泵站同步電機潤滑油冷卻新技術研究

宋緩緩，李典基，張東霞

（1.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南250102；2.南水北調（山東）土建工程有限責任公司，山東 濟南250101）

現在大型泵站機組運行產生的熱量都采用技術供水進行冷卻。技術供水主要由冷卻水和潤滑水組成，其中冷卻用水約占技術供水總量的90%以上，對機組運行安全性及運行成本有直接影響[1]。行業內現有技術主要有2種冷卻方式[2]：方案1是直接從外部就近取水冷卻；方案2采用的冷卻水為載冷劑，用冷水機組冷卻干凈的水，水再對熱的潤滑油進行冷卻。

上述2個方案使用一段時間后由于冷卻盤管內部容易接水垢，而導致冷卻能力的下降，由于盤管盤于潤滑站內，清洗非常困難，且屬于二級轉換冷卻裝置，結構復雜。南水北調東線八里灣泵站開發一種先進高效、安全可靠的大型軸流泵同步電機軸承冷卻技術。

1 潤滑油冷新技術的開發

1.1 冷油機工作原理

針對同步電機油缸內潤滑油冷卻傳統技術存在的缺陷，研究采用油冷機對潤滑油進行冷卻。油冷機基本配置由油冷機由油路循環系統、制冷系統、電控系統等組成。制冷系統包括壓縮機、冷凝器、冷凝風機、熱力膨脹閥、蒸發器和制冷管路等。壓縮機給制冷系統中的制冷劑提供流動動力，并對低壓的制冷劑蒸氣進行壓縮，提升制冷劑的冷凝壓力，為使制冷劑后續轉變成液體創造條件。冷凝器使油冷機將熱量同外界進行交換的組件，將熱從高壓制冷劑通過冷凝風機傳遞到低溫空氣環境中，并儲存適量的制冷劑液體以使在冷凝器和膨脹閥之間造成液封，擋住制冷劑蒸氣。膨脹節流組件在蒸發器入口處安置，制冷劑（高溫高壓的液態）經過膨脹閥的節流孔節流后，變為霧狀的制冷劑，存在狀態為低溫低壓液態；膨脹節流組件調節制冷劑的輸出，滿足蒸發器出口的制冷劑全部為氣態，當輸出過大，出口處將摻有液體狀態的制冷劑，液態制冷劑進入壓縮機可能形成沖擊；當制冷劑輸出量過小，會使蒸發提早完成，吸熱結束，引起系統制冷量達不到冷卻要求。蒸發器是機組制冷系統的換熱組件，流入蒸發器的液態制冷劑，通過蒸發器將發生物理狀態變化，液態制冷劑吸收被冷卻物質的熱量蒸發，制冷劑由液態變為氣態，被冷卻物質的溫度得到降低。

制冷工作時，壓縮機1吸入制冷劑氣體，進行壓縮，生成高溫高壓的氣體，而后高溫高壓的氣體通過管道流入冷凝器2，和由冷凝風機5產生的穿過冷凝器的低溫進風進行熱量交換，通過物理變化，高溫高壓的氣體變為常溫高壓的液體，同時冷凝風機5產生的低溫進風變成高溫出風被吹出。此時制冷劑為常溫高壓的液體，在流經貯液筒6、干燥過濾器7和膨脹閥8后，通過膨脹閥節流，變成低溫低壓的液體，再流入板式蒸發器10，并在板式蒸發器內與同時進入的較高溫度的潤滑油進行熱量交換，此時低溫低壓的液體制冷劑吸收潤滑油熱量蒸發，成為低溫低壓的制冷劑氣體，而后重新被壓縮機吸入重新循環運行。需要冷卻的高溫潤滑油油則被降溫后流出蒸發器通過加壓油泵重新流入電機油缸中，如圖1所示。

圖1 油冷機冷卻工作原理

1.2 油冷機的設備選型

設備選型是基于電機油缸的發熱量來選型，制冷量須大于發熱量，并留有足夠余量。考慮到泵站主電機系統的高可靠性要求，本次取安全系數2。

采用上下油缸分別冷卻方式，上油缸選擇油冷機制冷量27 kW，試驗采用設備主要參數如下：制冷量27 kW，溫控范圍20～45℃，溫控精度±1.5℃，額定功率13 kW，油泵功率3 kW，油泵流量100 L/min，使用制冷劑R22。

