杭州杭发发电设备有限公司 浙江杭州 311251
摘要：轴承油外循环冷却系统在高转速、大容量卧式水轮发电机组中应用较为广泛，它能及时导走机组运行时轴承产生的大量热量。在配有直流电机泵作为机组事故状态时的备用供油方式的冷却系统中，因直流电机泵从启动至额定转速时间段内会出现短时断流的情况，采用低压储能装置作为直流电机泵启动时同时能为轴承补充油流的方式，在轴承油外循环冷却系统中显得非常有必要，以防止机组轴承在运行时因短时断流而发生烧瓦的情况。
关键词：高转速水轮机，外循环，储能装置，回油箱
高转速、大容量卧式水轮发电机组因其转动惯量量较大而导致轴与轴瓦之间的摩擦较大，以及转速较高导致轴瓦摩擦面间的线速度较大，在正常运行时轴承会伴随着大量的热量产生，若不将热量及时导走，轴承瓦温将持续升高，甚至发生烧瓦的现象，直接影响水轮发电机组的正常工作。利用油外循环装置设备作为水轮发电机组正常运行时的辅助系统，将轴承产生的大量热量及时导走，已成各水轮发电机生产厂家的共识。随着轴承油外循环冷却系统的研究与发展，有关高转速水轮发电机组的循环冷却的优化设计和运行都有了一定的普及与深入，油系统的形式也多种多样。在用直流电机泵作为机组事故状态时的备用供油方式系统中，因直流电机泵从启动至额定转速时间段内会出现短时断流的情况，设置低压储能装置作为直流电机泵启动时同时能为轴承补充油流的方式，防止机组轴承在运行时因短时断流出现烧瓦的情况，确保水轮发电机组安全稳定运行变得非常重要。
1 油冷却系统概述
1.1 冷却系统
冷却系统是对在高温条件下工作的机件运用冷却介质使之冷却从而使机件能在正常工作温度下运转的系统。主要由冷却设备、泵和管道组成。冷却系统通常分为直流冷却系统和循环冷却系统。
循环冷却系统中的冷却媒介流过冷却设备使之温度回降后，输送回生产设备再次循环使用。循环冷却系统分为封闭式和敞开式两种。封闭式循环冷却系统中的冷却媒介不与大气直接接触，物料与冷却媒介在一种密闭的系统中进行热交换，循环使用，因此媒介量损失少，媒介中各种离子浓度变化小，不易改变系统内部环境。在敞开式循环冷却系统中，冷却液的降温过程通过冷却器来实现，由于釆用敞开式结构，可以与大气直接接触，循环散热快，冷却效果好，广泛应用于城市建设与工业生产。
1.2 水轮发电机组油冷却的类型
水轮发电机组油冷却系统根据机组容量大小和转速高低可分为内循环和外循环两种方式。内循环方式的油仅在轴承座内循环流动，轴承产生的热量靠油液的循环流动，把热量带给分布在轴承座内的冷却器，再通过冷却水将其带走，因冷却器的容量受轴承座大小的限制而较小，这种方式仅适合小型、运行时轴承发热量不大的机组使用。对于大容量、高转速水轮发电机组，由于其轴承在机组运转过程中会产生大量的热量，必须靠油的外循环方式将其产生的热量带走，这样的好处在于，一是可以根据轴承的发热量，准确地计算出冷却器容量而先择合适的冷却器，把轴承产生的热量充分带走，二是油的循环路线加长，即冷却油的一个循环过程时间增加，循环油能充分和空气进行热交换从而使其温度更低。
1.3 外循环油冷却系统形式
目前，高转速水轮发电机组均使用油外循环系统作为其轴承散热的工具，根据水电站环境的不同选择合适的轴承油外循环系统。
（1）由高位油箱为轴承供油方式。这种油冷却系统较为简单，其油的循环过程为：回油箱－油泵－油冷却器－高位油箱－机组轴承－回油箱，主、备油泵启停可以根据安装于高位油箱油位高低来控制。这种布置方式要求高位油安装有足够的高度，即高位油箱储油压力应满足轴承需要。
（2）由油泵直接对轴承供油、以高位油箱储油作为机组事故停机用油的方式。其油的循环过程为：回油箱－油泵－油冷却器－（高位油箱）机组轴承－回油箱，主用油泵的启停直接由中控室控制，备用油泵的启停可以由轴承进油总管流量计控制。此种布置方式对高位油箱安装高度要求相对较低，高位油箱储油压力仅能满足机组10分钟事故停机之需即可。
