泵站同步电机润滑油冷却新技术研究

宋缓缓，李典基，张东霞

（1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南250102；2.南水北调（山东）土建工程有限责任公司，山东 济南250101）

现在大型泵站机组运行产生的热量都采用技术供水进行冷却。技术供水主要由冷却水和润滑水组成，其中冷却用水约占技术供水总量的90%以上，对机组运行安全性及运行成本有直接影响[1]。行业内现有技术主要有2种冷却方式[2]：方案1是直接从外部就近取水冷却；方案2采用的冷却水为载冷剂，用冷水机组冷却干净的水，水再对热的润滑油进行冷却。

上述2个方案使用一段时间后由于冷却盘管内部容易接水垢，而导致冷却能力的下降，由于盘管盘于润滑站内，清洗非常困难，且属于二级转换冷却装置，结构复杂。南水北调东线八里湾泵站开发一种先进高效、安全可靠的大型轴流泵同步电机轴承冷却技术。

1 润滑油冷新技术的开发

1.1 冷油机工作原理

针对同步电机油缸内润滑油冷却传统技术存在的缺陷，研究采用油冷机对润滑油进行冷却。油冷机基本配置由油冷机由油路循环系统、制冷系统、电控系统等组成。制冷系统包括压缩机、冷凝器、冷凝风机、热力膨胀阀、蒸发器和制冷管路等。压缩机给制冷系统中的制冷剂提供流动动力，并对低压的制冷剂蒸气进行压缩，提升制冷剂的冷凝压力，为使制冷剂后续转变成液体创造条件。冷凝器使油冷机将热量同外界进行交换的组件，将热从高压制冷剂通过冷凝风机传递到低温空气环境中，并储存适量的制冷剂液体以使在冷凝器和膨胀阀之间造成液封，挡住制冷剂蒸气。膨胀节流组件在蒸发器入口处安置，制冷剂（高温高压的液态）经过膨胀阀的节流孔节流后，变为雾状的制冷剂，存在状态为低温低压液态；膨胀节流组件调节制冷剂的输出，满足蒸发器出口的制冷剂全部为气态，当输出过大，出口处将掺有液体状态的制冷剂，液态制冷剂进入压缩机可能形成冲击；当制冷剂输出量过小，会使蒸发提早完成，吸热结束，引起系统制冷量达不到冷却要求。蒸发器是机组制冷系统的换热组件，流入蒸发器的液态制冷剂，通过蒸发器将发生物理状态变化，液态制冷剂吸收被冷却物质的热量蒸发，制冷剂由液态变为气态，被冷却物质的温度得到降低。

制冷工作时，压缩机1吸入制冷剂气体，进行压缩，生成高温高压的气体，而后高温高压的气体通过管道流入冷凝器2，和由冷凝风机5产生的穿过冷凝器的低温进风进行热量交换，通过物理变化，高温高压的气体变为常温高压的液体，同时冷凝风机5产生的低温进风变成高温出风被吹出。此时制冷剂为常温高压的液体，在流经贮液筒6、干燥过滤器7和膨胀阀8后，通过膨胀阀节流，变成低温低压的液体，再流入板式蒸发器10，并在板式蒸发器内与同时进入的较高温度的润滑油进行热量交换，此时低温低压的液体制冷剂吸收润滑油热量蒸发，成为低温低压的制冷剂气体，而后重新被压缩机吸入重新循环运行。需要冷却的高温润滑油油则被降温后流出蒸发器通过加压油泵重新流入电机油缸中，如图1所示。

图1 油冷机冷却工作原理

1.2 油冷机的设备选型

设备选型是基于电机油缸的发热量来选型，制冷量须大于发热量，并留有足够余量。考虑到泵站主电机系统的高可靠性要求，本次取安全系数2。

采用上下油缸分别冷却方式，上油缸选择油冷机制冷量27 kW，试验采用设备主要参数如下：制冷量27 kW，温控范围20～45℃，温控精度±1.5℃，额定功率13 kW，油泵功率3 kW，油泵流量100 L/min，使用制冷剂R22。

