泵站同步電機(jī)潤滑油冷卻新技術(shù)研究

宋緩緩，李典基，張東霞

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南250102；2.南水北調(diào)（山東）土建工程有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南250101）

現(xiàn)在大型泵站機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的熱量都采用技術(shù)供水進(jìn)行冷卻。技術(shù)供水主要由冷卻水和潤滑水組成，其中冷卻用水約占技術(shù)供水總量的90%以上，對機(jī)組運(yùn)行安全性及運(yùn)行成本有直接影響[1]。行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)主要有2種冷卻方式[2]：方案1是直接從外部就近取水冷卻；方案2采用的冷卻水為載冷劑，用冷水機(jī)組冷卻干凈的水，水再對熱的潤滑油進(jìn)行冷卻。

上述2個方案使用一段時間后由于冷卻盤管內(nèi)部容易接水垢，而導(dǎo)致冷卻能力的下降，由于盤管盤于潤滑站內(nèi)，清洗非常困難，且屬于二級轉(zhuǎn)換冷卻裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。南水北調(diào)東線八里灣泵站開發(fā)一種先進(jìn)高效、安全可靠的大型軸流泵同步電機(jī)軸承冷卻技術(shù)。

1 潤滑油冷新技術(shù)的開發(fā)

1.1 冷油機(jī)工作原理

針對同步電機(jī)油缸內(nèi)潤滑油冷卻傳統(tǒng)技術(shù)存在的缺陷，研究采用油冷機(jī)對潤滑油進(jìn)行冷卻。油冷機(jī)基本配置由油冷機(jī)由油路循環(huán)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。制冷系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、冷凝器、冷凝風(fēng)機(jī)、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器和制冷管路等。壓縮機(jī)給制冷系統(tǒng)中的制冷劑提供流動動力，并對低壓的制冷劑蒸氣進(jìn)行壓縮，提升制冷劑的冷凝壓力，為使制冷劑后續(xù)轉(zhuǎn)變成液體創(chuàng)造條件。冷凝器使油冷機(jī)將熱量同外界進(jìn)行交換的組件，將熱從高壓制冷劑通過冷凝風(fēng)機(jī)傳遞到低溫空氣環(huán)境中，并儲存適量的制冷劑液體以使在冷凝器和膨脹閥之間造成液封，擋住制冷劑蒸氣。膨脹節(jié)流組件在蒸發(fā)器入口處安置，制冷劑（高溫高壓的液態(tài)）經(jīng)過膨脹閥的節(jié)流孔節(jié)流后，變?yōu)殪F狀的制冷劑，存在狀態(tài)為低溫低壓液態(tài)；膨脹節(jié)流組件調(diào)節(jié)制冷劑的輸出，滿足蒸發(fā)器出口的制冷劑全部為氣態(tài)，當(dāng)輸出過大，出口處將摻有液體狀態(tài)的制冷劑，液態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)可能形成沖擊；當(dāng)制冷劑輸出量過小，會使蒸發(fā)提早完成，吸熱結(jié)束，引起系統(tǒng)制冷量達(dá)不到冷卻要求。蒸發(fā)器是機(jī)組制冷系統(tǒng)的換熱組件，流入蒸發(fā)器的液態(tài)制冷劑，通過蒸發(fā)器將發(fā)生物理狀態(tài)變化，液態(tài)制冷劑吸收被冷卻物質(zhì)的熱量蒸發(fā)，制冷劑由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，被冷卻物質(zhì)的溫度得到降低。

制冷工作時，壓縮機(jī)1吸入制冷劑氣體，進(jìn)行壓縮，生成高溫高壓的氣體，而后高溫高壓的氣體通過管道流入冷凝器2，和由冷凝風(fēng)機(jī)5產(chǎn)生的穿過冷凝器的低溫進(jìn)風(fēng)進(jìn)行熱量交換，通過物理變化，高溫高壓的氣體變?yōu)槌馗邏旱囊后w，同時冷凝風(fēng)機(jī)5產(chǎn)生的低溫進(jìn)風(fēng)變成高溫出風(fēng)被吹出。此時制冷劑為常溫高壓的液體，在流經(jīng)貯液筒6、干燥過濾器7和膨脹閥8后，通過膨脹閥節(jié)流，變成低溫低壓的液體，再流入板式蒸發(fā)器10，并在板式蒸發(fā)器內(nèi)與同時進(jìn)入的較高溫度的潤滑油進(jìn)行熱量交換，此時低溫低壓的液體制冷劑吸收潤滑油熱量蒸發(fā)，成為低溫低壓的制冷劑氣體，而后重新被壓縮機(jī)吸入重新循環(huán)運(yùn)行。需要冷卻的高溫潤滑油油則被降溫后流出蒸發(fā)器通過加壓油泵重新流入電機(jī)油缸中，如圖1所示。

圖1 油冷機(jī)冷卻工作原理

1.2 油冷機(jī)的設(shè)備選型

設(shè)備選型是基于電機(jī)油缸的發(fā)熱量來選型，制冷量須大于發(fā)熱量，并留有足夠余量?？紤]到泵站主電機(jī)系統(tǒng)的高可靠性要求，本次取安全系數(shù)2。

采用上下油缸分別冷卻方式，上油缸選擇油冷機(jī)制冷量27 kW，試驗(yàn)采用設(shè)備主要參數(shù)如下：制冷量27 kW，溫控范圍20～45℃，溫控精度±1.5℃，額定功率13 kW，油泵功率3 kW，油泵流量100 L/min，使用制冷劑R22。

