清遠抽水蓄能機組高壓油頂起系統

唐鳳姣

（東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

1 前言

作為立式水輪發電機重要的承載部件，推力軸承性能的的可靠性直接影響到機組運行的安全穩定性。機組運行時，隨載荷和轉速的變化，推力軸瓦沿機組旋轉方向產生傾角，在鏡板與推力軸瓦之間形成楔形油膜，用以承載機組全部軸向載荷。在機組起動、停機過程的低速區，因轉速低，油膜建立困難，在推力鏡板與推力瓦之間會處于干摩擦或半干摩擦狀態[1]，此狀態下巴氏合金瓦面的摩擦系數會達到0.1～0.3甚至更高，摩擦力及瓦面摩擦損耗急劇上升導致瓦面磨損甚至引起燒瓦事故。因此，巴氏合金瓦推力軸承須設置推力軸承高壓油頂起裝置（以下簡稱高頂），在機組起動、停機過程中投入高頂以強制建立油膜，降低摩擦系數，確保推力軸承和機組起停機安全。

抽水蓄能機組通常具有高轉速大容量的特點，為滿足機組發電/抽水雙向旋轉的需要，推力軸承支撐為中心對稱支撐結構，相對常規機組的偏心支撐結構，推力軸承油膜建立更困難，油膜厚度會更小[1]。因此，對于抽水蓄能機組，高頂裝置從系統控制設計、系統參數選擇到安裝調試都需更嚴格的要求。

2 高頂系統設計要點

推力瓦面油室壓力和頂起量是高頂裝置設計的關鍵因素，油室壓力表征了高頂系統的承壓能力，頂起量表征了高頂系統的抬升能力。

為有效頂起轉動部件，需在推力瓦表面加工出凹槽形成高壓油室。油室的形狀和尺寸要綜合考慮頂起和對軸承潤滑性能的影響，增大油室直徑可以降低頂起時的接觸面壓，但油室的存在不利于瓦面楔形油膜的建立，一定程度上會降低軸承的承載能力，油室直徑越大，對軸承承載能力的不利影響也越大。圖1是清遠推力軸承的潤滑解析結果，可以看出，由于油室的影響，推力軸承油膜壓力沿徑向和周向均有明顯的降低突變，表明高頂油室的設置降低了該處軸承油膜的承載能力。油室一般為圓形和圓環型，采用圓形油室時，油室直徑d的取值與推力瓦周向內切圓直徑D成一定的比例關系，直徑比一般滿足 0.2＜d/D＜0.4[1]或0.15＜d/D＜0.25[2]的關系。對于抽水蓄能機組，考慮推力軸承油膜建立相對困難的特性，建議采用較小的油室直徑比。

圖1 清遠機組推力軸承潤滑特性曲線

頂起量是高頂投入后，在推力鏡板與推力瓦之間形成的油膜厚度，反映了機組轉動部件的抬升量。理論上講，頂起量越大，機組起動、停機過程的安全可靠性越大，但需要的油量也隨之增加。

因此，頂起量的設定要綜合考慮系統的安全性和經濟性。為運行可靠，推力軸承最小油膜厚度要求≥0.03 mm，對于常規水輪發電機，頂起高度宜＞0.05 mm[3]，一般設計頂起量≥0.06 mm。對于抽水蓄能機組，需充分考慮雙向旋轉、工況轉換頻繁、油膜建立困難的運行特點，適當增大頂起量，機組頂起高度宜≥0.08 mm[3]，考慮設計安裝偏差，應適當增加頂起高度設計值。

3 清遠高頂系統設計

3.1 系統組成

高頂系統主要由液壓管路系統和油泵電氣控制系統組成。液壓管路系統主要由1臺交流電機M1（AC380 V，配一臺高壓齒輪泵P1），1臺直流電機M2(DC220 V，配一臺高壓齒輪泵P2)，循環管路，閥門、濾油器及壓力開關等自動化元器件等構成，2套油泵組互為備用，參見圖2高頂系統圖。整個高壓油系統的油路可以細分為3路，①路為從油槽到高壓油泵的低壓油路；②路為從溢流閥到油槽之間的溢油油路，當電機故障等導致系統壓力超過設定值時，溢流閥開啟泄壓以達到保護油泵及管路上各元器件的作用；③路為從油泵到推力瓦之間的高壓油路，高壓油路上設置壓力開關和壓力變送器，實時監控高頂系統的壓力，電氣控制系統根據接收的開關信號判斷控制高頂系統的啟動狀態并傳遞給監控系統。每塊推力瓦支路均配置1只流量調節閥和1只單向閥，調試時通過調整流量調節閥的開度以調整各支路油量分配均勻。

圖2 高頂系統圖

高頂系統啟動和退出均設置手動和自動控制兩種功能。油泵電氣控制系統控制高頂系統的自動啟動和退出，抽水蓄能電站機組工況多且轉換頻繁，在工況轉換過程中，機組轉速有變化的過程均應投入高頂系統，工作流程為：

