溧蓄推力轴承外循环系统噪声和振动问题分析与处理

魏 力，章存建，高从闯，肖先照，王艳武，刘 宇，武倩倩，李 悦



溧蓄推力轴承外循环系统噪声和振动问题分析与处理

魏 力1，章存建1，高从闯1，肖先照2，王艳武2，刘 宇2，武倩倩2，李 悦2

（1. 江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司，江苏 常州 211108；2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

推力轴承外循环系统是水轮发电机重要的辅助设备之一，其性能的优劣直接决定着机组运行的稳定性。在溧蓄机组调试初期，发电电动机推力外循环系统噪声达到103dB，振动幅值达到0.26mm，噪声和振动严重影响到了机组的安全运行。本文以溧阳抽水蓄能电站发电电动机推力轴承外循环系统为研究对象，针对推力外循环系统在调试期间出现的噪声和振动问题进行分析，并对外循环系统结构整改、增加消泡装置和增加变频器的实施效果进行了对比。最终结果表明：推力外循环泵系统增加变频器降低转速的方案在处理外循环系统的噪声和振动问题具有显著的效果。

抽水蓄能；发电电动机；推力轴承；外循环系统；噪声；振动

0 前言

外加泵外循环系统是水轮发电机组重要的辅助设备之一，其运行的可靠性直接决定着轴承运行的安全稳定性。由于外加泵外循环系统具有油流量大、冷却效果好和维护方便等优点，越来越多的大容量、高转速的水轮发电机组采用这种冷却方式。国内一些发电设备厂对外加泵外循环系统作了一些试验研究，总结了一些经验[1, 2]，但依然存在很大的不足。

随着外加泵外循环系统的普遍采用，国内不少机组出现了外循环噪音和振动问题。以往处理方式大多是从推力油槽结构、外循环系统管路、加工处理外循环油泵以及更换外循环系统的泵和电机方面着手。这些方案结构复杂、经济成本高，效果并不乐观[3-5]。

本文通过对溧阳推力外循环系统电机增加变频器来调整外循环泵的转速，加长推力油槽内油循环时间，改善泵吸口负压，最终彻底解决了外循环系统振动和噪声的问题。

1 推力轴承及外循环系统结构

1.1 推力轴承结构

溧阳抽水蓄能发电电动机为半伞式结构，推力轴承位于转子下方，推力和下导轴承共用一个油槽，为组合体结构[6, 7]。机组额定转速为300r/min，额定推力负荷为815t，推力轴承配置12块巴氏合金推力瓦，并配备有高压油顶起系统和外加泵外循环系统。设置16块巴氏合金导轴承瓦，采用球面支柱与机架座圈形成径向支撑。油槽中部设置冷热油隔板，隔板上方为热油区域，下方为冷油区域。隔板贯穿均匀装有12根Φ60mm的外循环系统的吸油管，在下机架下方形成环管，隔油板下方为外循环的回油环管。整个吸油管和回油管与外循环系统相连，与油槽一起形成整个封闭的循环系统。推力轴承具体结构如图1所示。

图1 推力轴承装配

1.2 外循环系统结构

推力轴承配备一套外加泵外循环系统[8]。推力油槽的油量为16000L，外循环的油流量为6700L/min,工作压力为0.6MPa。外循环设置两套泵组，在运行过程中互为主备。其中油泵为螺杆泵，型号为TRQ7100R46U-7.14-V-W203，电动机的型号为M2QA-315S-4，功率为110kW，转速为1490r/min，工作电源为380V/50Hz；外循环系统采用两套板式换热器，两套油过滤器和两套水过滤器，均为一套工作，另一套备用；吸油管管径为DN250，由推力油槽内12根Φ60汇聚而成总管，回油管管径为DN250，直接与推力油槽内环管相连，同时管路上设置有止回阀门、泄压阀、温度和压力传感器等部件。推力外循环系统布置在水轮机层的风罩外壁旁，泵的入口高层比推力油槽底部低约2.3m，底板上安装有减振地脚，实物如图2所示，系统原理如图3所示。