下油缸選取油冷機制冷量5.2 kW，主要參數如下：制冷量5.2 kW，溫控范圍20～45℃，溫控精度±1.5℃，壓縮機額定功率2.7 kW，油泵額定功率0.75 kW，油泵流量25 L/min，制冷劑采用R22。

油冷機采用相對獨立的雙制冷系統設計，如果其中一套制冷系統有故障，另一半制冷系統也可以正常使用。油冷機具有超溫、過載、斷油、高低壓等報警保護功能，所有報警出現時，油冷機的報警輸出端的常開觸點閉合，可告知主控室。

2 油冷過程自動控制設計

自動控制系統主要檢測控制對象包括上下油缸冷油機、上下油缸油路進出油電動球閥、油缸油位油溫以及在線油過濾系統等。系統通過PLC把整個系統的冷油機控制，閥門控制，油位檢測，油位檢測，在線油過濾系統等子系統進行整合進行聯動控制，通過工業以太網連接至控制室，實現遠程操作，并對各裝置運行參數進行記錄、存儲及綜合分析，從而形成一個先進穩定可靠的冷卻自動控制系統。

每臺水泵冷卻系統含兩套冷油機設備，分為上油缸冷油機及下油缸冷油機。

2.1 冷油機控制

系統控制柜接油冷機七芯航空插座的2、3腳，冷油機系統參數設置為遠程啟動來控制冷油機啟停。系統控制方式設計為手動控制、現地控制、遠程控制。手動控制時通過電控柜按鈕控制冷油機啟動停止。現地控制時通過觸摸屏設置參數自動控制冷油機啟動停止。遠程控制時通過上位機設置參數自動控制冷油機啟動停止。

2.2 冷油機運行參數反饋

運行參數反饋包括冷油機運行狀態反饋信號及故障報警信號電氣原理圖如圖2所示。運行狀態反饋信號主要包括冷油機油泵運行狀態反饋，冷油機1#壓縮機運行狀態反饋，冷油機2#壓縮機運行狀態反饋，冷油機1#、2#風機運行狀態的反饋，分別自冷油機油泵，壓縮機及風機的接觸器引出信號接入電控柜。

冷油機的故障報警信號主要包括：總故障報警、油泵過載報警、1#2#壓縮機過載報警、1#2#壓縮機高壓報警、1#2#壓縮機低壓報警，總故障報警由冷油機航空插頭4、5腳接入，其他報警信號自冷油機控制箱內中繼擴展信號后接入電控柜。

3 循環油管路系統

每臺水泵冷卻系統有兩套循環管路，為上油缸管路及下油缸管路，每套管路油缸進口與出口分別設置電動球閥一只，管路設置在線油過濾系統。

3.1 閥門控制

系統控制方式采用手動控制、現地控制、遠程控制。手動控制時采用電控柜按鈕控制電動球閥開啟關閉停止，現地控制時通過觸摸屏設置參數自動控制電動球閥開啟關閉停止，遠程控制時通過上位機設置參數自動控制電動球閥開啟關閉停止。

3.2 油位檢測系統

電機油缸分為上油缸系統與下油缸系統。電機運行時，需要油缸內油位保持在一個安全區間。每套油缸分別設置壓力變送器，反饋油缸內的冷卻油位，當油位發生異常時，根據設定的油位異常區可僅作報警不停止運行和迅速關閉閥門及報警等處理措施。

3.3 油溫檢測系統

油缸內裝設溫度傳感器，實時監控油溫。當油溫滿足水泵電機主機組安全運行要求時油冷機停止運行。油缸外部就近設置環境溫濕度傳感器，反饋環境溫度與濕度。通過油溫與環境溫濕度對比，調節油溫，避免電機出現凝露引起事故。

4 結語

泵站立式軸流泵同步電機主軸軸承油冷技術已在南水北調八里灣泵站成功開發并應用，該技術將傳統的冷卻水（載冷劑）參入的油水熱交換冷卻方式改為直接冷卻工作熱油方式，是泵站技術供水系統設計的一次重大技術革新，水泵電機運行可靠性得到極大提高。新建泵站若直接采用該技術能節約投資，優化泵站結構。