大中型水电站推力外循环系统设计

崔峻豪 王 震 刘娟莉

（雅砻江流域水电开发有限公司二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617000）

对于大中型水电站而言，冷却技术对于推力轴承的性能起着至关重要的作用。某水电站总装机容量为600 MW，单机容量为150 MW，采用推力外循环的方式对推力轴承进行冷却。推力外循环与推力内循环最大区别就是其油的冷却装置设置在油槽外部，在出现故障时便于检修维护。一般来说，高转速机组均采用推力外循环的方式对其推力轴承进行冷却，该电站是采用轴流转浆式水轮发电机组，是属于高转速机组，故该电站采用推力外循环。本文介绍了大中型水电站的推力外循环系统的组成，结合推力外循环系统的运行方式，分析了运行过程中常见的问题及处理方法。

1 系统组成

机组在运行过程中，由于大轴的高速转动，会使推力轴瓦在与静板摩擦的过程中，产生大量热能，导致推力轴承性能下降甚至出现烧瓦的现象。而推力外循环系统的作用就是解决这一问题。将冷油在推力轴瓦与油槽间不断循环起到冷却作用，而冷油在冷却推力轴瓦过程中会吸收热量发热，这时就需要冷却水来将热油冷却，以达到将推力轴瓦不断冷却的目的。故推力外循环系统大体可分为3部分：油支路、水支路以及控制盘柜组成。

油支路设置有1台油泵，进油管路、出油管路分别设置1支RTD用来检测油温，1块压力表来测量管路内压力，2个排气阀对管路进行排气处理，1支油流量计用来检测油流量，并在流量过低时发出报警信号；水支路设置有1个电动阀用来打开水支路，进水管路、出水管路分别设置1支RTD用来检测水温，1支流量开关用来检测水流量，并在流量过低时发出报警信号；控制盘柜主要包括触摸屏、PLC控制器及其模块以及各种中间继电器，模块包括CPU模块、电源模块、开关量输入输出模块、以太网通信模块，用来控制推力外循环系统以及与现地控制单元进行通信。

2 运行方式及控制逻辑

该水电站每台机组设有6条推力外循环支路，采用PLC控制方式，推力外循环支路机组正常运行时，3条支路投入运行，3条支路备用。将1#、3#、5#支路分为第一组，2#、4#、6#支路分为第二组，两组互为备用。分为手动、自动和切除三种位置，将控制方式选择切换开关置于“自动”控制方式时，实现监控系统远方启/停泵控制，并设置有轮换时间，当6条支路全部能够正常运行时，每240 h轮换一组推力外循环油泵；当切换开关设置于“切除”位置时，相应控制对象退出运行；将控制方式选择切换开关置于“手动”运行时，在现地控制柜上通过按钮直接启/停油泵并闭锁自动控制命令的输出。

在机组正常运行时，其6条支路的控制把手均切至自动位置，由PLC程序判断投入哪一组推力外循环油泵（见图1）。

图1 正常情况下高压油泵控制逻辑

当机组监控系统发“推力外循环系统远方启动命令”时，控制柜按可用支路数量、运行时间长短（如可用支路相等时）决定投入第1组还是第2组支路。若两组支路都无故障，则定时轮换两组支路。若在运行过程中，主用组中有支路发生故障，且备用组支路都无故障，则切换到备用组支路。

若两组支路都存在故障支路，则以可用支路数多的为主用组；如可用支路数仍相同，则选择运行时间少的组作为主用，并从备用组中选择无故障且运行时间短的支路投入运行。

考虑到另外一种极端方式，即多条支路发生故障，导致两组推力外循环油泵支路都有故障，且可用支路总和小于3（见图2），当有2个泵可用时，则启动所有可用泵，并强制启动主用组中剩余其他两个泵，此时会出现“4泵同时运行”的情况。若此时，推力轴承温度仍然持续升高，当达到一定温度时，则会启动紧急停机流程，保证推力轴瓦不受到损伤。

图2 多条支路发生故障时高压油控制逻辑

3 常见故障及处理方法

3.1 冷却水电动阀无法至全开位置

该水电站4台机组，每条推力外循环支路进水管上都装有1个电动阀。当机组开机，启动推力外循环系统时，均要先开此冷却水电动阀至全开，然后才能启动油泵；当机组停机，停止推力外循环系统后，关此阀门至全关，阀门的开、关均由推力外循环系统现地 PLC 程序控制。由于推力外循环系统需频繁启停及轮换，冷却水电动阀频繁出现全开接点未到达，推力外循环系统PLC据此判断该支路的循环油泵不能投入运行，影响推力外循环系统正常运行。

处理方法：为保证推力外循环正常运行，取消了冷却水电动阀远方自动流程控制阀门功能，将4台机组各推力外循环各支路进水管冷却水电动阀保持常开，保留现地控制屏手动控制阀门功能，删除了推力外循环各支路冷却水流量的判断，但保持对水流量低的报警。

3.2 管路进气

在推力外循环系统正常运行过程中，频繁出现某条推力外循环支路油管路流量低报警，当同1组的3条支路油流量累计值小于设置的定值时，则PLC判断油流量低，自动切换到另外1组油泵。而导致油流量低的原因，就是因为管路中存在空气，对管路进行排气处理后，油流量则恢复正常。

管路进气原因分析：（1）管路密封性下降。在理想的状态下，推力外循环系统是全封闭状态的，但是在实际运行的过程中，由于油位的变化以及油流的变化，会导致推力外循环系统在运行过程中，从油槽与管路的连接处以及油管路的接口处进入空气，导致油流量测量不准确；并且，运行过程中油的高速流动以及热量也是导致管路密封性下降的原因。（2）涡流。主油流在受到阻力的作用下，发生方向及流速的变化，这种情况下就会产生涡流，进入到涡流区里面的油会不断地来回旋转产生气泡，破裂后将气体存留在管路中，导致油流量计所测数值不准确，频繁发出油流量低报警。

处理方法：目前，对于管路进气的处理方法是在推力外循环管路上设置有2个排气阀，对管路定期进行排气处理。

4 结语

采用推力外循环的方式对机组推力轴承进行冷却，结构简单、维护方便，相较于内循环冷却具有明显的优点。在多年运行过程中，无明显缺陷，宜用于大中型水电站。但如何能从根本上解决管路进气导致压力及流量不准确，依旧是今后需要研究的课题。