仙居抽水蓄能电站镜板泵外循环及密封故障处理

杨仕福，张全胜，郑小康，黄智欣，赵志文

（1.东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳 618000；2.国网新源控股有限公司，北京 100761；3.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江仙居 317300）

仙居抽水蓄能电站镜板泵外循环及密封故障处理

杨仕福1，张全胜2，郑小康1，黄智欣1，赵志文3

（1.东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳 618000；2.国网新源控股有限公司，北京 100761；3.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江仙居 317300）

浙江仙居抽水蓄能电站发电电动机单机容量375MW，额定转速375r/min。本文介绍了仙居电站发电电动机镜板泵外循环系统理论、结构与试验验证，及实际运行中镜板泵集油槽密封故障的处理。高速机组镜板泵具有泵压高的特点，需要加强泵的密封及密封结构的强度，进一步提高泵密封结构的可靠性。

抽水蓄能电站；镜板泵外循环；密封

0 引言

浙江仙居抽水蓄能电站位于浙江省仙居县。电站安装4台单机容量375MW的发电电动机，机组额定转速375r/min，飞逸转速555r/min。

机组为半伞式结构，推力轴承布置于转子下方，下导轴承与推力轴承共用一个油槽。机组转速高，损耗大，宜采用外循环结构。

机组下机架安装空间受限，推力下导外循环冷却系统布置于机坑外。由于仙居机组转速高，轴承损耗大，需要的油循环油量大。高转速机组镜板泵油压头高，能满足仙居机组轴承循环油冷却用流量。仙居机组采用镜板泵外循环结构。

1 镜板泵外循环结构

1.1 镜板泵的基本理论及特点

1.1.1 基本理论

镜板泵是在推力轴承转动部件镜板或推力头上开数个径向直泵孔或斜泵孔[1]，见图1。镜板外缘装有集油槽（相当于一般油泵的蜗壳），用以汇集泵出的热油，然后送入冷却循环管路。热油经冷却器冷却后送回油槽，完成油槽的热交换，将油槽油温稳定在一定值，以保证轴承的安全运行。

图1 镜板泵孔Fig.1 Mirror plate hole pump

机组转动之前，镜板整体浸泡在润滑油中；机组转动时，充满于泵孔（见图2）中的润滑液在离心力的作用下，从内径被甩向外径，经集油槽排至外循环管路中。与此同时，在泵的内径处形成了低压区，油在液面大气压力的作用下，从油槽内径侧流入镜板泵孔。镜板不断转动，油就不断地流入，又从泵不断流出，这样镜板泵即可源源不断地送油了。

图2 镜板泵原理结构Fig.2 Mirror plate pump structure principle

按照流体力学理论，镜板泵空载压头见式（1）。

式中：ko——泵压头系数；

ρ——润滑油密度；

vi，vo——镜板内外径线速度。

镜板泵工作压头见式（2）。

式中：K1——泵流量系数；

A——泵孔横截面积；

Q——管路流量。

管路阻力见式（3）。

式中：Z——管道阻力系数。

泵特性曲线与管路阻力曲线交点（见图3）即为泵工作点。从式（1）可以看出，当机组转速越高，泵压头会越高。从图（3）可以看出，循环系统工作点压力不仅与泵尺寸、转速相关，也与管路及管路元件阻力密切相关。如果冷却器阻力差异大，也必然会导致外循环系统工作点压力变化大。管路阻力越小，循环系统工作点压力越低。

