溧蓄推力軸承外循環系統噪聲和振動問題分析與處理

魏 力，章存建，高從闖，肖先照，王艷武，劉 宇，武倩倩，李 悅

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溧蓄推力軸承外循環系統噪聲和振動問題分析與處理

魏 力1，章存建1，高從闖1，肖先照2，王艷武2，劉 宇2，武倩倩2，李 悅2

（1. 江蘇國信溧陽抽水蓄能發電有限公司，江蘇 常州 211108；2. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

推力軸承外循環系統是水輪發電機重要的輔助設備之一，其性能的優劣直接決定著機組運行的穩定性。在溧蓄機組調試初期，發電電動機推力外循環系統噪聲達到103dB，振動幅值達到0.26mm，噪聲和振動嚴重影響到了機組的安全運行。本文以溧陽抽水蓄能電站發電電動機推力軸承外循環系統為研究對象，針對推力外循環系統在調試期間出現的噪聲和振動問題進行分析，并對外循環系統結構整改、增加消泡裝置和增加變頻器的實施效果進行了對比。最終結果表明：推力外循環泵系統增加變頻器降低轉速的方案在處理外循環系統的噪聲和振動問題具有顯著的效果。

抽水蓄能；發電電動機；推力軸承；外循環系統；噪聲；振動

0 前言

外加泵外循環系統是水輪發電機組重要的輔助設備之一，其運行的可靠性直接決定著軸承運行的安全穩定性。由于外加泵外循環系統具有油流量大、冷卻效果好和維護方便等優點，越來越多的大容量、高轉速的水輪發電機組采用這種冷卻方式。國內一些發電設備廠對外加泵外循環系統作了一些試驗研究，總結了一些經驗[1, 2]，但依然存在很大的不足。

隨著外加泵外循環系統的普遍采用，國內不少機組出現了外循環噪音和振動問題。以往處理方式大多是從推力油槽結構、外循環系統管路、加工處理外循環油泵以及更換外循環系統的泵和電機方面著手。這些方案結構復雜、經濟成本高，效果并不樂觀[3-5]。

本文通過對溧陽推力外循環系統電機增加變頻器來調整外循環泵的轉速，加長推力油槽內油循環時間，改善泵吸口負壓，最終徹底解決了外循環系統振動和噪聲的問題。

1 推力軸承及外循環系統結構

1.1 推力軸承結構

溧陽抽水蓄能發電電動機為半傘式結構，推力軸承位于轉子下方，推力和下導軸承共用一個油槽，為組合體結構[6, 7]。機組額定轉速為300r/min，額定推力負荷為815t，推力軸承配置12塊巴氏合金推力瓦，并配備有高壓油頂起系統和外加泵外循環系統。設置16塊巴氏合金導軸承瓦，采用球面支柱與機架座圈形成徑向支撐。油槽中部設置冷熱油隔板，隔板上方為熱油區域，下方為冷油區域。隔板貫穿均勻裝有12根Φ60mm的外循環系統的吸油管，在下機架下方形成環管，隔油板下方為外循環的回油環管。整個吸油管和回油管與外循環系統相連，與油槽一起形成整個封閉的循環系統。推力軸承具體結構如圖1所示。

圖1 推力軸承裝配

1.2 外循環系統結構

推力軸承配備一套外加泵外循環系統[8]。推力油槽的油量為16000L，外循環的油流量為6700L/min,工作壓力為0.6MPa。外循環設置兩套泵組，在運行過程中互為主備。其中油泵為螺桿泵，型號為TRQ7100R46U-7.14-V-W203，電動機的型號為M2QA-315S-4，功率為110kW，轉速為1490r/min，工作電源為380V/50Hz；外循環系統采用兩套板式換熱器，兩套油過濾器和兩套水過濾器，均為一套工作，另一套備用；吸油管管徑為DN250，由推力油槽內12根Φ60匯聚而成總管，回油管管徑為DN250，直接與推力油槽內環管相連，同時管路上設置有止回閥門、泄壓閥、溫度和壓力傳感器等部件。推力外循環系統布置在水輪機層的風罩外壁旁，泵的入口高層比推力油槽底部低約2.3m，底板上安裝有減振地腳，實物如圖2所示，系統原理如圖3所示。

