水輪發(fā)電機軸承運行油位測值跳變失真問題技術(shù)研究

廣東水電云南投資有限公司 艾永俊

1 引言

水輪發(fā)電機是電力系統(tǒng)發(fā)、變、輸、配電重要環(huán)節(jié)中的重要發(fā)電設(shè)備，其安全運行可靠性對電網(wǎng)安全保供電和國家改革、快速發(fā)展具有舉足輕重的作用。水輪發(fā)電機各軸承油主要起軸承潤滑、軸瓦冷卻作用，其運行油位真實、可靠監(jiān)測對機組安全、可靠運行具有極其重要的控制、保護作用[1]。軸承運行油位測值跳變、失真必然會給水輪發(fā)電機正常運行帶來不利影響，及時做好相關(guān)處理工作十分關(guān)鍵，也是本文研究的重點所在。

2 國內(nèi)外液位測量技術(shù)現(xiàn)狀

在電力行業(yè)中，常需要測量各種液體高度（如水位、油位）參數(shù)，但由于測量是瞬時動態(tài)信號，數(shù)據(jù)精確性、穩(wěn)定性、可靠性受到諸多環(huán)境因素影響，如水壓、油壓，水管、油管管徑（截面積），開展液位真實、可靠測量研究具有一定的研究價值。

2.1 國外液位測量技術(shù)現(xiàn)狀

位測量技術(shù)和測量傳感器研究國外起步早，發(fā)展迅速，到目前為止，國外一些公司都研制出各型能齊全、自動化、智能化程度高、精度高測量系統(tǒng)與產(chǎn)品，如美國DREXELBROOK 公司。

2.2 國內(nèi)液位測量技術(shù)現(xiàn)狀

在我國，受歷史影響，液位測量技術(shù)及測量傳感器研究開發(fā)起步晚，導致測量技術(shù)和產(chǎn)品自動化程度、精度可靠性、功能等多方面與國外同類產(chǎn)品存在較大差距。

近年來，伴隨著改革開放，我國經(jīng)濟、技術(shù)水平迅猛發(fā)展，測量技術(shù)和測量傳感器研究獲得較大發(fā)展，產(chǎn)品性能指標、功能都有了質(zhì)的飛躍，但是與國外同類相比還有待進一步改進和發(fā)展[2]。

通過網(wǎng)絡(luò)查詢和行業(yè)區(qū)域調(diào)查，獲知水輪發(fā)電機軸承油位測值跳變、失真、數(shù)據(jù)不準確問題屬于行業(yè)普遍現(xiàn)象（如南沙水電廠50MW×3、寶X 水電廠12.5MW×2等），而對其進行分析研究和可借鑒的技術(shù)方案較少。為此，對其進行深入分析研究，探索及問題根源，采取有效措施加以解決是有必要的。

3 馬堵山水電廠水輪發(fā)電機軸承運行油位測值跳變、失真問題技術(shù)研究

3.1 項目概況

馬堵山水電廠屬區(qū)域內(nèi)較大水電廠，承擔電力系統(tǒng)區(qū)域調(diào)峰、調(diào)頻、黑啟動保供電任務(wù)，其3臺水輪發(fā)電機（96MW×3）上、下導軸承運行油位自投運以來，均存在測值跳變、失真共性問題。承運行油位測值跳變、失真引發(fā)的水輪發(fā)電機無法正常按時開機，油位傳感器（油位計）過高或過低電氣接點報警誤動，軸承加油過量導致的甩油、跑油，軸承少油不能及時被發(fā)現(xiàn)而導致機組軸承瓦溫升高的非計劃停機等問題，在馬堵山水電廠實際運行中已出現(xiàn)數(shù)次。2012-2015年，通過采取分別更換磁翻板液位計、差壓式油介質(zhì)液位計和同時安裝兩種液位計等手段進行監(jiān)測均未徹底解決。

3.2 問題分析過程

3.2.1 準備工作

一是結(jié)合研究背景、研究目的、研究的主要內(nèi)容，整合公司技術(shù)人才資源，成立項目研究組，開展項目攻關(guān)，同期部署項目研究任務(wù)。

二是通過查閱馬堵山水電廠3臺水輪發(fā)電機上、下導軸承油槽圖紙（上導軸承裝配圖號：GMS0320000；下導軸承裝配圖號GMS0603000）、水輪機發(fā)電機技術(shù)文件（文檔號：GMS0000000JT）、設(shè)備技術(shù)臺賬、運行臺賬記錄獲取設(shè)備實際運行工況和運行技術(shù)條件如下：