下油缸選取油冷機(jī)制冷量5.2 kW，主要參數(shù)如下：制冷量5.2 kW，溫控范圍20～45℃，溫控精度±1.5℃，壓縮機(jī)額定功率2.7 kW，油泵額定功率0.75 kW，油泵流量25 L/min，制冷劑采用R22。

油冷機(jī)采用相對獨(dú)立的雙制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如果其中一套制冷系統(tǒng)有故障，另一半制冷系統(tǒng)也可以正常使用。油冷機(jī)具有超溫、過載、斷油、高低壓等報警保護(hù)功能，所有報警出現(xiàn)時，油冷機(jī)的報警輸出端的常開觸點(diǎn)閉合，可告知主控室。

2 油冷過程自動控制設(shè)計(jì)

自動控制系統(tǒng)主要檢測控制對象包括上下油缸冷油機(jī)、上下油缸油路進(jìn)出油電動球閥、油缸油位油溫以及在線油過濾系統(tǒng)等。系統(tǒng)通過PLC把整個系統(tǒng)的冷油機(jī)控制，閥門控制，油位檢測，油位檢測，在線油過濾系統(tǒng)等子系統(tǒng)進(jìn)行整合進(jìn)行聯(lián)動控制，通過工業(yè)以太網(wǎng)連接至控制室，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，并對各裝置運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行記錄、存儲及綜合分析，從而形成一個先進(jìn)穩(wěn)定可靠的冷卻自動控制系統(tǒng)。

每臺水泵冷卻系統(tǒng)含兩套冷油機(jī)設(shè)備，分為上油缸冷油機(jī)及下油缸冷油機(jī)。

2.1 冷油機(jī)控制

系統(tǒng)控制柜接油冷機(jī)七芯航空插座的2、3腳，冷油機(jī)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為遠(yuǎn)程啟動來控制冷油機(jī)啟停。系統(tǒng)控制方式設(shè)計(jì)為手動控制、現(xiàn)地控制、遠(yuǎn)程控制。手動控制時通過電控柜按鈕控制冷油機(jī)啟動停止?，F(xiàn)地控制時通過觸摸屏設(shè)置參數(shù)自動控制冷油機(jī)啟動停止。遠(yuǎn)程控制時通過上位機(jī)設(shè)置參數(shù)自動控制冷油機(jī)啟動停止。

2.2 冷油機(jī)運(yùn)行參數(shù)反饋

運(yùn)行參數(shù)反饋包括冷油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)反饋信號及故障報警信號電氣原理圖如圖2所示。運(yùn)行狀態(tài)反饋信號主要包括冷油機(jī)油泵運(yùn)行狀態(tài)反饋，冷油機(jī)1#壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)反饋，冷油機(jī)2#壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)反饋，冷油機(jī)1#、2#風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的反饋，分別自冷油機(jī)油泵，壓縮機(jī)及風(fēng)機(jī)的接觸器引出信號接入電控柜。

冷油機(jī)的故障報警信號主要包括：總故障報警、油泵過載報警、1#2#壓縮機(jī)過載報警、1#2#壓縮機(jī)高壓報警、1#2#壓縮機(jī)低壓報警，總故障報警由冷油機(jī)航空插頭4、5腳接入，其他報警信號自冷油機(jī)控制箱內(nèi)中繼擴(kuò)展信號后接入電控柜。

3 循環(huán)油管路系統(tǒng)

每臺水泵冷卻系統(tǒng)有兩套循環(huán)管路，為上油缸管路及下油缸管路，每套管路油缸進(jìn)口與出口分別設(shè)置電動球閥一只，管路設(shè)置在線油過濾系統(tǒng)。

3.1 閥門控制

系統(tǒng)控制方式采用手動控制、現(xiàn)地控制、遠(yuǎn)程控制。手動控制時采用電控柜按鈕控制電動球閥開啟關(guān)閉停止，現(xiàn)地控制時通過觸摸屏設(shè)置參數(shù)自動控制電動球閥開啟關(guān)閉停止，遠(yuǎn)程控制時通過上位機(jī)設(shè)置參數(shù)自動控制電動球閥開啟關(guān)閉停止。

3.2 油位檢測系統(tǒng)

電機(jī)油缸分為上油缸系統(tǒng)與下油缸系統(tǒng)。電機(jī)運(yùn)行時，需要油缸內(nèi)油位保持在一個安全區(qū)間。每套油缸分別設(shè)置壓力變送器，反饋油缸內(nèi)的冷卻油位，當(dāng)油位發(fā)生異常時，根據(jù)設(shè)定的油位異常區(qū)可僅作報警不停止運(yùn)行和迅速關(guān)閉閥門及報警等處理措施。

3.3 油溫檢測系統(tǒng)

油缸內(nèi)裝設(shè)溫度傳感器，實(shí)時監(jiān)控油溫。當(dāng)油溫滿足水泵電機(jī)主機(jī)組安全運(yùn)行要求時油冷機(jī)停止運(yùn)行。油缸外部就近設(shè)置環(huán)境溫濕度傳感器，反饋環(huán)境溫度與濕度。通過油溫與環(huán)境溫濕度對比，調(diào)節(jié)油溫，避免電機(jī)出現(xiàn)凝露引起事故。

4 結(jié)語

泵站立式軸流泵同步電機(jī)主軸軸承油冷技術(shù)已在南水北調(diào)八里灣泵站成功開發(fā)并應(yīng)用，該技術(shù)將傳統(tǒng)的冷卻水（載冷劑）參入的油水熱交換冷卻方式改為直接冷卻工作熱油方式，是泵站技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一次重大技術(shù)革新，水泵電機(jī)運(yùn)行可靠性得到極大提高。新建泵站若直接采用該技術(shù)能節(jié)約投資，優(yōu)化泵站結(jié)構(gòu)。