圖2 推力外循環系統實物圖

圖3 推力外循環系統原理圖

2 外循環系統存在的問題

溧蓄電站6號、5號和4號機組在調試和投入商業運行前期均存在外循環系統泵噪聲和管路系統振動大的問題。泵的噪聲達到103dB，振動水平幅值達0.26mm（啟動另一套備用泵系統情況相同）[9]。系統中管路振動大導致閥門手柄振掉，法蘭連接螺栓松動等現象，儀表、傳感器接頭處出現滲油現象，人站在系統底板上明顯感覺腳麻。噪聲污染廠房環境，長時間對人的身心造成傷害[10]。問題較為嚴重，影響到機組的安全運行。

3 振動和噪聲問題分析

推力外循環出現如下現象：

（1）機組靜止時啟動外循環系統，泵電機整體的噪聲為85dB，聲音正常，符合泵和電機噪音相關標準要求。

（2）機組啟動，當機組的轉速達到110r/min之后，噪音和系統的振動變得明顯。機組達到額定轉速300r/min，振動和噪聲趨于穩定的103dB（6號、5號和4號機組大致相同）。

（3）機組停止15min，外循環系統泵的噪聲還未消失，對泵前端管路排油檢查，發現依舊有大量微小氣泡。

（4）泵前端吸油管上安裝的壓力表示數為－0.1MPa，泵出現吸空現象。

（5）啟動推力外循環系統，安裝在管路上的超聲波流量計顯示值和設計值6700L/min相當，隨著機組的運行，轉速的升高，超聲波流量計流量逐漸不穩，最終測不出數據。

（6）吸油管油流速為2.27m/s，整個油槽油循環一遍時間不到2.5min。

（7）泵身有消音通道，通過調節泵側面上、下兩個消音螺栓能將噪音降低到97dB，但消音螺栓調節量有限。

推力外循環系統油流量較大，推力油槽相對較小，管路管徑選擇不當，導致油流速較大。這些因素導致機組推力頭、鏡板旋轉產生的氣泡或者溶解在油中的微小氣泡來不及在油槽內釋放就被吸入到泵內。當油經過主螺桿和2個副螺桿嚙合區時，氣泡在負壓情況下潰滅，產生極大的壓強，對周圍物體產生強烈的沖擊。大量氣泡潰滅最終導致泵發出持續的噪聲和振動，這是泵噪聲和整個系統振動的本質原因。上述（3）、（4）、（5）和（6）所描述的現象能很好地印證這個觀點。此問題及現象與寶珠寺電站推力外循環系統以及惠州抽水蓄能水導軸承出現的問題為同一類型問題[3, 4]。

4 處理措施及結果

針對推力外循環出現的問題及現象，可采取的措施如下：

（1）增大推力油槽，或者增加副油箱。以此來增加油循環時間，讓油內混雜或者溶解的氣泡有時間釋放。

（2）增大吸油管管路直徑。管路截面要大于泵吸口截面，減少管路阻力，改善負壓情況。

（3）將推力油槽內12根Φ60mm的吸油管路高度降低，向油槽壁開斜坡口，并將推力頭上7個甩油孔封堵3個。

（4）將吸油管由豎直改為水平朝向油槽壁，并在吸油口與旋轉部件之間增加消泡裝置，將氣泡消除。

（5）泵組的電機為變頻電機，增加變頻裝置來改變電動機的轉速，從而改變螺桿泵的油流量，讓部分氣泡有時間在油槽內釋放。

鑒于目前機組的現有結構及調試情況，第（1）和（2）兩條處理措施花費時間長，成本也大，不予采納。第（3）條措施實踐證明毫無效果。第（4）條措施還未得到驗證，但是增加消泡板會增加泵前端管路的負壓，效果未必樂觀，并且在狹小的油槽內操作難度大。第（5）條措施首先在5號機組實施并得到了驗證（見表1）。隨后在其它機組實施，效果明顯。

