仙居抽水蓄能電站鏡板泵外循環及密封故障處理

楊仕福，張全勝，鄭小康，黃智欣，趙志文

（1.東方電氣集團東方電機有限公司，四川德陽 618000；2.國網新源控股有限公司，北京 100761；3.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江仙居 317300）

仙居抽水蓄能電站鏡板泵外循環及密封故障處理

楊仕福1，張全勝2，鄭小康1，黃智欣1，趙志文3

（1.東方電氣集團東方電機有限公司，四川德陽 618000；2.國網新源控股有限公司，北京 100761；3.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江仙居 317300）

浙江仙居抽水蓄能電站發電電動機單機容量375MW，額定轉速375r/min。本文介紹了仙居電站發電電動機鏡板泵外循環系統理論、結構與試驗驗證，及實際運行中鏡板泵集油槽密封故障的處理。高速機組鏡板泵具有泵壓高的特點，需要加強泵的密封及密封結構的強度，進一步提高泵密封結構的可靠性。

抽水蓄能電站；鏡板泵外循環；密封

0 引言

浙江仙居抽水蓄能電站位于浙江省仙居縣。電站安裝4臺單機容量375MW的發電電動機，機組額定轉速375r/min，飛逸轉速555r/min。

機組為半傘式結構，推力軸承布置于轉子下方，下導軸承與推力軸承共用一個油槽。機組轉速高，損耗大，宜采用外循環結構。

機組下機架安裝空間受限，推力下導外循環冷卻系統布置于機坑外。由于仙居機組轉速高，軸承損耗大，需要的油循環油量大。高轉速機組鏡板泵油壓頭高，能滿足仙居機組軸承循環油冷卻用流量。仙居機組采用鏡板泵外循環結構。

1 鏡板泵外循環結構

1.1 鏡板泵的基本理論及特點

1.1.1 基本理論

鏡板泵是在推力軸承轉動部件鏡板或推力頭上開數個徑向直泵孔或斜泵孔[1]，見圖1。鏡板外緣裝有集油槽（相當于一般油泵的蝸殼），用以匯集泵出的熱油，然后送入冷卻循環管路。熱油經冷卻器冷卻后送回油槽，完成油槽的熱交換，將油槽油溫穩定在一定值，以保證軸承的安全運行。

圖1 鏡板泵孔Fig.1 Mirror plate hole pump

機組轉動之前，鏡板整體浸泡在潤滑油中；機組轉動時，充滿于泵孔（見圖2）中的潤滑液在離心力的作用下，從內徑被甩向外徑，經集油槽排至外循環管路中。與此同時，在泵的內徑處形成了低壓區，油在液面大氣壓力的作用下，從油槽內徑側流入鏡板泵孔。鏡板不斷轉動，油就不斷地流入，又從泵不斷流出，這樣鏡板泵即可源源不斷地送油了。

圖2 鏡板泵原理結構Fig.2 Mirror plate pump structure principle

按照流體力學理論，鏡板泵空載壓頭見式（1）。

式中：ko——泵壓頭系數；

ρ——潤滑油密度；

vi，vo——鏡板內外徑線速度。

鏡板泵工作壓頭見式（2）。

式中：K1——泵流量系數；

A——泵孔橫截面積；

Q——管路流量。

管路阻力見式（3）。

式中：Z——管道阻力系數。

泵特性曲線與管路阻力曲線交點（見圖3）即為泵工作點。從式（1）可以看出，當機組轉速越高，泵壓頭會越高。從圖（3）可以看出，循環系統工作點壓力不僅與泵尺寸、轉速相關，也與管路及管路元件阻力密切相關。如果冷卻器阻力差異大，也必然會導致外循環系統工作點壓力變化大。管路阻力越小，循環系統工作點壓力越低。