①上、下導軸承、油槽結(jié)構(gòu)、尺寸、各軸承油位計安裝位置（高程）自投運以來未變更。上下導軸承中心油位為設(shè)計原始值（軸瓦中心孔），各軸承中心油位遷移至軸承油位計安裝高程復核標定值（顯示值）不變：#1機組上導330mm；下導215mm、#2機組上導490mm；下導：350mm；#3機組上導200mm；下導：250mm，油位運行允許變化幅值均為：中心油位±20mm，復核正常。

②軸承油位測量管選材、結(jié)構(gòu)、管徑與設(shè)計圖紙相符（測量管徑DN25），自投運以來未變更。

③水輪發(fā)電機整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，水輪發(fā)電機運行中，額定轉(zhuǎn)速與設(shè)計圖紙、水輪機技術(shù)文件給定值142.9r/min 相符。

④軸承油位測量管取油口高程、尺寸與設(shè)計圖紙相符，（取油口開孔尺寸與測量管徑DN25一致，開口位置位于油槽側(cè)邊最底部），自投運以來未變更。

⑤各軸承使用#46透平油，每年定期委托第三方有資質(zhì)單位進行油質(zhì)檢測，檢測報告顯示油運動粘度等各項技術(shù)指標符合行業(yè)標準。運行、檢修過程中，各軸承每次加油總量始終與實際油位保持不變（以軸瓦中心孔進行測量復核）。

⑥同型磁翻板液位計和差壓式液位計在馬堵山水電廠其他液位測量對象應(yīng)用中工作穩(wěn)定，未見數(shù)據(jù)跳變、失真情況。

⑦分別采取更換磁翻板液位計、差壓式油介質(zhì)液位計或同時安裝兩種液位計等手段進行監(jiān)測時，馬堵山水電廠上、下導軸承運行油位測量均存在測值跳變、失真現(xiàn)象。

⑧通過3臺水輪發(fā)電機上、下導軸承運行油位跳變、失真數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得出：3臺水輪發(fā)電機上、下導軸承運行油位測值跳變、失真幅度ΔHmax：110mm。

3.2.2 理論分析

根據(jù)第一階段獲知的設(shè)備參數(shù)、運行工況、數(shù)據(jù)分析結(jié)果，參考《流體力學》[3]，應(yīng)用流體運動伯努利方程：p+ρgh+1/2ρv2=C 及其推導公式S1V1=S2V2和國內(nèi)、國外測量技術(shù)基礎(chǔ)知識，進一步分析研究，形成研究結(jié)論。

3.2.2.1 主要研析過程

機組運行中，各軸承運行油位為動態(tài)瞬時值，根據(jù)流體運動伯努利方程：p+ρgh+1/2ρv2=C 和軸承油位測量原理（以差壓式油位計為例：將油位形成的壓強（壓強總和）變化傳感為電阻變化，經(jīng)信號變換電路變換為4～20mA 輸出信號，用于進行油位顯示、控制、報警等），在準備工作中①、③、④、⑤調(diào)查成果基礎(chǔ)上進行分析得知：

①各軸承運行油位測值變化幅度ΔH 受位勢能（P）、壓力勢能（ρgh）的影響較小，可以忽略，ΔH 受動能（1/2ρv2）形成的動壓變化ΔP 影響較大，而動壓在油介質(zhì)密度不變的情況下，變化幅值主要取決于液位計安裝點油流變化速度（即測量管路油流變化速度）。

②根據(jù)流體運動伯努利方程：p+ρgh+1/2ρv2=C 及其推導公式S1V1=S2V2，將軸承油位測量傳感器或液位計測量管路取油口開孔截面積定義為S1、取油口油流速度定義為V1，測量傳感器或液位計測量管路截面積定義為S2、傳感器或液位計安裝點油流速定義為V2。