表1 推力外循環變頻器方案試驗數據

通過變頻器將電動機的轉速控制在900r/min。機組運行2.5h，外循環系統噪聲和振動穩定，電動機外體溫度正常，機組推力瓦溫、下導瓦溫和油槽油溫均正常。緊接著做變頻器的升速試驗，從900r/min逐步升高到1490r/min，中間每個轉速停留10min。外循環系統整體的噪聲由89dB上升到103dB，泵的振動幅值由0.05mm上升到0.26mm，隨后，加變頻器的5號機組和沒整改的6號機組在相同水溫、相同工況、相同負荷熱穩定情況下做了對比試驗，結果為5號機推力瓦高出6號機2℃。

哈電根據測得的實際數據，對溧陽機組推力軸承潤滑重新計算。計算結果表明，加變頻器降低外循環流量（理論上流量降低到原先的60.4%），推力軸承在冷卻水溫為32℃條件下能長期穩定運行，熱穩定后的推力瓦溫不超過80°C，能滿足機組的安全運行并且有一定的裕度[11]。

5 結論

（1）變頻器作為降低油泵轉速進而降低噪聲的方案經過實際驗證，效果明顯，對今后類似問題的處理具有指導意義。

（2）推力油槽結構以及外循環管路系統需要與循環油流量匹配。

（3）需要進一步研究外循環油流量與推力瓦溫的關系，合理選擇外循環系統參數。

[1] 劉漢城. 大型水輪發電機推力軸承散熱方式探討──潤滑油外循環系統設計綜述[J]. 大電機技術, 1994(5):6-12.

[2] 李明宇, 武中德, 吳軍令. 大型水輪發電機推力軸承外加泵外循環冷卻技術[J]. 大電機技術, 2014(5):18-19.

[3] 王松林. 寶珠寺水電廠推力外循環系統振動問題的研究[J]. 四川水力發電, 1999(s1):73-76.

[4] 劉玉斌, 李德武. 惠州抽水蓄能機組水導軸承的改造[J]. 廣東電力, 2011, 24(11):115-118.

[5] 徐祝山. 寶珠寺水力發電廠技術改造工作回顧[J]. 四川水力發電, 2002, 21(2):1-7.

[6] 王艷武, 王建剛. 溧陽抽水蓄能電站發電電動機推力軸承設計[J]. 大電機技術, 2014(1):15-17.

[7] 吳軍令, 武中德, 范壽孝,等. 溧陽蓄能機組推力軸承試驗研究[J]. 大電機技術, 2014(1):41-44.

[8] 王書楓, 王艷武. 溧陽抽水蓄能電站發電電動機推力及下導軸承外循環冷卻系統設計[J]. 大電機技術, 2016(1):13-15.

[9] GB/T 29529-2013,泵的噪聲測量與評價方法[S].

[10] GB 18083-2000,以噪聲污染為主的工業企業衛生防護距離標準[S].

[11] 肖先照. 響水澗推力瓦溫偏高原因分析及處理[J]. 上海大中型電機, 2015(1):53-55.

Analysis and Process of the Noise and Vibration of Thrust Bearing Oil Out-circulation System For Liyang Pumped-storage

WEI Li1, ZHANG Cunjian1, GAO Congchuang1, XIAO Xianzhao2, WANG Yanwu2, LIU Yu2, WU Qianqian2, LI Yue2

(1. Jiangsu Guoxin Liyang Pumped-storage Power Generating Co., Ltd., Changzhou 211108, China;2. Harbin Electric Machinery Co., Ltd., Harbin 150040, China)

Thrust bearing oil out-circulation system is one of the most important auxiliary equipment, the merits of the performance of which determine the stability of unit operation. The noise of thrust bearing oil out-circulation system is up to 103dB, and the vibration amplitude is up to 0.26mm during the commissioning stage. In this paper, taking the structural feature of generator-motor thrust bearing oil out-circulation system for Liyang Pumped-storage Power Station as the object of the research, noise and vibration of thrust bearing oil out-circulation system during the commissioning stage are analyzed. The effect of adding defoaming plate and frequency converter in thrust bearing oil out-circulation system is shown. Final conclusion shows, increasing the frequency converter in thrust bearing oil out-circulation system has a significant effect on handling the noise and vibration.

pumped-storage; generator-motor; thrust bearing; out-circulation system; noise; vibration

TM301.4+2

A

1000-3983(2017)06-0022-03

2017-02-06

魏力（1978-），2001年畢業于南京工程學院發電廠及電力系統專業，現從事抽水蓄能電站生產運行管理工作，工程師。