图3 镜板泵P-Q曲线Fig.3 Mirror plate pump P-Q curve

1.1.2 镜板泵外循环的特点

相较于外加泵外循环，镜板泵外循环具有以下特点：

（1）可靠性高。

镜板泵是利用机组转动部分动力驱动油循环的结构，与机组运行同步工作：机组转动，循环系统开始工作；机组停机，循环系统停止工作。

（2）结构简单。

镜板泵油槽外结构仅有管路、阀门、冷却器，而无外加泵结构电动机、油泵、控制柜等辅助设施。

（3）自适应性强。

镜板泵流量与机组转速自动匹配。机组转速高，损耗大，镜板泵压头高、流量大；机组转速低，轴承损耗小，镜板泵压头低，流量小。

正是由于镜板泵的这些特点，近些年镜板泵技术在水力发电机组上得到了广泛的应用[2]、[3]。

2 仙居推导外循环结构

2.1 仙居推力导外循环设计参数

仙居推力轴承[4]镜板泵外循环设计参数如下：

表1 镜板泵外循环参数Tab.1 Mirror plate outside circulation pump parameters

2.2 仙居镜板泵外循环结构

仙居推导外循环系统图见图4。由于仙居机组采用半伞式结构，推力轴承布置在电机转子下方。按常规结构，将推导油槽全部布置在基坑内，推力轴承检修空间会非常狭小。为便于检修，需留出检修空间，将冷却器集装布置在机坑外，同时减小了机坑内油槽容积，在基坑外增加了两个外置油槽。镜板泵机坑内结构见图6，从泵集油槽引出的12支路流出的压力油通过环管汇集，进入冷却系统。经过冷却器的冷油再经过环管，从并联的12支路进入推力油槽。为保证导瓦的冷却，将下导瓦布置在集油槽内，集油槽结构见图6。

2.3 镜板泵外循环厂内试验验证

为验证仙居镜板泵性能，在东方电机有限公司高速轴承试验台上对推力轴承进行了试验验证。试验推力轴承与真机推力轴承按1：1设计，除了进行推力轴承试验外，还进行了镜板泵外循环冷却试验。

镜板泵试验需要验证的是镜板泵的流量是否能达到循环系统所需流量。由于试验台镜板的尺寸与真机尺寸不同，故需要按真机泵最大压头对试验台轴承转速进行换算。按照换算，试验台转速与真机转速对应关系见表2。表2显示，试验转速325r/min，即达到真机375r/min所需压头。

图4 仙居推导外循环系统图Fig.4 Xianju figure outside loop system is derived

图5 仙居镜板泵外循环结构Fig.5 Xianju mirror plate outside pump circulation structure

图6 镜板泵集油槽Fig.6 Mirror plate oil pump set

表2 试验转速与真机转速对应表Tab.2 Speed and the real machine test speed corresponding

图7为试验外循环管路系统，图8为试验推力轴承与镜板泵外循环管路。

图7 外循环管路系统Fig.7 Outside circulation piping system

图8 镜板泵外循环管路Fig.8 Mirror plate outside pump circulation line

图9为实测试验台镜板泵流量随转速变化的曲线，图10为实测试验台镜板泵压头随转速变化的曲线。

试验显示，在各种转速下，镜板泵运行平稳。转速低时，泵流量小，压头小。试验中没有出现任何断油的工况，这与计算结果相一致。即使在低转速，虽然压头低，泵流量小，但流速低，管路阻力也小，管路与泵始终自动匹配工作。

图9 镜板泵试验流量随转速变化曲线Fig.9 Mirror plate pump test flow change with speed curve

图10 镜板泵试验工作压头随转速变化曲线Fig.10 Mirror plate pump pressure head along with the speed change curve test work

2.4 仙居电站镜板泵实际运行结果

机组启动后，镜板泵热油管路压力0.2MPa左右。外循环热油温度24.8℃，冷油温度17℃，最高推力瓦温69.2℃，最高下导瓦温56.3℃（2016年5月2日运行数据），数值在设计要求内。

3 镜板泵密封故障的处理

3.1 镜板泵密封磨损及处理

2015年12月，机组在首次启动时，镜板泵一直不能建压。最初分析认为油槽油位过低，加285L左右润滑油，后机组启动后，水车室出现甩油。停机后拆出镜板泵集油槽密封盖，发现密封盖上翻，且密封块磨损，油槽内出现棉絮状非金属物。

分析认为，棉絮状非金属物为镜板泵密封块磨损物。磨损乃是由于密封块顶紧弹簧压力过大引起。由于磨损，接触端面发热严重，密封块热胀系数大，导致密封间隙扩大而失效。

根据分析，改造方案一为更换刚度较小的密封块随动弹簧。方案二是换用厂内试验用过的铝青铜作为基体，表面镶嵌耐磨密封条的结构。

更换密封块后，机组启动，镜板泵建压成功。管路油压力为0.2MPa，循环系统工作正常。

3.2 镜板泵上密封盖把合螺栓断裂分析及处理

1号机组在运行3个月后，监控发现油槽油温上升，遂停机检查，发现镜板泵上密封盖把合螺栓断裂。拆开油槽，统计镜板泵集油槽上密封盖把合螺栓（M12）断裂20余颗。

为分析螺栓断裂原因，调取电站镜板泵油压实测数据，见图11。压力测点布置在泵集油槽出口对称180°两支管上。镜板泵在稳定工况下两个压力测点测出的出口压力为216.87kPa 和215.02kPa，油压存在脉动。油压脉动主要含2 种成分，频谱分析为75Hz 和150Hz。其中75Hz为1 倍泵孔通过频率，该频率为镜板泵孔（泵孔数为12个）所激发的特征频率，其幅值为2.84kPa 和3.91kPa。150Hz为2 倍泵孔通过频率，实际压力脉动幅值分别为3.81kPa和5.35kPa。

