大中型水電站推力外循環系統設計

崔峻豪 王 震 劉娟莉

（雅礱江流域水電開發有限公司二灘水力發電廠，四川 攀枝花 617000）

對于大中型水電站而言，冷卻技術對于推力軸承的性能起著至關重要的作用。某水電站總裝機容量為600 MW，單機容量為150 MW，采用推力外循環的方式對推力軸承進行冷卻。推力外循環與推力內循環最大區別就是其油的冷卻裝置設置在油槽外部，在出現故障時便于檢修維護。一般來說，高轉速機組均采用推力外循環的方式對其推力軸承進行冷卻，該電站是采用軸流轉漿式水輪發電機組，是屬于高轉速機組，故該電站采用推力外循環。本文介紹了大中型水電站的推力外循環系統的組成，結合推力外循環系統的運行方式，分析了運行過程中常見的問題及處理方法。

1 系統組成

機組在運行過程中，由于大軸的高速轉動，會使推力軸瓦在與靜板摩擦的過程中，產生大量熱能，導致推力軸承性能下降甚至出現燒瓦的現象。而推力外循環系統的作用就是解決這一問題。將冷油在推力軸瓦與油槽間不斷循環起到冷卻作用，而冷油在冷卻推力軸瓦過程中會吸收熱量發熱，這時就需要冷卻水來將熱油冷卻，以達到將推力軸瓦不斷冷卻的目的。故推力外循環系統大體可分為3部分：油支路、水支路以及控制盤柜組成。

油支路設置有1臺油泵，進油管路、出油管路分別設置1支RTD用來檢測油溫，1塊壓力表來測量管路內壓力，2個排氣閥對管路進行排氣處理，1支油流量計用來檢測油流量，并在流量過低時發出報警信號；水支路設置有1個電動閥用來打開水支路，進水管路、出水管路分別設置1支RTD用來檢測水溫，1支流量開關用來檢測水流量，并在流量過低時發出報警信號；控制盤柜主要包括觸摸屏、PLC控制器及其模塊以及各種中間繼電器，模塊包括CPU模塊、電源模塊、開關量輸入輸出模塊、以太網通信模塊，用來控制推力外循環系統以及與現地控制單元進行通信。

2 運行方式及控制邏輯

該水電站每臺機組設有6條推力外循環支路，采用PLC控制方式，推力外循環支路機組正常運行時，3條支路投入運行，3條支路備用。將1#、3#、5#支路分為第一組，2#、4#、6#支路分為第二組，兩組互為備用。分為手動、自動和切除三種位置，將控制方式選擇切換開關置于“自動”控制方式時，實現監控系統遠方啟/停泵控制，并設置有輪換時間，當6條支路全部能夠正常運行時，每240 h輪換一組推力外循環油泵；當切換開關設置于“切除”位置時，相應控制對象退出運行；將控制方式選擇切換開關置于“手動”運行時，在現地控制柜上通過按鈕直接啟/停油泵并閉鎖自動控制命令的輸出。

在機組正常運行時，其6條支路的控制把手均切至自動位置，由PLC程序判斷投入哪一組推力外循環油泵（見圖1）。

圖1 正常情況下高壓油泵控制邏輯

當機組監控系統發“推力外循環系統遠方啟動命令”時，控制柜按可用支路數量、運行時間長短（如可用支路相等時）決定投入第1組還是第2組支路。若兩組支路都無故障，則定時輪換兩組支路。若在運行過程中，主用組中有支路發生故障，且備用組支路都無故障，則切換到備用組支路。

若兩組支路都存在故障支路，則以可用支路數多的為主用組；如可用支路數仍相同，則選擇運行時間少的組作為主用，并從備用組中選擇無故障且運行時間短的支路投入運行。

考慮到另外一種極端方式，即多條支路發生故障，導致兩組推力外循環油泵支路都有故障，且可用支路總和小于3（見圖2），當有2個泵可用時，則啟動所有可用泵，并強制啟動主用組中剩余其他兩個泵，此時會出現“4泵同時運行”的情況。若此時，推力軸承溫度仍然持續升高，當達到一定溫度時，則會啟動緊急停機流程，保證推力軸瓦不受到損傷。

圖2 多條支路發生故障時高壓油控制邏輯

3 常見故障及處理方法

3.1 冷卻水電動閥無法至全開位置

該水電站4臺機組，每條推力外循環支路進水管上都裝有1個電動閥。當機組開機，啟動推力外循環系統時，均要先開此冷卻水電動閥至全開，然后才能啟動油泵；當機組停機，停止推力外循環系統后，關此閥門至全關，閥門的開、關均由推力外循環系統現地 PLC 程序控制。由于推力外循環系統需頻繁啟停及輪換，冷卻水電動閥頻繁出現全開接點未到達，推力外循環系統PLC據此判斷該支路的循環油泵不能投入運行，影響推力外循環系統正常運行。

處理方法：為保證推力外循環正常運行，取消了冷卻水電動閥遠方自動流程控制閥門功能，將4臺機組各推力外循環各支路進水管冷卻水電動閥保持常開，保留現地控制屏手動控制閥門功能，刪除了推力外循環各支路冷卻水流量的判斷，但保持對水流量低的報警。

3.2 管路進氣

在推力外循環系統正常運行過程中，頻繁出現某條推力外循環支路油管路流量低報警，當同1組的3條支路油流量累計值小于設置的定值時，則PLC判斷油流量低，自動切換到另外1組油泵。而導致油流量低的原因，就是因為管路中存在空氣，對管路進行排氣處理后，油流量則恢復正常。

管路進氣原因分析：（1）管路密封性下降。在理想的狀態下，推力外循環系統是全封閉狀態的，但是在實際運行的過程中，由于油位的變化以及油流的變化，會導致推力外循環系統在運行過程中，從油槽與管路的連接處以及油管路的接口處進入空氣，導致油流量測量不準確；并且，運行過程中油的高速流動以及熱量也是導致管路密封性下降的原因。（2）渦流。主油流在受到阻力的作用下，發生方向及流速的變化，這種情況下就會產生渦流，進入到渦流區里面的油會不斷地來回旋轉產生氣泡，破裂后將氣體存留在管路中，導致油流量計所測數值不準確，頻繁發出油流量低報警。

處理方法：目前，對于管路進氣的處理方法是在推力外循環管路上設置有2個排氣閥，對管路定期進行排氣處理。

4 結語

采用推力外循環的方式對機組推力軸承進行冷卻，結構簡單、維護方便，相較于內循環冷卻具有明顯的優點。在多年運行過程中，無明顯缺陷，宜用于大中型水電站。但如何能從根本上解決管路進氣導致壓力及流量不準確，依舊是今后需要研究的課題。