（1）靜止→發電/抽水調相等運行工況，應先測試確定直流高壓泵正常，高頂控制系統收到開機啟高頂指令，首先啟動交流泵，機組升速到95%額定轉速后退出高頂，如啟動過程中交流泵發生故障則自動切換至直流高壓泵，直至機組升速到95%額定轉速后退出高頂。也可通過先啟動直流高壓泵，在建壓成功后停直流高壓泵切換至交流高壓泵，以檢測確定直流高壓泵正常[4]。

（2）發電/抽水/抽水調相等運行工況→靜止，高頂控制系統收到停機開啟高頂指令（機組降速到95%額定轉速），直接啟動交流泵，機組降速到1%額定轉速后延時退出高頂，如啟動過程中交流泵發生故障則自動切換至直流高壓泵，直至機組降速到1%額定轉速后延時退出高頂。對常規機組，機組停機后高頂退出不設延時或設短暫延時如延時1 min，抽水蓄能機組一般按延時30 min退出高頂[4，5]。

（3）抽水工況→發電工況，機組旋轉方向發生改變，按機組運行工況→靜止→運行工況的過程投入高頂系統，高頂控制系統收到停機開啟高頂指令后啟動高頂，機組降速停機再升速至95%額定轉速后退出高頂。

（4）發電工況→發電調相工況，抽水工況→抽水調相工況，為保證工況轉換過程機組運行穩定，宜投入高頂系統，在工況轉換完成并穩定后即可退出高頂系統。

3.2 高頂系統參數確定

為確保高頂系統滿足抽水蓄能機組各種運行工況的需要，高頂系統的設計需充分考慮加工、制造、安裝的偏差以及長期運行后高壓油泵性能下降的影響，適當提高高壓油泵的設計裕度[4]，避免機組運行一段時間后，系統壓力不穩定或壓力下降。

清遠高頂系統基本參數如下：

推力瓦徑向長度為455 mm，綜合考慮高頂油壓作用的穩定性并盡量降低瓦面油室對軸承動壓油膜的不利影響，采用了圓形槽加徑向條形油溝的油室結構，油室直徑比為0.13，油室形狀見圖3。

圖3 油室結構

綜上所述，抽水蓄能機組運行工況復雜，推力軸承動壓油膜建立相對困難，應適當增加高頂頂起量，根據經驗，清遠機組高頂頂起量提高到0.11 mm。需要的油量計算公式如下：

其中：Qr，系統必要流量，L/min；n，推力瓦數量；ho,計算頂起量，mm；Pra，油泵額定壓力，kg/cm2；μ，潤滑油動力粘度，kg·s/m2；B,推力瓦周向平均寬度，mm；L，推力瓦徑向長度，mm；lo，條形油溝總長度（含圓形油室），mm。計算Qr=51 L/min,考慮溢流量及設計余量，取Qr=54 L/min。需要的電機功率為20.6 kW，選擇標準電機功率22 kW。

4 高頂系統的現場調試

對單向旋轉的常規機組，高頂系統調試時，一般高頂系統壓力穩定，實際監測的頂起量在0.05 mm以上就認為調試合格，對系統壓力不做特別要求，常有系統實際壓力與設計值偏差較大的情況出現，但在保證壓力穩定，頂起量合格時，不會影響軸承運行的安全性。而對于抽蓄機組，高頂系統的壓力和流量均要嚴格要求，高頂系統壓力下降引起高頂投入失敗甚至推力瓦面、鏡板面磨損的事故時有發生[6]。

4.1 清遠電站高頂系統調試目標

（1）系統壓力：系統設計壓力13.7 MPa，系統壓力整定值定為≥10.8 MPa；

（2）系統流量：各推力瓦支管流量偏差在±5%以內，考慮溢流量=6 L/min，清遠高頂系統的支管流量為q=(54-6)/12=4 L/min，支管流量要求為3.8～4.2 L/min；

（3）轉動部件頂起量：設計頂起量0.11 mm，考慮管路溢流影響，系統壓力10.8 MPa以上時，頂起量≥0.08 mm。

4.2 調試方法和注意事項

（1）通過調整溢流閥的開度對系統壓力進行調整，反復調整各支路流量調節閥使系統壓力和轉子頂起量達到要求值；

（2）充水前后水推力的變化會影響系統的壓力-流量平衡關系，如在充水完成調試，可能會出現機組起動后高頂系統壓力降低導致機組起動失敗的事故[7]，建議盡量在機組充水后進行高頂系統的調試；

（3）為確保測量數據的可靠，建議在轉子和水輪機主軸處均設置百分表等頂起量測量裝置。

清遠1號機調整后各支路流量如表1，流量偏差在±3%范圍內，達到調試目標要求。

表1 各支路流量統計L/min

油槽充油后進行高頂油泵頂起試驗，系統壓力和頂起量均達到目標要求，參見圖4。

圖4 高頂系統壓力-頂起量曲線

5 結語

鑒于抽水蓄能機組推力軸承支撐采用中心對稱支撐，運行時工況轉換頻繁、雙向旋轉及推力軸承設計參數高的特性，適當提高軸承高頂頂起量設計裕度，并且在系統調試時，同時確保高頂系統的壓力和頂起量是很有必要的。