基于在線數據的抽水蓄能機組推力油膜綜合厚度研究

鄭宏用，王振鑫，林文華，莊堅菱，林國慶

（福建仙游抽水蓄能有限公司，福建 仙游 351200）

0 引言

抽水蓄能電站是電力系統中的一種特殊電源，在電網中負責調峰填谷、調頻、調相和承擔系統事故備用等多種任務。隨著我國經濟的快速發展，電力負荷持續增長，峰谷差逐步加大，抽水蓄能電站是解決電力系統調峰問題及確保安全可靠運行的有效手段。但與常規水電站相比，抽水蓄能電站要求能在短時間內進行頻繁的工況轉換，以適應電網的用電需求。

大量的運行實踐表明，國外水力發電機組故障統計表明，約有50%～60%的機組故障由推力軸承引起，我國投產的抽水蓄能電站也曾發生過推力軸承瓦溫升高瓦面磨損的故障，這種現象如果惡化就會導致推力瓦燒瓦事故，造成這種現象的原因很可能是機組在低速旋轉時，由于推力油膜形成條件變差所致。常規的推力軸承油膜厚度監測使用光纖位移傳感器，本次研究數據使用GMH550推力軸承在線監測系統，系統能夠監測到推力軸承部件除推力瓦溫及油溫等基礎數據外，先進性的對推力瓦不水平、推力瓦不水平方位、推力鏡板不垂直度、推力鏡板不垂直方位、鏡板波浪度、推力油膜綜合厚度、鏡板抬機量等重要運行指標。本文將對監測內容中的推力油膜綜合厚度進行數據研究。

1 研究方案

1.1 推力油膜綜合厚度概述

通常在水輪發電機運行時，其轉動部分與軸瓦之間(即推力軸承瓦與推力軸承鏡板間，或者導軸承軸領與軸承瓦面間)由于軸承瓦的偏心值，使一定的油量流入瓦間形成一層楔形油膜，來保證軸承的可靠運行。這種楔形油膜厚度的大小，稱為軸承運行中的油膜厚度。在軸承設計中，保證軸承的可靠運行的最低油膜，稱為該軸承的最小油膜厚度。不同型號的機組，軸承的最小油膜厚度也是不一樣的。對于軸承運行的油膜厚度有以下幾個概念:

（1）軸承進口油膜厚度:指軸承運行時，沿順時針方向旋轉的軸承進口處的楔形油膜大小。

（2）軸承出口油膜厚度:指軸承運行時，沿順時針方向旋轉的軸承出口處的楔形油膜大小。

（3）最小運行油膜厚度:指軸承運行時，軸瓦某處的最小油膜。

（4）平均油膜厚度：指軸承運行時，軸瓦各處的油膜厚度的平均值。

而對于動壓油膜的形成需要滿足以下條件：

（1）相對滑動的兩表面間必須形成收斂的楔形間隙。

（2）被油膜分開的兩表面必須有足夠的相對滑動速度，其運動方向必須使潤滑油由大口流進，從小口流出。

（3）潤滑油必須有一定的粘度，而潤滑油的粘度又與推力瓦溫有密切的關系，溫度升高會使潤滑油粘度降低，形成的油膜承載能力就低。

結合到抽水蓄能機組，由于機組頻繁開停機，在機組停機降速過程中，在低轉速時油膜形成條件苛刻，容易造成油膜破壞，這樣就容易產生刮瓦的現象。再者，由于目前的抽蓄機組都是向著高水頭、高轉速、大容量的趨勢發展，推力軸承承受的軸向載荷偏大，就會導致推力溫度相較于常規機組溫度本身較高，進而導致潤滑油粘度降低，承載能力下降，因此在機組出現受力不勻時容易造成油膜破壞，導致燒瓦事故發生。

1.2 推力油膜綜合厚度理論算法

本次研究的國內某抽水蓄能機組，測量油膜厚度所使用的測點及安裝位置如表1所示。

表1 油膜厚度測點及安裝位置

（1）鏡板抬機量理論算法

假設推力軸承內鏡板下均布的抬機量傳感器安裝位置絕對固定無振動誤差。在機組高壓油頂起前記錄傳感器與鏡板間的間隙G0，以此記錄的間隙值為基準間隙值。

在機組轉速開始運行后，高壓油頂起，推力軸承內鏡板下抬機量傳感器探頭與鏡板距離增加，此時記錄傳感器與鏡板間的間隙為當前時刻傳感器與鏡板間的間隙G1。

則當前時刻鏡板抬機量L計算方法如下：

（2）最小油膜厚度理論算法

在機組高壓油頂起前記錄傳感器與鏡板間的間隙GA0、GB0及GC0。運行過程中抬機量波形中的最小值與基準值之差即為最小油膜厚度。即機組運行任意時刻，此時記錄傳感器與鏡板間的間隙為當前時刻傳感器與鏡板間的間隙G分別為GA1、GB1、GC1。

則當前時刻3只傳感器所測量鏡板抬機量L計算方法如下：

最大油膜厚度Hmax計算方法為：

最小油膜厚度Hmin計算方法為：

平均油膜厚度HAve計算方法為：

2 應用案例

2.1 案例分析

本次所研究數據，從測點安裝位置角度分析，現場軸向位移測點探頭所測量為鏡板上端面，因此后續測得油膜厚度的數值需進行取反操作。從機組運行工況分析，機組在開機時推力軸承需要高壓油頂起，使鏡板與推力瓦間保持足夠的距離以保證機組在啟動時，鏡板與推力瓦間有充分的高壓油潤滑，但由于機組未達到熱穩定狀態，此時彈性油箱所造成微弱的變形恰恰會對此次研究方法造成較大的干擾。因此，此次推力油膜綜合厚度研究選用的數據使用機組發電停機后轉速降為0時刻記錄當前軸向位移間隙值記為基準間隙值，選擇機組發電穩態運行至少2 h以上使彈性油箱達到熱穩定的軸向位移間隙值進行推力油膜綜合厚度研究。

2.2 數據分析

從歷史數據中觀察機組發電停機過程中軸向位移A、B、C變化趨勢如圖1所示：

圖1 軸向位移A、B、C變化趨勢

當機組完全停機后此時彈性油箱溫度接近熱穩定狀態，此時測得機組軸向位移值即為軸向位移的基準間隙值，通過分析10組發電停機過程數據，計算基準間隙值的平均值如表2所示：

表2 發電停機時軸向位移基準間隙值

發電穩態工況下記錄的軸向位移間隙值如表3所示：

表3 發電穩態工況下軸向位移間隙值

根據以上數據計算得到油膜厚度指標如表4所示：

表4 油膜厚度指標

根據以上數據研究證明，通過測量軸向位移的方式能夠實現對推力油膜厚度的有效監測。且通過以上的數據能夠分析不同工況條件下最大油膜厚度、最小油膜厚度及平均油膜厚度的范圍可控，變化趨勢平穩，證明可以針對油膜厚度的指標對推力油膜綜合厚度進行實時監測及故障報警，為推力油膜分析提供數據支撐。

3 總結及展望

本文通過對抽水蓄能機組監測測點的實際運行數據進行分析，提出了一種基于在線數據的抽水蓄能機組推力油膜綜合厚度的研究方法，為抽水蓄能電站優化運行的監控和管理提供了有效的參考依據，為機組異常狀態、故障趨勢分析報表、未來運行趨勢生成和相應處理措施的提出提供技術和數據支撐，為消除電站運行安全隱患、充分發揮其經濟效益做出更好的貢獻。