300MVar 調(diào)相機油系統(tǒng)方案的原理及機電機構(gòu)設(shè)計

李輝，肖偉，高浪，徐華池，王成鑫

（1.四川川潤液壓潤滑設(shè)備有限公司，四川 成都 611743；2.清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，四川 成都 610213）

1 概述

隨著直流輸電、新能源、大電網(wǎng)、特高壓等技術(shù)的發(fā)展，同步調(diào)相機重新得到關(guān)注，300MVar 大型同步調(diào)相機即將使用。電網(wǎng)發(fā)展對系統(tǒng)穩(wěn)定性提出更高要求，電壓調(diào)節(jié)及無功補償是一個重要方面，電網(wǎng)可靠運行要求充足的系統(tǒng)無功儲備、合理的無功電源配置。電力系統(tǒng)的無功源，主要有同步調(diào)相機、并聯(lián)電容器、電抗器、靜止補償器等多種；發(fā)電機既是有功源，又是最基本的無功源。調(diào)相機在我國電網(wǎng)中的應(yīng)用有過一番變遷。作為專用的無功功率源，調(diào)相機與其他幾種無功源相比，其輸出的無功功率可連續(xù)控制、靈活調(diào)節(jié)無功數(shù)值，精度高，無差調(diào)節(jié)，易于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。近年來，隨著直流輸電、新能源、大電網(wǎng)、特高壓等技術(shù)的發(fā)展以及電力電子設(shè)備大量應(yīng)用，電網(wǎng)運行特性變化很大，交流與直流、送端與受端相互影響，帶來電壓和頻率穩(wěn)定、電網(wǎng)的安全運行等問題。系統(tǒng)所需無功日漸增多，需解決電網(wǎng)的無功與電壓問題，加強無功功率補償及調(diào)節(jié)能力。我國可生產(chǎn)的調(diào)相機最大單機容量約100Mvar(凸極式)、300Mvar（隱極式）。國家電網(wǎng)公司計劃建設(shè)的為300Mvar 調(diào)相機組，其進相無功調(diào)節(jié)深度優(yōu)于傳統(tǒng)調(diào)相機。

調(diào)相機轉(zhuǎn)子作為高速旋轉(zhuǎn)的大型部件，在機組工作時，需要提供潤滑油在軸承上形成連續(xù)的油膜，轉(zhuǎn)子在這層油膜上轉(zhuǎn)動才能避免主軸與軸承直接接觸造成燒瓦。形成油膜本身只需要少量的潤滑油，但是，由于轉(zhuǎn)子的傳熱、軸承面的摩擦以及潤滑油自身的紊流，會產(chǎn)生大量熱量，為了維持軸承正常的運行溫度，需提供更多的油量對軸承進行冷卻。

針對上述問題，本文創(chuàng)新性地建立了300MVar 大型同步調(diào)相機的兩大潤滑油路系統(tǒng)：主潤滑回路及輔助回路。主潤滑回路主要指潤滑油集裝裝置，該裝置提供調(diào)相機正常運轉(zhuǎn)時所需要的頂起主軸的高壓油及潤滑冷卻軸承的低壓潤滑油；輔助回路主要指由貯油箱、潤滑油輸送泵、凈油裝置等構(gòu)成的輔助系統(tǒng)。本文設(shè)計一套潤滑冷卻系統(tǒng)用以保證調(diào)相機的正常工作，并提升主潤滑回路的運行可靠性并延長其運行壽命。

2 300MVar 調(diào)相機油路潤滑油集裝裝置

潤滑油集裝裝置是保證調(diào)相機正常工作的基礎(chǔ)設(shè)備。該裝置通過輸油管道向調(diào)相機輸送用于頂起主軸的高壓油及用于潤滑冷卻軸承的低壓油，同時，該部分油液在軸承潤滑點完成其潤滑冷卻功能后經(jīng)回油管道流回裝置油箱內(nèi)，形成完整的循環(huán)。該裝置先于主機工作而工作，晚于主機停止而停止，向主機提供連續(xù)穩(wěn)定的潤滑介質(zhì)。該裝置內(nèi)配置了完善的自動化控制設(shè)備，監(jiān)控裝置運行狀態(tài)并實現(xiàn)了裝置的高自動化要求。每臺調(diào)相機各配置1 套潤滑油集裝裝置，兩套集裝裝置分別服務(wù)于各自主機，互不干擾。