（3）由油泵直接对轴承供油、以直流供油泵作为机组事故停机用油的方式。其油的循环过程为：回油箱－油泵－油冷却器－机组轴承－回油箱，主用油泵的启停直接由中控室控制，备用油泵的启停可以由轴承进油总管流量计控制。此种布置方式无高位油箱，机组事故停机时由直流油泵对轴承进行供油。
2 储能装置的应用
2.1 储能装置的组成
储能装置是由压力油罐、供油泵、电磁阀和液位计组成的小型压力油系统，由液位计控制压力罐油位高度，当接收信号时开启电磁可以向目标对象供油。
2.2 油循环系统
水电站的环境多种多样，对于一些高转速水轮发电机组电站，高位油箱因完全受限于厂房高度而无法布置，必须用直流油泵供油的方式为机组事故停机时之需用，而直流油泵因考虑电站直流系统容量受限，从启动达至额定转速时需要一定的时间，在此时间段中，循环系统会出现断流情况，严重时就可能发生烧瓦。利用储能装置，在机组事故停机时，同时启动储能装置电磁阀向油管路供，可以解决循环系统短时断流的情况。油循环系统如图1所示。
图1 油循环系统
系统图描述的是某水电站2台发电机组共用1套油外循环系统装置，此类的油循环过程依次为：回油箱6－油泵8－油冷却器5－机组轴承1－回油箱6。当装置启动时，第一油泵8向发电机组1正常供油，第四油泵11向储能油罐12供油并保持一定的油位与压力；当第一油泵8出现故障导致供油量降低时，控制器收到故障信号启动第二油泵9为机组补充供油；当遇其它复杂情况，使发电机组1的供油量继续降低，或者厂用电源发生故障停机导致第一油泵8和第二油泵9断电停止工作时，直流油泵10立即启动为机组继续供油10分钟，使机组能安全停机。因直流油泵从启动达至额定转速需要30秒的时间，为避免这一过程中可能出现在供油断流情况，在启动直流油泵的同时开启电磁阀14，储能油罐12依靠自身的压力向发电机组1补充油源。
2.3 储能油罐容量与压力
水轮发电机组事故停机时直流油泵从启动达至额定转速需要30秒的时间，考虑到直流油泵达至额定转速前已经具备供油能力，因此储能油罐的供油时间定为20秒为合适。以我公司生产某水轮发电机外循环系统装置为例，如图1所示，第一油泵的额定流量QN=200L/min，考虑储能油罐仅为短暂补充供油，规定其供2台机组的流量Q1=200L/min为合适，储能油罐的储油量应为：
V1=Q1×t=67L
因外循环系统的额定压力PN=0.2MPa，规定储能油罐的额定压力PE=0.5MPa，根据《压力容器设计》计算，储能油罐应压缩空气容积为：V2=74L。储能油罐总容量V：
V=V1+V2=141L
因此，选取储能油罐容积为150L。
3 结语
轴承油外循环冷却系统节能效果、冷却效果显著，结构简单，使用可靠，被广泛应用于高转速、大容量卧式水轮发电机组之中，并作为其正常运行的辅助系统。
当高位油箱因水电站厂房条件受限而不能布置时，采用直流油泵供油能满足机组事故停机的需要，扩大了油外循环装置的使用范围。
在配用直流油泵作为高转速、大容量水轮发电机组油外循环系统中，当直流油泵启动时采用储能装置同时为系统供油的方式，可以防止组机事故停机时可能出现的烧瓦情况。这一方案已在我公司生产的某水轮发电机组油外循环系统中得到应用，且效果理想。
参考文献：
[1]水利电力出版社[编著]《水电站机电设计手册-水力机械》，1989年8月
[2]哈尔滨大电机研究所出版社[编著]《水轮机设计手册》，1987年6月
[3]GB/T 11805-2005《水轮发电机组自动化元件（装置）及其系统基本技术条件》
[4]DL/T 5081-1997《水力发电厂自动化设计技术规范》
[5]张警声.发电机冷却介质[M].北京：水利电力出版社，1995.
[6]GB 150-2011《钢制压力容器》
论文作者:王力,郭佳燕
论文发表刊物:《防护工程》2017年第15期
论文发表时间:2017/10/25
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