300MVar 调相机油系统方案的原理及机电机构设计

李辉，肖伟，高浪，徐华池，王成鑫

（1.四川川润液压润滑设备有限公司，四川 成都 611743；2.清华四川能源互联网研究院，四川 成都 610213）

1 概述

随着直流输电、新能源、大电网、特高压等技术的发展，同步调相机重新得到关注，300MVar 大型同步调相机即将使用。电网发展对系统稳定性提出更高要求，电压调节及无功补偿是一个重要方面，电网可靠运行要求充足的系统无功储备、合理的无功电源配置。电力系统的无功源，主要有同步调相机、并联电容器、电抗器、静止补偿器等多种；发电机既是有功源，又是最基本的无功源。调相机在我国电网中的应用有过一番变迁。作为专用的无功功率源，调相机与其他几种无功源相比，其输出的无功功率可连续控制、灵活调节无功数值，精度高，无差调节，易于提高系统稳定性。近年来，随着直流输电、新能源、大电网、特高压等技术的发展以及电力电子设备大量应用，电网运行特性变化很大，交流与直流、送端与受端相互影响，带来电压和频率稳定、电网的安全运行等问题。系统所需无功日渐增多，需解决电网的无功与电压问题，加强无功功率补偿及调节能力。我国可生产的调相机最大单机容量约100Mvar(凸极式)、300Mvar（隐极式）。国家电网公司计划建设的为300Mvar 调相机组，其进相无功调节深度优于传统调相机。

调相机转子作为高速旋转的大型部件，在机组工作时，需要提供润滑油在轴承上形成连续的油膜，转子在这层油膜上转动才能避免主轴与轴承直接接触造成烧瓦。形成油膜本身只需要少量的润滑油，但是，由于转子的传热、轴承面的摩擦以及润滑油自身的紊流，会产生大量热量，为了维持轴承正常的运行温度，需提供更多的油量对轴承进行冷却。

针对上述问题，本文创新性地建立了300MVar 大型同步调相机的两大润滑油路系统：主润滑回路及辅助回路。主润滑回路主要指润滑油集装装置，该装置提供调相机正常运转时所需要的顶起主轴的高压油及润滑冷却轴承的低压润滑油；辅助回路主要指由贮油箱、润滑油输送泵、净油装置等构成的辅助系统。本文设计一套润滑冷却系统用以保证调相机的正常工作，并提升主润滑回路的运行可靠性并延长其运行寿命。

2 300MVar 调相机油路润滑油集装装置

润滑油集装装置是保证调相机正常工作的基础设备。该装置通过输油管道向调相机输送用于顶起主轴的高压油及用于润滑冷却轴承的低压油，同时，该部分油液在轴承润滑点完成其润滑冷却功能后经回油管道流回装置油箱内，形成完整的循环。该装置先于主机工作而工作，晚于主机停止而停止，向主机提供连续稳定的润滑介质。该装置内配置了完善的自动化控制设备，监控装置运行状态并实现了装置的高自动化要求。每台调相机各配置1 套润滑油集装装置，两套集装装置分别服务于各自主机，互不干扰。

2.1 工作原理

（1）当控制室下达调相机启动命令后，润滑油集装装置开始自检，完成自检后启动低压交流润滑油泵。交流润滑油泵将油液泵出后经过油冷却器将温度控制在40 ～45℃范围内，再经过过滤器将油液内颗粒度大于10μm 的杂质滤除，进入润滑供油管道内。

（2）当润滑供油管道内充满油液后，启动高压交流顶轴油泵，高压顶轴油泵自润滑供油管道内抽油，经高压油泵加压，将输出压力控制到调定值，经过调定压力的高压油分两路经流量调节阀分流，输送至顶轴供油管道内。

（3）润滑油泵采用“两交一直”的组合形式。两台交流润滑油泵互为备用，直流润滑油泵作为紧急供油泵存在，置在润滑供油管道上并联了4 只皮囊式蓄能器，主要用于在交直流润滑油泵切换过程中补充因直流油泵启动延时造成的流量缺失。