原设计按静强度考核螺栓，螺栓静强度最大应力为382.9MPa。低于螺栓的材料屈服强度640MPa。为更深入分析螺栓断裂的原因，对上密封盖建立刚强度计算模型，见图12，采用寿命计算模式，变形结果见图13，寿命计算结果见表3。

图11 镜板泵出口压力脉动时频图Fig.11 Line pressure monitoring

图12 上密封盖计算模型图Fig.12 Cover gasket on the calculation model figure

图13 上密封盖-机架变形（单位mm）Fig.13 On the sealing cover - frame deformation

表3 上密封盖把合螺栓计算结果Tab.3 Plug on the bolt calculation results

计算结果显示，上密封盖在油压作用下，最大变形上翘1mm。在压力波动下，M12螺栓寿命仅为121h。显然在压力波动下，螺栓会出现疲劳断裂。

根据分析计算结果，需要降低螺栓的应力，才能增大螺栓的疲劳寿命。改进方案为增加96颗M16把合螺栓，降低螺栓应力。若机组每天启停8 次，每天运行13h，该结构M12螺栓寿命为403.1 年；M16螺栓寿命为285.5 年，满足机组长期运行要求。

4 对高速机组采用镜板泵的一点看法

从试验来看，高速机组镜板泵泵压较高，这与理论计算相符。国内高速机组采用镜板泵较少，主要焦点均集中于压力过低，是否能满足循环需要。但实际运行，反而是由于泵压过高而导致的密封失效。从已有报道来看，镜板泵故障大都由于密封失效[5]引起。

近些年，随动式密封由于其密封效果好而在机组中大量采用，这种形式密封在中低速机组镜板泵上运行良好。但在高速机组上采用，由于密封处线速度高及密封压力高，对密封结构提出了更高的要求。优化密封结构，可以进一步发挥高速机组镜板泵的优势。

5 结束语

通过对仙居抽水蓄能机组镜板泵的分析以及试验，显示高转速机组镜板泵具有泵压高的特点，这与中低速机组是不同的，更利于油循环的建立。但泵压高对泵密封性能及结构强度提出了更高的要求。通过对镜板泵密封故障的处理，改进密封结构并加强密封结构强度，进一步提高了泵密封结构的可靠性。

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Runner Pump External Cooler Structure of the Xianju Pumped Storage Power Station and the Processing of Seal Failure

YANG Shifu1，ZHANG Quansheng2，ZHENG Xiaokang1，HUANG Zhixin1，ZHAO Zhiwen3
（1.Dongfang Electrical machinery Co.，Ltd，Deyang 618000，China 2.State Grid XinYuan Company LTD，Beijing 100761，China，Zhejiang Xianju Pumped Storage Power Station，Xianju 317300，China）

The rated speed of the Xianju pumped storage power station generator motor is 375r/min，and its rated unit capacity is 375MW.This paper introduces the runner pump theory，structure，the verification test on the thrust bearing test rig，and the solution to seal failure in the equipment operation。The high-speed runner pump pressure is high.To further improve the reliability of the pump seal structure，so it is necessary to improve the sealing performance and its strength.

pumped storage power station； runner pump external loop； pump seal

TV735 文献标识码：A 学科代码：570.3520 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.005

2016-9-22

杨仕福（1969—），男，四川大邑人，1992年毕业于兰州交通大学机械设计及制造专业，西安交通大学在读博士，东方电气集团东方电机有限公司高级工程师，主要研究方向：轴承设计及试验。Email：shf_yang@sohu.com

张全胜（1968—），男，高级工程师。主要研究方向：水电厂生产管理。E-mail：quansheng-zhang@sgxy.sgcc.com.cn

郑小康（1954—）教授级高级工程师。主要研究方向：水轮发电机设计。Email：xiaokang_zheng@163.com

黄智欣（1974—），高级工程师。主要研究方向：水力发电设计。Email：huangzhixin74@sina.com

赵志文（1972—），男，工程师。主要研究方向：水力发电设备。Email：zzw721228@126.com