下油缸选取油冷机制冷量5.2 kW，主要参数如下：制冷量5.2 kW，温控范围20～45℃，温控精度±1.5℃，压缩机额定功率2.7 kW，油泵额定功率0.75 kW，油泵流量25 L/min，制冷剂采用R22。

油冷机采用相对独立的双制冷系统设计，如果其中一套制冷系统有故障，另一半制冷系统也可以正常使用。油冷机具有超温、过载、断油、高低压等报警保护功能，所有报警出现时，油冷机的报警输出端的常开触点闭合，可告知主控室。

2 油冷过程自动控制设计

自动控制系统主要检测控制对象包括上下油缸冷油机、上下油缸油路进出油电动球阀、油缸油位油温以及在线油过滤系统等。系统通过PLC把整个系统的冷油机控制，阀门控制，油位检测，油位检测，在线油过滤系统等子系统进行整合进行联动控制，通过工业以太网连接至控制室，实现远程操作，并对各装置运行参数进行记录、存储及综合分析，从而形成一个先进稳定可靠的冷却自动控制系统。

每台水泵冷却系统含两套冷油机设备，分为上油缸冷油机及下油缸冷油机。

2.1 冷油机控制

系统控制柜接油冷机七芯航空插座的2、3脚，冷油机系统参数设置为远程启动来控制冷油机启停。系统控制方式设计为手动控制、现地控制、远程控制。手动控制时通过电控柜按钮控制冷油机启动停止。现地控制时通过触摸屏设置参数自动控制冷油机启动停止。远程控制时通过上位机设置参数自动控制冷油机启动停止。

2.2 冷油机运行参数反馈

运行参数反馈包括冷油机运行状态反馈信号及故障报警信号电气原理图如图2所示。运行状态反馈信号主要包括冷油机油泵运行状态反馈，冷油机1#压缩机运行状态反馈，冷油机2#压缩机运行状态反馈，冷油机1#、2#风机运行状态的反馈，分别自冷油机油泵，压缩机及风机的接触器引出信号接入电控柜。

冷油机的故障报警信号主要包括：总故障报警、油泵过载报警、1#2#压缩机过载报警、1#2#压缩机高压报警、1#2#压缩机低压报警，总故障报警由冷油机航空插头4、5脚接入，其他报警信号自冷油机控制箱内中继扩展信号后接入电控柜。

3 循环油管路系统

每台水泵冷却系统有两套循环管路，为上油缸管路及下油缸管路，每套管路油缸进口与出口分别设置电动球阀一只，管路设置在线油过滤系统。

3.1 阀门控制

系统控制方式采用手动控制、现地控制、远程控制。手动控制时采用电控柜按钮控制电动球阀开启关闭停止，现地控制时通过触摸屏设置参数自动控制电动球阀开启关闭停止，远程控制时通过上位机设置参数自动控制电动球阀开启关闭停止。

3.2 油位检测系统

电机油缸分为上油缸系统与下油缸系统。电机运行时，需要油缸内油位保持在一个安全区间。每套油缸分别设置压力变送器，反馈油缸内的冷却油位，当油位发生异常时，根据设定的油位异常区可仅作报警不停止运行和迅速关闭阀门及报警等处理措施。

3.3 油温检测系统

油缸内装设温度传感器，实时监控油温。当油温满足水泵电机主机组安全运行要求时油冷机停止运行。油缸外部就近设置环境温湿度传感器，反馈环境温度与湿度。通过油温与环境温湿度对比，调节油温，避免电机出现凝露引起事故。

4 结语

泵站立式轴流泵同步电机主轴轴承油冷技术已在南水北调八里湾泵站成功开发并应用，该技术将传统的冷却水（载冷剂）参入的油水热交换冷却方式改为直接冷却工作热油方式，是泵站技术供水系统设计的一次重大技术革新，水泵电机运行可靠性得到极大提高。新建泵站若直接采用该技术能节约投资，优化泵站结构。