圖3 鏡板泵P-Q曲線Fig.3 Mirror plate pump P-Q curve

1.1.2 鏡板泵外循環的特點

相較于外加泵外循環，鏡板泵外循環具有以下特點：

（1）可靠性高。

鏡板泵是利用機組轉動部分動力驅動油循環的結構，與機組運行同步工作：機組轉動，循環系統開始工作；機組停機，循環系統停止工作。

（2）結構簡單。

鏡板泵油槽外結構僅有管路、閥門、冷卻器，而無外加泵結構電動機、油泵、控制柜等輔助設施。

（3）自適應性強。

鏡板泵流量與機組轉速自動匹配。機組轉速高，損耗大，鏡板泵壓頭高、流量大；機組轉速低，軸承損耗小，鏡板泵壓頭低，流量小。

正是由于鏡板泵的這些特點，近些年鏡板泵技術在水力發電機組上得到了廣泛的應用[2]、[3]。

2 仙居推導外循環結構

2.1 仙居推力導外循環設計參數

仙居推力軸承[4]鏡板泵外循環設計參數如下：

表1 鏡板泵外循環參數Tab.1 Mirror plate outside circulation pump parameters

2.2 仙居鏡板泵外循環結構

仙居推導外循環系統圖見圖4。由于仙居機組采用半傘式結構，推力軸承布置在電機轉子下方。按常規結構，將推導油槽全部布置在基坑內，推力軸承檢修空間會非常狹小。為便于檢修，需留出檢修空間，將冷卻器集裝布置在機坑外，同時減小了機坑內油槽容積，在基坑外增加了兩個外置油槽。鏡板泵機坑內結構見圖6，從泵集油槽引出的12支路流出的壓力油通過環管匯集，進入冷卻系統。經過冷卻器的冷油再經過環管，從并聯的12支路進入推力油槽。為保證導瓦的冷卻，將下導瓦布置在集油槽內，集油槽結構見圖6。

2.3 鏡板泵外循環廠內試驗驗證

為驗證仙居鏡板泵性能，在東方電機有限公司高速軸承試驗臺上對推力軸承進行了試驗驗證。試驗推力軸承與真機推力軸承按1：1設計，除了進行推力軸承試驗外，還進行了鏡板泵外循環冷卻試驗。

鏡板泵試驗需要驗證的是鏡板泵的流量是否能達到循環系統所需流量。由于試驗臺鏡板的尺寸與真機尺寸不同，故需要按真機泵最大壓頭對試驗臺軸承轉速進行換算。按照換算，試驗臺轉速與真機轉速對應關系見表2。表2顯示，試驗轉速325r/min，即達到真機375r/min所需壓頭。

圖4 仙居推導外循環系統圖Fig.4 Xianju figure outside loop system is derived

圖5 仙居鏡板泵外循環結構Fig.5 Xianju mirror plate outside pump circulation structure

圖6 鏡板泵集油槽Fig.6 Mirror plate oil pump set

表2 試驗轉速與真機轉速對應表Tab.2 Speed and the real machine test speed corresponding

圖7為試驗外循環管路系統，圖8為試驗推力軸承與鏡板泵外循環管路。

圖7 外循環管路系統Fig.7 Outside circulation piping system

圖8 鏡板泵外循環管路Fig.8 Mirror plate outside pump circulation line

圖9為實測試驗臺鏡板泵流量隨轉速變化的曲線，圖10為實測試驗臺鏡板泵壓頭隨轉速變化的曲線。

試驗顯示，在各種轉速下，鏡板泵運行平穩。轉速低時，泵流量小，壓頭小。試驗中沒有出現任何斷油的工況，這與計算結果相一致。即使在低轉速，雖然壓頭低，泵流量小，但流速低，管路阻力也小，管路與泵始終自動匹配工作。

圖9 鏡板泵試驗流量隨轉速變化曲線Fig.9 Mirror plate pump test flow change with speed curve

圖10 鏡板泵試驗工作壓頭隨轉速變化曲線Fig.10 Mirror plate pump pressure head along with the speed change curve test work

2.4 仙居電站鏡板泵實際運行結果

機組啟動后，鏡板泵熱油管路壓力0.2MPa左右。外循環熱油溫度24.8℃，冷油溫度17℃，最高推力瓦溫69.2℃，最高下導瓦溫56.3℃（2016年5月2日運行數據），數值在設計要求內。

3 鏡板泵密封故障的處理

3.1 鏡板泵密封磨損及處理

2015年12月，機組在首次啟動時，鏡板泵一直不能建壓。最初分析認為油槽油位過低，加285L左右潤滑油，后機組啟動后，水車室出現甩油。停機后拆出鏡板泵集油槽密封蓋，發現密封蓋上翻，且密封塊磨損，油槽內出現棉絮狀非金屬物。

分析認為，棉絮狀非金屬物為鏡板泵密封塊磨損物。磨損乃是由于密封塊頂緊彈簧壓力過大引起。由于磨損，接觸端面發熱嚴重，密封塊熱脹系數大，導致密封間隙擴大而失效。

根據分析，改造方案一為更換剛度較小的密封塊隨動彈簧。方案二是換用廠內試驗用過的鋁青銅作為基體，表面鑲嵌耐磨密封條的結構。

更換密封塊后，機組啟動，鏡板泵建壓成功。管路油壓力為0.2MPa，循環系統工作正常。

3.2 鏡板泵上密封蓋把合螺栓斷裂分析及處理

1號機組在運行3個月后，監控發現油槽油溫上升，遂停機檢查，發現鏡板泵上密封蓋把合螺栓斷裂。拆開油槽，統計鏡板泵集油槽上密封蓋把合螺栓（M12）斷裂20余顆。

為分析螺栓斷裂原因，調取電站鏡板泵油壓實測數據，見圖11。壓力測點布置在泵集油槽出口對稱180°兩支管上。鏡板泵在穩定工況下兩個壓力測點測出的出口壓力為216.87kPa 和215.02kPa，油壓存在脈動。油壓脈動主要含2 種成分，頻譜分析為75Hz 和150Hz。其中75Hz為1 倍泵孔通過頻率，該頻率為鏡板泵孔（泵孔數為12個）所激發的特征頻率，其幅值為2.84kPa 和3.91kPa。150Hz為2 倍泵孔通過頻率，實際壓力脈動幅值分別為3.81kPa和5.35kPa。

