某大型水電廠推力軸承外循環冷卻方式對比分析

鄒林峰，湯 馳，顧祥武，陳才龍

（中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

1 概況

該大型水電廠共安裝18臺單機出力770 MW水輪發電機組，其中1號～6號機組由哈爾濱電機廠有限責任公司生產（以下簡稱哈電機組），7號～9號機組由上海福伊特水電設備有限公司生產（以下簡稱福伊特機組），10號～18號機組由東方電氣股份有限公司生產（以下簡稱東電機組），所有機組均為全空冷立軸半傘式結構。3種機型均采用推力下導聯合軸承結構，分別采用導瓦泵、外加泵、鏡板泵外循環冷卻形式。

1.1 導瓦泵外循環冷卻系統結構及原理

哈電機組推力下導聯合軸承采用導瓦泵外循環冷卻方式。系統主要由導瓦泵、集油環管、冷卻器、監測元件、閥門及管路等組成。系統共配置18塊巴氏合金型自泵式下導瓦，整個系統的油流循環動力由旋轉的推力頭產生，實現油的自循環而無需外加油泵。導瓦泵由泵隙、滑動表面及油排出通道等組成。機組旋轉時，推力頭旋轉產生離心力，將附近的油帶動一起旋轉，使其通過瓦的泵隙和支撐面部分，由于瓦泵部分間隙較大，支撐面部分間隙較小，進入泵隙的油不能全部通過支撐面，因此，在泵隙進油孔處產生一定的油壓，迫使熱油進入油孔，通過18個下導瓦出油口管道匯至油槽外圍熱油環管，再經過6組（12個）油冷器進行冷卻，冷油匯入冷油環管后，經6根回油管再流向瓦塊，從而完成一個油循環。

1.2 外加泵外循環冷卻系統結構及原理

福伊特機組推力下導聯合軸承采用外加泵外循環冷卻方式。系統主要由2臺外循環泵（1臺工作，1臺備用）、6個冷卻器（4個工作，2個備用）、監測元件、閥門、管路及外循環泵控制柜等組成。油槽分為上、下2個腔，上腔為熱油區，下腔為回油區。熱油區設置若干根出油管，盡量保證熱油被均勻吸走。外循環泵將熱油吸入出油環管內，最終匯至出油總管進入外循環冷卻裝置進行熱交換，經冷卻后的潤滑油通過回油管流回油槽。

1.3 鏡板泵外循環冷卻系統結構及原理

東電機組推力下導聯合軸承采用鏡板泵外循環冷卻方式。系統主要由集油槽、冷卻器、二次監測元件、閥門及管路等組成。鏡板內部設有20個Φ50 mm徑向通道，當機組旋轉時，熱油被鏡板泵離心力甩出至集油槽，再通過油管進入12個設置在下機架支臂上的冷卻器冷卻。冷油通過匯油管進入油槽下方的環管中，再經過22個回油管進入油槽對推力下導軸承進行冷卻和潤滑。

2 3種冷卻方式冷卻效果對比

2.1 推力下導瓦重要定值

3種機型推力及下導瓦重要定值見表1所示。

表1 推力下導瓦重要定值

2.2 冷卻效果對比

實際運行情況表明，同類型機組推力及下導瓦溫度差異并不大，故以下分別以6F、7F、11F機組為分析對象，在機組穩定運行且機組出力和推力外循環冷卻水流量相近的條件下，采集同一時間段內1號～10號推力瓦及下導瓦運行數據進行對比分析。3臺機組推力瓦和下導瓦運行溫度見圖1、圖2所示。

圖1 推力瓦運行溫度

圖2 下導瓦運行溫度

從圖1可以明顯看出，東電機組11F（鏡板泵外循環）推力瓦運行溫度最低，其最高瓦溫僅61.9℃，低于一級報警值18.1℃；福伊特機組7F（外加泵外循環）推力瓦運行溫度最高，其最高溫度達69.7℃，僅比其一級報警值低5.3℃；哈電機組6F（導瓦泵外循環）推力瓦運行溫度位于前二者之間，其最高溫度為67.6℃，低于其一級報警值12.4℃。經計算，6F、7F、11F機組推力瓦平均運行溫度分別為65.6℃、69.0℃、60.2℃，7F機組比11F機組高出約8.8℃。

圖2表明，3種機型下導瓦運行對比情況與推力瓦類似，6F、7F、11F機組下導瓦運行最高溫度分別為47.5℃、48℃、40.2℃，平均溫度分別為41.1℃、46.9℃、39.4℃，7F與11F機組下導瓦平均溫度相差7.5℃。統計數據表明，3種機型下導瓦運行溫度均遠低于報警值。

3 3種冷卻方式運維成本對比

因推力外循環工作原理及結構不同，3種機型運維成本也不同。結合設備實際運行情況，就3種機型設備運行和維護成本對比分析如下。

3.1 運行成本比較

導瓦泵和鏡板泵均屬于自身泵外循環動力形式，不需要外加動力設備。此種外循環形式，首先減少了對相關設備的巡檢、定期試驗及輪換、倒閘操作等工作；其次，在機組開機運行時，不會因外循環動力設備故障而導致開機失敗，降低開機成功率；另外，機組運行過程中，也不會因外循環動力設備或電控系統故障而導致機組非計劃停運，減少了機組非計劃停運概率，也避免了因機組故障停運后的相關事故處理工作。