由準備工作⑧已知3臺水輪發(fā)電機上、下導軸承運行油位測值跳變、失真幅度ΔH 最大值ΔHmax：110mm 和油位運行允許變幅值（中心油位±20mm）。

由準備工作①、③、④、⑤，可視S1、V1為恒定值。此時，V2大小取決于測量傳感器或液位計測量管路截面積S2。即測量管路截面積增大，V2減小，反之增大。

所以，解決馬堵山水電廠3臺水輪發(fā)電機上、下導軸承運行油位測值跳變、失真問題的關(guān)鍵是：

將ΔH 調(diào)控至允許范圍（中心油位±20mm，將±20定義為：ΔHb）內(nèi)，故應(yīng)取ΔHmax/ΔHb進行調(diào)幅系數(shù)計算（ΔHmax 滿足，變化幅度≦ΔHmax 的測值一定滿足）。

在此，以#3機組上導軸承運行油位跳變ΔHmax=110mm 為例進行具體分析、研究（其他機組相關(guān)導軸承油位分析方法和過程相同）：

ΔH 調(diào)幅系數(shù)k 值計算：k=ΔHmax/ΔHb=110/20=5.5。

調(diào)幅前動壓變化ΔP 定義為ΔP1；ΔP1=1/2 ρv2=ρgΔHmax（V 取研究前測量管路油流速度，定義為V2，ΔHmax 取值110mm）。

調(diào)幅后動壓變化ΔP 定義為ΔP2；ΔP2=1/2 ρv2=ρgΔHb（V 取研究前測量管路油流速，定義為V2’，ΔHb 取技術(shù)文件允許幅值20mm）。

則：動壓變化ΔP 調(diào)幅系數(shù)ΔPt=ΔP1/ΔP2=（V2）2/（V2’）2。

根據(jù)伯努利方程推導公式：S1V1 S2V2，得出：V2=S1V1/S2；V2‘=S1V1/S2’（ 其中， 根據(jù)前述條件S1V1不變，S2為調(diào)幅前油位測量管路截面積；S2’為調(diào)幅后油位測量管路截面積），代 入：ΔPt=（V2）2/（V2‘）2=(S1V1/S2)2/（S1V1/S2’）2=（S2’）2/（S2）2=ρgΔHmax/ρgΔHb=ΔHmax/ΔHb=k=110/20=5.5。

即：動壓變化ΔP 調(diào)幅系數(shù)ΔPt=ΔH 調(diào)幅系數(shù)=k。

計算得出：S2’/S2=2.34。

根據(jù)管路截面積計算公式及已知原管徑（DN25）：

得出：S2=（1/4）×π×25×25=490mm2；

則：S2’=S2×2.34=1146.6mm2；

得出：D’22=S2’/（π/4）=（1146.6×4）/3.14=1460.6；

D’2=38.2mm。

3.2.2.2 主要結(jié)論

通過分析、研究，獲得解決水輪發(fā)電機軸承運行油位測值跳變、失真問題的研究結(jié)論和技術(shù)方案：①研究結(jié)論：水輪發(fā)電機上、下導軸承、油槽結(jié)構(gòu)、尺寸、各軸承油位計安裝位置（高程）不變；水輪發(fā)電機整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，水輪發(fā)電機運行額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；軸承油位測量管取油口高程、尺寸不變；各軸承油質(zhì)（油運動粘度等）符合行業(yè)技術(shù)標準值的前提下，水輪發(fā)電機軸承運行油位測值跳變、失真程度ΔH 主要取決于軸承運行油位測量管路油動壓變化（即動壓ΔP）幅度。其跳變、失真系數(shù)k（也可稱調(diào)幅系數(shù)）可由運行油位變化ΔH 最大幅值ΔHmax 與技術(shù)文件規(guī)定的軸承運行油位允許變化幅值ΔHb 求得：k=ΔHmax/ΔHb；

②技術(shù)方案：解決（減小）軸承運行油位測值跳變、失真問題，可通過增大軸承運行油位測量管路截面積S2’來實現(xiàn)跳變、失真幅度調(diào)控。其中S2’應(yīng)滿足（S2：調(diào)幅前油位測量管路截面積；S2’：調(diào)幅后油位測量管路截面積；ΔHmax：運行油位油跳變最大幅值；ΔHb：運行油位允許變化幅值，一般由水輪機組技術(shù)文件確定；k=ΔHmax/ΔHb）。

因此，本項目中，調(diào)幅后管徑D’2應(yīng)滿足：D’2≥38.2mm。查閱《管徑尺寸對照表》，管徑≥38.2mm 可取值：DN40、DN50。 綜合考慮ΔHmax、ΔHb 理論分析計算時均按最大值取值，DN40處于接近≥38.2mm 臨界，為使軸承運行油位測值跳變、失真程度調(diào)控品質(zhì)更優(yōu)，本項目選擇管徑DN50進行調(diào)幅驗證。