图2 推力外循环系统实物图

图3 推力外循环系统原理图

2 外循环系统存在的问题

溧蓄电站6号、5号和4号机组在调试和投入商业运行前期均存在外循环系统泵噪声和管路系统振动大的问题。泵的噪声达到103dB，振动水平幅值达0.26mm（启动另一套备用泵系统情况相同）[9]。系统中管路振动大导致阀门手柄振掉，法兰连接螺栓松动等现象，仪表、传感器接头处出现渗油现象，人站在系统底板上明显感觉脚麻。噪声污染厂房环境，长时间对人的身心造成伤害[10]。问题较为严重，影响到机组的安全运行。

3 振动和噪声问题分析

推力外循环出现如下现象：

（1）机组静止时启动外循环系统，泵电机整体的噪声为85dB，声音正常，符合泵和电机噪音相关标准要求。

（2）机组启动，当机组的转速达到110r/min之后，噪音和系统的振动变得明显。机组达到额定转速300r/min，振动和噪声趋于稳定的103dB（6号、5号和4号机组大致相同）。

（3）机组停止15min，外循环系统泵的噪声还未消失，对泵前端管路排油检查，发现依旧有大量微小气泡。

（4）泵前端吸油管上安装的压力表示数为－0.1MPa，泵出现吸空现象。

（5）启动推力外循环系统，安装在管路上的超声波流量计显示值和设计值6700L/min相当，随着机组的运行，转速的升高，超声波流量计流量逐渐不稳，最终测不出数据。

（6）吸油管油流速为2.27m/s，整个油槽油循环一遍时间不到2.5min。

（7）泵身有消音通道，通过调节泵侧面上、下两个消音螺栓能将噪音降低到97dB，但消音螺栓调节量有限。

推力外循环系统油流量较大，推力油槽相对较小，管路管径选择不当，导致油流速较大。这些因素导致机组推力头、镜板旋转产生的气泡或者溶解在油中的微小气泡来不及在油槽内释放就被吸入到泵内。当油经过主螺杆和2个副螺杆啮合区时，气泡在负压情况下溃灭，产生极大的压强，对周围物体产生强烈的冲击。大量气泡溃灭最终导致泵发出持续的噪声和振动，这是泵噪声和整个系统振动的本质原因。上述（3）、（4）、（5）和（6）所描述的现象能很好地印证这个观点。此问题及现象与宝珠寺电站推力外循环系统以及惠州抽水蓄能水导轴承出现的问题为同一类型问题[3, 4]。

4 处理措施及结果

针对推力外循环出现的问题及现象，可采取的措施如下：

（1）增大推力油槽，或者增加副油箱。以此来增加油循环时间，让油内混杂或者溶解的气泡有时间释放。

（2）增大吸油管管路直径。管路截面要大于泵吸口截面，减少管路阻力，改善负压情况。

（3）将推力油槽内12根Φ60mm的吸油管路高度降低，向油槽壁开斜坡口，并将推力头上7个甩油孔封堵3个。

（4）将吸油管由竖直改为水平朝向油槽壁，并在吸油口与旋转部件之间增加消泡装置，将气泡消除。

（5）泵组的电机为变频电机，增加变频装置来改变电动机的转速，从而改变螺杆泵的油流量，让部分气泡有时间在油槽内释放。

鉴于目前机组的现有结构及调试情况，第（1）和（2）两条处理措施花费时间长，成本也大，不予采纳。第（3）条措施实践证明毫无效果。第（4）条措施还未得到验证，但是增加消泡板会增加泵前端管路的负压，效果未必乐观，并且在狭小的油槽内操作难度大。第（5）条措施首先在5号机组实施并得到了验证（见表1）。随后在其它机组实施，效果明显。

表1 推力外循环变频器方案试验数据

通过变频器将电动机的转速控制在900r/min。机组运行2.5h，外循环系统噪声和振动稳定，电动机外体温度正常，机组推力瓦温、下导瓦温和油槽油温均正常。紧接着做变频器的升速试验，从900r/min逐步升高到1490r/min，中间每个转速停留10min。外循环系统整体的噪声由89dB上升到103dB，泵的振动幅值由0.05mm上升到0.26mm，随后，加变频器的5号机组和没整改的6号机组在相同水温、相同工况、相同负荷热稳定情况下做了对比试验，结果为5号机推力瓦高出6号机2℃。