（4）顶轴油泵亦采用“两交一直”的组合形式。两台交流顶轴油泵互为备用，直流顶轴油泵作为交流顶轴油泵的备用泵存在。

2.2 基本结构

润滑油集装装置按功能由两部分构成：低压润滑冷却系统，高压顶轴系统。低压润滑冷却系统油液由低压离心泵自润滑油箱吸油，经冷却、过滤后由低压润滑管道输送至轴承润滑点；高压顶轴系统油液由低压供油管道吸油，经调压、分流后输送至轴承高压顶轴点。该装置外形图见图1。

3 调相机油路润滑油电气控制逻辑

3.1 集装装置低压油泵控制逻辑

集装装置是在润滑系统油箱液位满足运行要求的情况下可以进入运行状态。在得到DCS 启动信号后，低压主油泵启动，启动完成后，延时数秒，循环检测泵口母管压力，当压力（泵口母管压力开关进行二取一判定）低于压力设定值时启动备用油泵，压力高于压力设定值（泵口母管压力开关进行二取一判定）延时数秒停备用泵。

图2 润滑油集装装置外形图

若低压主油泵出口压力持续数秒低于压力设定值(泵口压力开关持续处于该状态)，则判定低压主油泵故障，自动触发低压主油泵故障报警信号，控制器将发出置换主泵的信号，同时，将当前备用泵置换为主泵。

若在润滑油站运行过程中，轴承润滑供油压力低于压力设定值时，低压供油母管上设置的三冗余压力开关（供油口压力开关进行三取二判定）将发出重故障低压报警，同时，发出主机（调相机）停机信号，同时启动直流事故油泵，二通电磁插装阀1MAV70BH001 失电，蓄能器进入工作状态。

当直流泵启动后数秒，循环检测直流泵出口压力，当直流泵口压力开关达到压力低点延时数秒后，判定润滑系统直流泵故障，只做报警处理，但不停止其运行。

3.2 集装装置电加热器控制逻辑

集装油箱温度（油箱内铂热电阻进行二取一判定）小于等于设定温度值时，控制加热器启动对油液进行加热，油箱温度（油箱内铂热电阻进行二取一判定）大于设定温度值时，加热器停止加热。加热器投入运行一段时间后，停止加热，温度检测未达到设定值，加热器再次启动。同时，在加热器停止控制中，加入液位低信号，避免在油位低的状态下加热器运行，造成元件损坏。

3.3 集装装置板冷切换控制逻辑

轴承供油口的温度采集，由供油口铂热电阻完成（三重化设置，温度采集为三取均）；供油口的油温通过进水口的电动调节阀调节冷却器进水量来进行自动控制。

当单板冷工作时，检测到供油温度高于设定温度值，进水口电动球阀（水系统）完全打开时，备用冷却器投入运行( 若单台板冷运行，当电动球阀1MAV60AA103、1MAV60AA102、1MAV60AA104、1MAV60AA101 处于全开状态时，则打开备用冷却器的电动球阀1MAV60AA106、1MAV60AA105、1MAV60AA107、1MAV60AA108，控制备用冷却器投入运行；反之，则控制方式一致)，通过与进水口的电动调节阀一起工作，达到稳定的供油温度。

当两台冷却器同时运行一段时间后后，备用冷却器停止使用（对应的电动球阀关闭），或者当进水口电动球阀（水系统）完全关闭，备用冷却器停止使用；当再次检测冷却器出油温度高于设定温度值，进水口电动球阀（水系统）完全打开时，重新打开备用冷却器。当供油温度高于高温报警设定温度值时，将发出供油温度高报警，同时，触发预报警故障，提醒操作人员进行故障排查。

