要指由貯油箱、潤滑油輸送泵、凈油裝置等構(gòu)成的輔助系統(tǒng)。

表1 集裝裝置運(yùn)行維護(hù)項(xiàng)目

（2）潤滑油集裝裝置是保證調(diào)相機(jī)正常工作的基礎(chǔ)設(shè)備。該裝置通過輸油管道向調(diào)相機(jī)輸送用于頂起主軸的高壓油及用于潤滑冷卻軸承的低壓油，該裝置先于主機(jī)工作而工作，晚于主機(jī)停止而停止，向主機(jī)提供連續(xù)穩(wěn)定的潤滑介質(zhì)，內(nèi)配置了完善的自動(dòng)化控制設(shè)備，監(jiān)控裝置運(yùn)行狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)了裝置的高自動(dòng)化要求。

（3）本文設(shè)計(jì)的潤滑冷卻系統(tǒng)用以保證調(diào)相機(jī)的正常工作，提升主潤滑回路的運(yùn)行可靠性并延長其運(yùn)行壽命。