清远抽水蓄能机组高压油顶起系统

2022-02-10唐凤姣

水电站机电技术 2022年1期

唐凤姣

（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江杭州 310020）

1 前言

作为立式水轮发电机重要的承载部件，推力轴承性能的的可靠性直接影响到机组运行的安全稳定性。机组运行时，随载荷和转速的变化，推力轴瓦沿机组旋转方向产生倾角，在镜板与推力轴瓦之间形成楔形油膜，用以承载机组全部轴向载荷。在机组起动、停机过程的低速区，因转速低，油膜建立困难，在推力镜板与推力瓦之间会处于干摩擦或半干摩擦状态[1]，此状态下巴氏合金瓦面的摩擦系数会达到0.1～0.3甚至更高，摩擦力及瓦面摩擦损耗急剧上升导致瓦面磨损甚至引起烧瓦事故。因此，巴氏合金瓦推力轴承须设置推力轴承高压油顶起装置（以下简称高顶），在机组起动、停机过程中投入高顶以强制建立油膜，降低摩擦系数，确保推力轴承和机组起停机安全。

抽水蓄能机组通常具有高转速大容量的特点，为满足机组发电/抽水双向旋转的需要，推力轴承支撑为中心对称支撑结构，相对常规机组的偏心支撑结构，推力轴承油膜建立更困难，油膜厚度会更小[1]。因此，对于抽水蓄能机组，高顶装置从系统控制设计、系统参数选择到安装调试都需更严格的要求。

2 高顶系统设计要点

推力瓦面油室压力和顶起量是高顶装置设计的关键因素，油室压力表征了高顶系统的承压能力，顶起量表征了高顶系统的抬升能力。

为有效顶起转动部件，需在推力瓦表面加工出凹槽形成高压油室。油室的形状和尺寸要综合考虑顶起和对轴承润滑性能的影响，增大油室直径可以降低顶起时的接触面压，但油室的存在不利于瓦面楔形油膜的建立，一定程度上会降低轴承的承载能力，油室直径越大，对轴承承载能力的不利影响也越大。图1是清远推力轴承的润滑解析结果，可以看出，由于油室的影响，推力轴承油膜压力沿径向和周向均有明显的降低突变，表明高顶油室的设置降低了该处轴承油膜的承载能力。油室一般为圆形和圆环型，采用圆形油室时，油室直径d的取值与推力瓦周向内切圆直径D成一定的比例关系，直径比一般满足 0.2＜d/D＜0.4[1]或0.15＜d/D＜0.25[2]的关系。对于抽水蓄能机组，考虑推力轴承油膜建立相对困难的特性，建议采用较小的油室直径比。

图1 清远机组推力轴承润滑特性曲线

顶起量是高顶投入后，在推力镜板与推力瓦之间形成的油膜厚度，反映了机组转动部件的抬升量。理论上讲，顶起量越大，机组起动、停机过程的安全可靠性越大，但需要的油量也随之增加。

因此，顶起量的设定要综合考虑系统的安全性和经济性。为运行可靠，推力轴承最小油膜厚度要求≥0.03 mm，对于常规水轮发电机，顶起高度宜＞0.05 mm[3]，一般设计顶起量≥0.06 mm。对于抽水蓄能机组，需充分考虑双向旋转、工况转换频繁、油膜建立困难的运行特点，适当增大顶起量，机组顶起高度宜≥0.08 mm[3]，考虑设计安装偏差，应适当增加顶起高度设计值。

3 清远高顶系统设计

3.1 系统组成

高顶系统主要由液压管路系统和油泵电气控制系统组成。液压管路系统主要由1台交流电机M1（AC380 V，配一台高压齿轮泵P1），1台直流电机M2(DC220 V，配一台高压齿轮泵P2)，循环管路，阀门、滤油器及压力开关等自动化元器件等构成，2套油泵组互为备用，参见图2高顶系统图。整个高压油系统的油路可以细分为3路，①路为从油槽到高压油泵的低压油路；②路为从溢流阀到油槽之间的溢油油路，当电机故障等导致系统压力超过设定值时，溢流阀开启泄压以达到保护油泵及管路上各元器件的作用；③路为从油泵到推力瓦之间的高压油路，高压油路上设置压力开关和压力变送器，实时监控高顶系统的压力，电气控制系统根据接收的开关信号判断控制高顶系统的启动状态并传递给监控系统。每块推力瓦支路均配置1只流量调节阀和1只单向阀，调试时通过调整流量调节阀的开度以调整各支路油量分配均匀。