3.2.3 研究結(jié)論和技術(shù)方案驗證

試驗時間：2016年1 ～5月、2017年1 ～5月、2018年1～5月。

試驗過程：試驗結(jié)合3臺機組計劃性A 修順序進行，2016年完成#3機組；2017年完成#2機組；2018年完成#1機組。

根據(jù)階段二形成理論研究結(jié)論，結(jié)合檢修工期，在保持準備工作①、③、④、⑤不變的情況下，通過變更3臺機組上、下導軸承運行油位測量管徑（由DN25增大至DN50），對理論研究結(jié)論進行試驗驗證，并記錄數(shù)據(jù)，進行分析整理。

圖2 2019年#2機組軸承油位運行曲線

圖3 2019年#3機組軸承油位運行曲線

試驗結(jié)論：理論研究結(jié)論經(jīng)運行試驗、分析，馬堵山水電廠3臺水輪發(fā)電機各軸承運行油位測值跳變、失真問題得到解決，后續(xù)需進行應(yīng)用成果跟蹤評估[4]。

3.2.4 應(yīng)用成果跟蹤評估

2019年，項目組對項目成果應(yīng)用進行持續(xù)跟蹤評估，各機組軸承運行油位測值數(shù)據(jù)跟蹤分析評估如圖1～3。

圖1 2019年#1機組軸承油位運行曲線

評估結(jié)論：馬堵山水電廠3臺水輪發(fā)電機各軸承運行油位測值跳變、失真問題研究應(yīng)用成果穩(wěn)定，提升了機組安全運行可靠性。

4 研究應(yīng)用效果及推廣

一是徹底解決馬堵山水電廠3臺水輪發(fā)電機各軸承運行油位測值跳變、失真問題，提高水輪發(fā)電機組運行可靠性，減少運維人員工作量。

研究前：維護頻次1次/臺班，維護工時1工時/臺班。研究后：維護頻次0次/臺班，維護工時0工時/臺班，提高水輪發(fā)電機組運行可靠性，減少運維人員工作量。

二是有利于改善機組穩(wěn)定運行，降低運行風險。①減少軸承運行油位問題帶來的非計劃停機和燒瓦事故，降低機組運行風險，改善運行條件。②提高對電網(wǎng)安全保供電和國家改革、快速發(fā)展服務(wù)能力。

三是同類型機組可借鑒參考應(yīng)用。項目成果已在同屬母公司的南沙水電廠推廣應(yīng)用，可在同屬母公司的和諧、新寨水電廠和行業(yè)內(nèi)同類機型上參考應(yīng)用。

四是有利于控制生產(chǎn)成本和提高經(jīng)濟效益。①減少維護工時1工時/臺班。3工時/天、單價300元/工時，每年可節(jié)約：150天1.5工時/天300元/工時=13.5萬元。②減少非計劃停機3臺次/年，停機時間24小時/臺次。節(jié)約電網(wǎng)考核費用：Q=3249.6萬kWh0.010.235元/kWh=1.62萬元。③減少發(fā)電損失：9.6萬kWh3240.235元/kWh=162.43萬元。

合計節(jié)約生產(chǎn)成本和提高經(jīng)濟效益：13.5+1.62+162.43=177.55萬元/年。

5 結(jié)語

綜上所述，水輪發(fā)電機運行中，軸承運行油位測值跳變、失真極易導致油位計過高或過低電氣接點報警誤動，影響水輪發(fā)電機運行狀態(tài)監(jiān)測；或是因軸承少油、補/加油過量等問題，引發(fā)機組事故，導致嚴重的經(jīng)濟損失[5]。本文針對馬堵山水電廠3臺水輪發(fā)電機上、下導軸承運行油位跳變、失真問題開展理論分析、計算、研究，找到解決水輪發(fā)電機軸承運行油位跳變、失真問題的研究結(jié)論和方法；結(jié)合馬堵山水電廠3臺水輪發(fā)電機計劃性A 修，分階段、分臺次開展研究結(jié)論和方法的試驗驗證，驗證其可行性、有效性。解決了馬堵山水電廠3臺水輪發(fā)電機上、下導軸承運行油位跳變、失真問題，并為行業(yè)解決同類問題提供可參考的研究、應(yīng)用成果。