原設計按靜強度考核螺栓，螺栓靜強度最大應力為382.9MPa。低于螺栓的材料屈服強度640MPa。為更深入分析螺栓斷裂的原因，對上密封蓋建立剛強度計算模型，見圖12，采用壽命計算模式，變形結果見圖13，壽命計算結果見表3。

圖11 鏡板泵出口壓力脈動時頻圖Fig.11 Line pressure monitoring

圖12 上密封蓋計算模型圖Fig.12 Cover gasket on the calculation model figure

圖13 上密封蓋-機架變形（單位mm）Fig.13 On the sealing cover - frame deformation

表3 上密封蓋把合螺栓計算結果Tab.3 Plug on the bolt calculation results

計算結果顯示，上密封蓋在油壓作用下，最大變形上翹1mm。在壓力波動下，M12螺栓壽命僅為121h。顯然在壓力波動下，螺栓會出現疲勞斷裂。

根據分析計算結果，需要降低螺栓的應力，才能增大螺栓的疲勞壽命。改進方案為增加96顆M16把合螺栓，降低螺栓應力。若機組每天啟停8 次，每天運行13h，該結構M12螺栓壽命為403.1 年；M16螺栓壽命為285.5 年，滿足機組長期運行要求。

4 對高速機組采用鏡板泵的一點看法

從試驗來看，高速機組鏡板泵泵壓較高，這與理論計算相符。國內高速機組采用鏡板泵較少，主要焦點均集中于壓力過低，是否能滿足循環需要。但實際運行，反而是由于泵壓過高而導致的密封失效。從已有報道來看，鏡板泵故障大都由于密封失效[5]引起。

近些年，隨動式密封由于其密封效果好而在機組中大量采用，這種形式密封在中低速機組鏡板泵上運行良好。但在高速機組上采用，由于密封處線速度高及密封壓力高，對密封結構提出了更高的要求。優化密封結構，可以進一步發揮高速機組鏡板泵的優勢。

5 結束語

通過對仙居抽水蓄能機組鏡板泵的分析以及試驗，顯示高轉速機組鏡板泵具有泵壓高的特點，這與中低速機組是不同的，更利于油循環的建立。但泵壓高對泵密封性能及結構強度提出了更高的要求。通過對鏡板泵密封故障的處理，改進密封結構并加強密封結構強度，進一步提高了泵密封結構的可靠性。

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Runner Pump External Cooler Structure of the Xianju Pumped Storage Power Station and the Processing of Seal Failure

YANG Shifu1，ZHANG Quansheng2，ZHENG Xiaokang1，HUANG Zhixin1，ZHAO Zhiwen3
（1.Dongfang Electrical machinery Co.，Ltd，Deyang 618000，China 2.State Grid XinYuan Company LTD，Beijing 100761，China，Zhejiang Xianju Pumped Storage Power Station，Xianju 317300，China）

The rated speed of the Xianju pumped storage power station generator motor is 375r/min，and its rated unit capacity is 375MW.This paper introduces the runner pump theory，structure，the verification test on the thrust bearing test rig，and the solution to seal failure in the equipment operation。The high-speed runner pump pressure is high.To further improve the reliability of the pump seal structure，so it is necessary to improve the sealing performance and its strength.

pumped storage power station； runner pump external loop； pump seal

TV735 文獻標識碼：A 學科代碼：570.3520 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.005

2016-9-22

楊仕福（1969—），男，四川大邑人，1992年畢業于蘭州交通大學機械設計及制造專業，西安交通大學在讀博士，東方電氣集團東方電機有限公司高級工程師，主要研究方向：軸承設計及試驗。Email：shf_yang@sohu.com

張全勝（1968—），男，高級工程師。主要研究方向：水電廠生產管理。E-mail：quansheng-zhang@sgxy.sgcc.com.cn

鄭小康（1954—）教授級高級工程師。主要研究方向：水輪發電機設計。Email：xiaokang_zheng@163.com

黃智欣（1974—），高級工程師。主要研究方向：水力發電設計。Email：huangzhixin74@sina.com

趙志文（1972—），男，工程師。主要研究方向：水力發電設備。Email：zzw721228@126.com