2.1 工作原理

（1）當(dāng)控制室下達調(diào)相機啟動命令后，潤滑油集裝裝置開始自檢，完成自檢后啟動低壓交流潤滑油泵。交流潤滑油泵將油液泵出后經(jīng)過油冷卻器將溫度控制在40 ～45℃范圍內(nèi)，再經(jīng)過過濾器將油液內(nèi)顆粒度大于10μm 的雜質(zhì)濾除，進入潤滑供油管道內(nèi)。

（2）當(dāng)潤滑供油管道內(nèi)充滿油液后，啟動高壓交流頂軸油泵，高壓頂軸油泵自潤滑供油管道內(nèi)抽油，經(jīng)高壓油泵加壓，將輸出壓力控制到調(diào)定值，經(jīng)過調(diào)定壓力的高壓油分兩路經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥分流，輸送至頂軸供油管道內(nèi)。

（3）潤滑油泵采用“兩交一直”的組合形式。兩臺交流潤滑油泵互為備用，直流潤滑油泵作為緊急供油泵存在，置在潤滑供油管道上并聯(lián)了4 只皮囊式蓄能器，主要用于在交直流潤滑油泵切換過程中補充因直流油泵啟動延時造成的流量缺失。

（4）頂軸油泵亦采用“兩交一直”的組合形式。兩臺交流頂軸油泵互為備用，直流頂軸油泵作為交流頂軸油泵的備用泵存在。

2.2 基本結(jié)構(gòu)

潤滑油集裝裝置按功能由兩部分構(gòu)成：低壓潤滑冷卻系統(tǒng)，高壓頂軸系統(tǒng)。低壓潤滑冷卻系統(tǒng)油液由低壓離心泵自潤滑油箱吸油，經(jīng)冷卻、過濾后由低壓潤滑管道輸送至軸承潤滑點；高壓頂軸系統(tǒng)油液由低壓供油管道吸油，經(jīng)調(diào)壓、分流后輸送至軸承高壓頂軸點。該裝置外形圖見圖1。

3 調(diào)相機油路潤滑油電氣控制邏輯

3.1 集裝裝置低壓油泵控制邏輯

集裝裝置是在潤滑系統(tǒng)油箱液位滿足運行要求的情況下可以進入運行狀態(tài)。在得到DCS 啟動信號后，低壓主油泵啟動，啟動完成后，延時數(shù)秒，循環(huán)檢測泵口母管壓力，當(dāng)壓力（泵口母管壓力開關(guān)進行二取一判定）低于壓力設(shè)定值時啟動備用油泵，壓力高于壓力設(shè)定值（泵口母管壓力開關(guān)進行二取一判定）延時數(shù)秒停備用泵。

圖2 潤滑油集裝裝置外形圖

若低壓主油泵出口壓力持續(xù)數(shù)秒低于壓力設(shè)定值(泵口壓力開關(guān)持續(xù)處于該狀態(tài))，則判定低壓主油泵故障，自動觸發(fā)低壓主油泵故障報警信號，控制器將發(fā)出置換主泵的信號，同時，將當(dāng)前備用泵置換為主泵。

若在潤滑油站運行過程中，軸承潤滑供油壓力低于壓力設(shè)定值時，低壓供油母管上設(shè)置的三冗余壓力開關(guān)（供油口壓力開關(guān)進行三取二判定）將發(fā)出重故障低壓報警，同時，發(fā)出主機（調(diào)相機）停機信號，同時啟動直流事故油泵，二通電磁插裝閥1MAV70BH001 失電，蓄能器進入工作狀態(tài)。