哈电根据测得的实际数据，对溧阳机组推力轴承润滑重新计算。计算结果表明，加变频器降低外循环流量（理论上流量降低到原先的60.4%），推力轴承在冷却水温为32℃条件下能长期稳定运行，热稳定后的推力瓦温不超过80°C，能满足机组的安全运行并且有一定的裕度[11]。

5 结论

（1）变频器作为降低油泵转速进而降低噪声的方案经过实际验证，效果明显，对今后类似问题的处理具有指导意义。

（2）推力油槽结构以及外循环管路系统需要与循环油流量匹配。

（3）需要进一步研究外循环油流量与推力瓦温的关系，合理选择外循环系统参数。

[1] 刘汉城. 大型水轮发电机推力轴承散热方式探讨──润滑油外循环系统设计综述[J]. 大电机技术, 1994(5):6-12.

[2] 李明宇, 武中德, 吴军令. 大型水轮发电机推力轴承外加泵外循环冷却技术[J]. 大电机技术, 2014(5):18-19.

[3] 王松林. 宝珠寺水电厂推力外循环系统振动问题的研究[J]. 四川水力发电, 1999(s1):73-76.

[4] 刘玉斌, 李德武. 惠州抽水蓄能机组水导轴承的改造[J]. 广东电力, 2011, 24(11):115-118.

[5] 徐祝山. 宝珠寺水力发电厂技术改造工作回顾[J]. 四川水力发电, 2002, 21(2):1-7.

[6] 王艳武, 王建刚. 溧阳抽水蓄能电站发电电动机推力轴承设计[J]. 大电机技术, 2014(1):15-17.

[7] 吴军令, 武中德, 范寿孝,等. 溧阳蓄能机组推力轴承试验研究[J]. 大电机技术, 2014(1):41-44.

[8] 王书枫, 王艳武. 溧阳抽水蓄能电站发电电动机推力及下导轴承外循环冷却系统设计[J]. 大电机技术, 2016(1):13-15.

[9] GB/T 29529-2013,泵的噪声测量与评价方法[S].

[10] GB 18083-2000,以噪声污染为主的工业企业卫生防护距离标准[S].

[11] 肖先照. 响水涧推力瓦温偏高原因分析及处理[J]. 上海大中型电机, 2015(1):53-55.

Analysis and Process of the Noise and Vibration of Thrust Bearing Oil Out-circulation System For Liyang Pumped-storage

WEI Li1, ZHANG Cunjian1, GAO Congchuang1, XIAO Xianzhao2, WANG Yanwu2, LIU Yu2, WU Qianqian2, LI Yue2

(1. Jiangsu Guoxin Liyang Pumped-storage Power Generating Co., Ltd., Changzhou 211108, China;2. Harbin Electric Machinery Co., Ltd., Harbin 150040, China)

Thrust bearing oil out-circulation system is one of the most important auxiliary equipment, the merits of the performance of which determine the stability of unit operation. The noise of thrust bearing oil out-circulation system is up to 103dB, and the vibration amplitude is up to 0.26mm during the commissioning stage. In this paper, taking the structural feature of generator-motor thrust bearing oil out-circulation system for Liyang Pumped-storage Power Station as the object of the research, noise and vibration of thrust bearing oil out-circulation system during the commissioning stage are analyzed. The effect of adding defoaming plate and frequency converter in thrust bearing oil out-circulation system is shown. Final conclusion shows, increasing the frequency converter in thrust bearing oil out-circulation system has a significant effect on handling the noise and vibration.

pumped-storage; generator-motor; thrust bearing; out-circulation system; noise; vibration

TM301.4+2

A

1000-3983(2017)06-0022-03

2017-02-06

魏力（1978-），2001年毕业于南京工程学院发电厂及电力系统专业，现从事抽水蓄能电站生产运行管理工作，工程师。