图2 高顶系统图

高顶系统启动和退出均设置手动和自动控制两种功能。油泵电气控制系统控制高顶系统的自动启动和退出，抽水蓄能电站机组工况多且转换频繁，在工况转换过程中，机组转速有变化的过程均应投入高顶系统，工作流程为：

（1）静止→发电/抽水调相等运行工况，应先测试确定直流高压泵正常，高顶控制系统收到开机启高顶指令，首先启动交流泵，机组升速到95%额定转速后退出高顶，如启动过程中交流泵发生故障则自动切换至直流高压泵，直至机组升速到95%额定转速后退出高顶。也可通过先启动直流高压泵，在建压成功后停直流高压泵切换至交流高压泵，以检测确定直流高压泵正常[4]。

（2）发电/抽水/抽水调相等运行工况→静止，高顶控制系统收到停机开启高顶指令（机组降速到95%额定转速），直接启动交流泵，机组降速到1%额定转速后延时退出高顶，如启动过程中交流泵发生故障则自动切换至直流高压泵，直至机组降速到1%额定转速后延时退出高顶。对常规机组，机组停机后高顶退出不设延时或设短暂延时如延时1 min，抽水蓄能机组一般按延时30 min退出高顶[4，5]。

（3）抽水工况→发电工况，机组旋转方向发生改变，按机组运行工况→静止→运行工况的过程投入高顶系统，高顶控制系统收到停机开启高顶指令后启动高顶，机组降速停机再升速至95%额定转速后退出高顶。

（4）发电工况→发电调相工况，抽水工况→抽水调相工况，为保证工况转换过程机组运行稳定，宜投入高顶系统，在工况转换完成并稳定后即可退出高顶系统。

3.2 高顶系统参数确定

为确保高顶系统满足抽水蓄能机组各种运行工况的需要，高顶系统的设计需充分考虑加工、制造、安装的偏差以及长期运行后高压油泵性能下降的影响，适当提高高压油泵的设计裕度[4]，避免机组运行一段时间后，系统压力不稳定或压力下降。

清远高顶系统基本参数如下：

推力瓦径向长度为455 mm，综合考虑高顶油压作用的稳定性并尽量降低瓦面油室对轴承动压油膜的不利影响，采用了圆形槽加径向条形油沟的油室结构，油室直径比为0.13，油室形状见图3。

图3 油室结构

综上所述，抽水蓄能机组运行工况复杂，推力轴承动压油膜建立相对困难，应适当增加高顶顶起量，根据经验，清远机组高顶顶起量提高到0.11 mm。需要的油量计算公式如下：

其中：Qr，系统必要流量，L/min；n，推力瓦数量；ho,计算顶起量，mm；Pra，油泵额定压力，kg/cm2；μ，润滑油动力粘度，kg·s/m2；B,推力瓦周向平均宽度，mm；L，推力瓦径向长度，mm；lo，条形油沟总长度（含圆形油室），mm。计算Qr=51 L/min,考虑溢流量及设计余量，取Qr=54 L/min。需要的电机功率为20.6 kW，选择标准电机功率22 kW。

4 高顶系统的现场调试

对单向旋转的常规机组，高顶系统调试时，一般高顶系统压力稳定，实际监测的顶起量在0.05 mm以上就认为调试合格，对系统压力不做特别要求，常有系统实际压力与设计值偏差较大的情况出现，但在保证压力稳定，顶起量合格时，不会影响轴承运行的安全性。而对于抽蓄机组，高顶系统的压力和流量均要严格要求，高顶系统压力下降引起高顶投入失败甚至推力瓦面、镜板面磨损的事故时有发生[6]。