當(dāng)直流泵啟動后數(shù)秒，循環(huán)檢測直流泵出口壓力，當(dāng)直流泵口壓力開關(guān)達到壓力低點延時數(shù)秒后，判定潤滑系統(tǒng)直流泵故障，只做報警處理，但不停止其運行。

3.2 集裝裝置電加熱器控制邏輯

集裝油箱溫度（油箱內(nèi)鉑熱電阻進行二取一判定）小于等于設(shè)定溫度值時，控制加熱器啟動對油液進行加熱，油箱溫度（油箱內(nèi)鉑熱電阻進行二取一判定）大于設(shè)定溫度值時，加熱器停止加熱。加熱器投入運行一段時間后，停止加熱，溫度檢測未達到設(shè)定值，加熱器再次啟動。同時，在加熱器停止控制中，加入液位低信號，避免在油位低的狀態(tài)下加熱器運行，造成元件損壞。

3.3 集裝裝置板冷切換控制邏輯

軸承供油口的溫度采集，由供油口鉑熱電阻完成（三重化設(shè)置，溫度采集為三取均）；供油口的油溫通過進水口的電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷卻器進水量來進行自動控制。

當(dāng)單板冷工作時，檢測到供油溫度高于設(shè)定溫度值，進水口電動球閥（水系統(tǒng)）完全打開時，備用冷卻器投入運行( 若單臺板冷運行，當(dāng)電動球閥1MAV60AA103、1MAV60AA102、1MAV60AA104、1MAV60AA101 處于全開狀態(tài)時，則打開備用冷卻器的電動球閥1MAV60AA106、1MAV60AA105、1MAV60AA107、1MAV60AA108，控制備用冷卻器投入運行；反之，則控制方式一致)，通過與進水口的電動調(diào)節(jié)閥一起工作，達到穩(wěn)定的供油溫度。

當(dāng)兩臺冷卻器同時運行一段時間后后，備用冷卻器停止使用（對應(yīng)的電動球閥關(guān)閉），或者當(dāng)進水口電動球閥（水系統(tǒng)）完全關(guān)閉，備用冷卻器停止使用；當(dāng)再次檢測冷卻器出油溫度高于設(shè)定溫度值，進水口電動球閥（水系統(tǒng)）完全打開時，重新打開備用冷卻器。當(dāng)供油溫度高于高溫報警設(shè)定溫度值時，將發(fā)出供油溫度高報警，同時，觸發(fā)預(yù)報警故障，提醒操作人員進行故障排查。

3.4 潤滑油集裝裝置頂軸高壓泵控制邏輯

頂軸裝置高壓泵進油口壓力開關(guān)1#（交流主泵）、2#（交流備用）、3#（直流）分別保持壓力高點。若壓力開關(guān)1#（交流主泵）壓力高點在數(shù)秒內(nèi)出現(xiàn)，可啟動交流主泵；當(dāng)壓力開關(guān)1#（交流主泵）壓力高點在數(shù)秒內(nèi)未出現(xiàn)，2#（交流備用）壓力高點出現(xiàn)，在壓力開關(guān)1#（交流主泵）壓力高點在數(shù)秒內(nèi)未出現(xiàn)的情況下，啟動交流備用泵；同時，檢測壓力開關(guān)3#（直流）壓力高點是否出現(xiàn)，若1#（交流主泵）、2#（交流備用）壓力高點在各自的檢查時間內(nèi)均未出現(xiàn)，壓力開關(guān)3#（直流）壓力高點出現(xiàn)，啟動直流頂軸泵。

3.5 集裝裝置液位開關(guān)檢測邏輯

集裝油箱液位報警按三取二原則。

集裝油箱液位過高報警：先開啟電動球閥1MAV50AA102和JMAV20AA105，然后，啟動潤滑油輸送泵，將潤滑油液輸送至貯油箱凈油室至潤滑油箱液位高點，停止?jié)櫥洼斔捅茫缓螅訇P(guān)閉相應(yīng)電動球閥。

集裝油箱液位正常：關(guān)閉潤滑油輸送泵，然后，關(guān)閉1MAV50AA102 和JMAV20AA105 電動球閥停止充油（備注：此過程適用于潤滑油箱補油工況，若潤滑油箱未處于補油工況，除了油箱進水，潤滑油集裝裝置正常工作時，不會出現(xiàn)報警）。