外加泵外循環冷卻方式與自身泵外循環冷卻方式相比，運行成本明顯增加。首先，在機組運行或備用時，應按照相關規定巡檢該系統動力及控制設備，確保設備的正常運行；其次，在系統設備故障、檢修和試驗時，需進行相應的倒閘操作；另外，在進行廠用電運行方式倒換時，為避免因外循環泵切換不成功而影響機組的安全運行，運行人員需要事先對相關運行機組外循環泵進行切換運行，再進行廠用電倒換操作。

3.2 維護成本比較

按照測量元件及回路缺陷、管路及閥門缺陷、循環泵及控制系統缺陷三種類型，統計該電廠自2013年7月投產發電至2019年7月推力外循環系統所產生的缺陷詳見表2所示。

表2 推力外循環系統缺陷統計表

測量元件及回路缺陷主要包括RTD損壞、傳感器接線松動和斷線、液位計發卡、液位開關損壞等。此類缺陷發生較多，統計時段內全廠共發生252次測量元件及回路缺陷，哈電、福伊特、東電3種機型發生率分別約為3.3次/臺·年、1.4次/臺·年、2.0次/臺·年。

管路及閥門缺陷主要為管路連接法蘭漏水、漏油、螺栓松動、閥門開裂等。此類缺陷相對較少，全廠6年內總計發生33次，3種機型均約0.3次/臺·年。

循環泵及控制系統缺陷僅福伊特機組所有，主要包括循環泵動力電源故障、軟啟動故障、電源監視繼電器故障、循環泵倒換失敗等。此類缺陷在6年時間內共發生6次，大約0.33次/臺·年，雖然故障率不高，但對機組安全穩定運行影響較大，缺陷處理相對復雜且耗時較長。其次，根據每年機組歲修要求，應對推力外循環泵及控制系統元器件、控制回路等進行全面檢查和相關試驗。另外，還應對相關備品備件進行管理和維護。總體而言，外加泵比自身泵外循環方式維護成本更高。

4 3種冷卻方式優缺點比較

根據3種推力外循環冷卻系統不同工作原理，結合設備實際運行情況及運維成本的對比分析，3種冷卻方式優缺點對比如下。

4.1 導瓦泵外循環冷卻優缺點

優點：①整個油循環系統動力由導瓦泵和旋轉的推力頭產生，無需安裝外部動力設備及相應二次監控元件，運行維護量小，投資成本相對較少。②機組運行時，系統能形成穩定的壓頭，運行可靠性高。③系統循環油流量隨機組轉速的升高而升高，在機組過速或飛逸工況下，將有更多的油對軸瓦表面進行潤滑，避免油溫及瓦溫過高，過速工況仍能安全運行。④與外加泵外循環形式相比，機組啟動準備時間少，且在系統電源事故情況下能使機組安全停機。⑤與鏡板泵相比，無集油槽密封問題，自身損耗較小，且取油位置較好。

缺點：①導瓦泵在低轉速機組上不適用，其使用條件要求推力軸承PV值較高，軸承尺寸較小。②導瓦泵外循環系統管路部件較多，結構較復雜，管理維護不便。③循環油流量與導瓦泵油槽尺寸、管路阻力密切相關，對設備制造和安裝工藝要求高。

4.2 外加泵外循環冷卻優缺點

優點：①外加泵外循環方式不受推力軸承PV值和軸承大小的限制。②系統對外部管路和元件的阻力要求不高。

缺點：①與自身泵外循環系統相比，外加泵外循環系統不但增加了動力設備及其控制系統，還必須儲備一定的備品備件，投入成本明顯增加。②由于整個系統設備種類及數量增加，系統故障概率增大，設備維護量更大。③一旦循環泵停運，機組推力瓦和下導瓦溫度將快速上升，若無法及時恢復正常運行，將導致機組事故停機或被迫停運。④由于系統設備增加，設備布置需要更大的空間，安裝及維護可能不便。

4.3 鏡板泵外循環冷卻優缺點

優點：①鏡板的旋轉產生循環動力，無需安裝外部循壞動力設備及其二次監控元件，結構簡單，降低了投資成本。②與機組運行同步工作，可形成穩定的壓頭。③拆卸推力瓦時無需拆卸冷卻器，且單個冷卻器拆卸和維修不影響其他冷卻器的正常運行。④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。⑤與外加泵形式相比，避免了外加泵故障致使機組事故停機或被迫停運的隱患。

缺點：①系統油循環壓力源大小與機組轉速密切相關，鏡板泵通常在高轉速機組上使用，要求推力軸承PV值高，軸承尺寸較小。②機組低轉速運行時，鏡板泵的揚程減小，油循環動力不足。③鏡板泵外循環冷卻系統結構復雜，故障診斷較困難。④循環油流的壓力和大小與集油槽密封、管路特性關系密切，對設備制造和安裝進度要求高。⑤鏡板孔的布置形式、數量、集油槽的形狀、面積和出口管路直徑等幾何參數，以及集油槽與鏡板孔的匹配問題對鏡板泵性能影響非常大。

5 結語

該水電廠自投產發電以來，沒有因推力瓦或下導瓦溫度越限而導致機組停運的事故發生，3種機型推力外循環系統運行參數均滿足設計要求。本文結合推力外循環系統實際冷卻效果、運維成本和結構優缺點的分析表明：鏡板泵、導瓦泵外循環冷卻方式在冷卻效果和運維成本方面優勢明顯，但其使用條件受到推力軸承PV值和軸承尺寸的限制，且對設備制造和安裝精度要求高，外加泵外循環形式應用廣泛，其使用主要受限于安裝空間，新電廠可根據實際情況合理選擇。