3.4 润滑油集装装置顶轴高压泵控制逻辑

顶轴装置高压泵进油口压力开关1#（交流主泵）、2#（交流备用）、3#（直流）分别保持压力高点。若压力开关1#（交流主泵）压力高点在数秒内出现，可启动交流主泵；当压力开关1#（交流主泵）压力高点在数秒内未出现，2#（交流备用）压力高点出现，在压力开关1#（交流主泵）压力高点在数秒内未出现的情况下，启动交流备用泵；同时，检测压力开关3#（直流）压力高点是否出现，若1#（交流主泵）、2#（交流备用）压力高点在各自的检查时间内均未出现，压力开关3#（直流）压力高点出现，启动直流顶轴泵。

3.5 集装装置液位开关检测逻辑

集装油箱液位报警按三取二原则。

集装油箱液位过高报警：先开启电动球阀1MAV50AA102和JMAV20AA105，然后，启动润滑油输送泵，将润滑油液输送至贮油箱净油室至润滑油箱液位高点，停止润滑油输送泵，然后，再关闭相应电动球阀。

集装油箱液位正常：关闭润滑油输送泵，然后，关闭1MAV50AA102 和JMAV20AA105 电动球阀停止充油（备注：此过程适用于润滑油箱补油工况，若润滑油箱未处于补油工况，除了油箱进水，润滑油集装装置正常工作时，不会出现报警）。

集装油箱液位低报警：开启电动球阀JMAV20AA101、1MAV50AA101，1MAV26AA160，然后，开启润滑油输送泵开始向润滑油箱补油，补油至润滑油箱液位高点停止（按上述步骤2 控制）。

3.6 集装装置顶轴装置高压泵控制逻辑

顶轴油泵只有在高压泵口的压力开关达到压力高点时，对应的高压油泵才能启动。

在收到DCS 启动信号后，高压主油泵运行；高压主油泵启动完成后，延时数秒，循环检测泵口母管压力，当压力（泵口母管压力开关进行二取一判定）低于压力设定值时启动备用交流顶轴油泵，若备用交流顶轴泵启动数秒后压力仍低于压力设定值，启动直流备用顶轴泵。

当启动备用泵后，压力（泵口母管压力开关进行二取一判定）达到高点，延时数秒停备用泵；如果顶轴工作油泵出口压力(泵口压力开关持续处于该状态)达到压力低点，持续一段时间后，判定顶轴工作油泵故障，自动触发该油泵故障报警信号，控制器将发出置换主泵的信号，同时，将备用泵置换为主泵。

4 调试与优化

初次安装的润滑油集装装置，必须按此要求：润滑回路和顶轴回路分开调试，先调试润滑回路，调试正常后，再进行顶轴回路的调试；待机械系统调试正常后进行自动化元件调试与标定，最后，与电气联调。

合理的运行维护是保障装置长期有效工作的必要工作，集装装置需要按表1 进行例行巡检及维护。

5 结语

调相机转子作为高速旋转的大型部件，在机组工作时，需要提供润滑油在轴承上形成连续的油膜，转子在这层油膜上转动才能避免主轴与轴承直接接触造成烧瓦。同时，由于转子的传热、轴承面的摩擦以及润滑油自身的紊流，会产生大量热量，需提供更多的油量对轴承进行冷却。本文介绍了300MVar 大型同步调相机的两大润滑油路系统的原理及设计方法，并对油路系统的机电控制逻辑进行了优化。

（1）主润滑回路主要指润滑油集装装置，该装置提供调相机正常运转时所需要的顶起主轴的高压油及润滑冷却轴承的低压润滑油；辅助回路主要指由贮油箱、润滑油输送泵、净油装置等构成的辅助系统。

表1 集装装置运行维护项目

（2）润滑油集装装置是保证调相机正常工作的基础设备。该装置通过输油管道向调相机输送用于顶起主轴的高压油及用于润滑冷却轴承的低压油，该装置先于主机工作而工作，晚于主机停止而停止，向主机提供连续稳定的润滑介质，内配置了完善的自动化控制设备，监控装置运行状态并实现了装置的高自动化要求。

（3）本文设计的润滑冷却系统用以保证调相机的正常工作，提升主润滑回路的运行可靠性并延长其运行寿命。