集裝油箱液位低報警：開啟電動球閥JMAV20AA101、1MAV50AA101，1MAV26AA160，然后，開啟潤滑油輸送泵開始向潤滑油箱補油，補油至潤滑油箱液位高點停止（按上述步驟2 控制）。

3.6 集裝裝置頂軸裝置高壓泵控制邏輯

頂軸油泵只有在高壓泵口的壓力開關(guān)達到壓力高點時，對應(yīng)的高壓油泵才能啟動。

在收到DCS 啟動信號后，高壓主油泵運行；高壓主油泵啟動完成后，延時數(shù)秒，循環(huán)檢測泵口母管壓力，當(dāng)壓力（泵口母管壓力開關(guān)進行二取一判定）低于壓力設(shè)定值時啟動備用交流頂軸油泵，若備用交流頂軸泵啟動數(shù)秒后壓力仍低于壓力設(shè)定值，啟動直流備用頂軸泵。

當(dāng)啟動備用泵后，壓力（泵口母管壓力開關(guān)進行二取一判定）達到高點，延時數(shù)秒停備用泵；如果頂軸工作油泵出口壓力(泵口壓力開關(guān)持續(xù)處于該狀態(tài))達到壓力低點，持續(xù)一段時間后，判定頂軸工作油泵故障，自動觸發(fā)該油泵故障報警信號，控制器將發(fā)出置換主泵的信號，同時，將備用泵置換為主泵。

4 調(diào)試與優(yōu)化

初次安裝的潤滑油集裝裝置，必須按此要求：潤滑回路和頂軸回路分開調(diào)試，先調(diào)試潤滑回路，調(diào)試正常后，再進行頂軸回路的調(diào)試；待機械系統(tǒng)調(diào)試正常后進行自動化元件調(diào)試與標(biāo)定，最后，與電氣聯(lián)調(diào)。

合理的運行維護是保障裝置長期有效工作的必要工作，集裝裝置需要按表1 進行例行巡檢及維護。

5 結(jié)語

調(diào)相機轉(zhuǎn)子作為高速旋轉(zhuǎn)的大型部件，在機組工作時，需要提供潤滑油在軸承上形成連續(xù)的油膜，轉(zhuǎn)子在這層油膜上轉(zhuǎn)動才能避免主軸與軸承直接接觸造成燒瓦。同時，由于轉(zhuǎn)子的傳熱、軸承面的摩擦以及潤滑油自身的紊流，會產(chǎn)生大量熱量，需提供更多的油量對軸承進行冷卻。本文介紹了300MVar 大型同步調(diào)相機的兩大潤滑油路系統(tǒng)的原理及設(shè)計方法，并對油路系統(tǒng)的機電控制邏輯進行了優(yōu)化。

（1）主潤滑回路主要指潤滑油集裝裝置，該裝置提供調(diào)相機正常運轉(zhuǎn)時所需要的頂起主軸的高壓油及潤滑冷卻軸承的低壓潤滑油；輔助回路主要指由貯油箱、潤滑油輸送泵、凈油裝置等構(gòu)成的輔助系統(tǒng)。

表1 集裝裝置運行維護項目

（2）潤滑油集裝裝置是保證調(diào)相機正常工作的基礎(chǔ)設(shè)備。該裝置通過輸油管道向調(diào)相機輸送用于頂起主軸的高壓油及用于潤滑冷卻軸承的低壓油，該裝置先于主機工作而工作，晚于主機停止而停止，向主機提供連續(xù)穩(wěn)定的潤滑介質(zhì)，內(nèi)配置了完善的自動化控制設(shè)備，監(jiān)控裝置運行狀態(tài)并實現(xiàn)了裝置的高自動化要求。

（3）本文設(shè)計的潤滑冷卻系統(tǒng)用以保證調(diào)相機的正常工作，提升主潤滑回路的運行可靠性并延長其運行壽命。