鄭宏用，王振鑫，林文華，莊堅(jiān)菱，林國(guó)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(tǒng)中的一種特殊電源，在電網(wǎng)中負(fù)責(zé)調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相和承擔(dān)系統(tǒng)事故備用等多種任務(wù)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力負(fù)荷持續(xù)增長(zhǎng)，峰谷差逐步加大，抽水蓄能電站是解決電力系統(tǒng)調(diào)峰問(wèn)題及確保安全可靠運(yùn)行的有效手段。但與常規(guī)水電站相比，抽水蓄能電站要求能在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行頻繁的工況轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)電網(wǎng)的用電需求。

大量的運(yùn)行實(shí)踐表明，國(guó)外水力發(fā)電機(jī)組故障統(tǒng)計(jì)表明，約有50%～60%的機(jī)組故障由推力軸承引起，我國(guó)投產(chǎn)的抽水蓄能電站也曾發(fā)生過(guò)推力軸承瓦溫升高瓦面磨損的故障，這種現(xiàn)象如果惡化就會(huì)導(dǎo)致推力瓦燒瓦事故，造成這種現(xiàn)象的原因很可能是機(jī)組在低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于推力油膜形成條件變差所致。常規(guī)的推力軸承油膜厚度監(jiān)測(cè)使用光纖位移傳感器，本次研究數(shù)據(jù)使用GMH550推力軸承在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)到推力軸承部件除推力瓦溫及油溫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)外，先進(jìn)性的對(duì)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(jī)量等重要運(yùn)行指標(biāo)。本文將對(duì)監(jiān)測(cè)內(nèi)容中的推力油膜綜合厚度進(jìn)行數(shù)據(jù)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(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)部分與軸瓦之間(即推力軸承瓦與推力軸承鏡板間，或者導(dǎo)軸承軸領(lǐng)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(lái)保證軸承的可靠運(yùn)行。這種楔形油膜厚度的大小，稱為軸承運(yùn)行中的油膜厚度。在軸承設(shè)計(jì)中，保證軸承的可靠運(yùn)行的最低油膜，稱為該軸承的最小油膜厚度。不同型號(hào)的機(jī)組，軸承的最小油膜厚度也是不一樣的。對(duì)于軸承運(yùn)行的油膜厚度有以下幾個(gè)概念:

（1）軸承進(jìn)口油膜厚度:指軸承運(yùn)行時(shí)，沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的軸承進(jìn)口處的楔形油膜大小。

（2）軸承出口油膜厚度:指軸承運(yùn)行時(shí)，沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的軸承出口處的楔形油膜大小。

（3）最小運(yùn)行油膜厚度:指軸承運(yùn)行時(shí)，軸瓦某處的最小油膜。

（4）平均油膜厚度：指軸承運(yùn)行時(shí)，軸瓦各處的油膜厚度的平均值。

而對(duì)于動(dòng)壓油膜的形成需要滿足以下條件：

（1）相對(duì)滑動(dòng)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(duì)滑動(dòng)速度，其運(yùn)動(dòng)方向必須使?jié)櫥陀纱罂诹鬟M(jìn)，從小口流出。

（3）潤(rùn)滑油必須有一定的粘度，而潤(rùn)滑油的粘度又與推力瓦溫有密切的關(guān)系，溫度升高會(huì)使?jié)櫥驼扯冉档?，形成的油膜承載能力就低。

結(jié)合到抽水蓄能機(jī)組，由于機(jī)組頻繁開停機(jī)，在機(jī)組停機(jī)降速過(guò)程中，在低轉(zhuǎn)速時(shí)油膜形成條件苛刻，容易造成油膜破壞，這樣就容易產(chǎn)生刮瓦的現(xiàn)象。再者，由于目前的抽蓄機(jī)組都是向著高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量的趨勢(shì)發(fā)展，推力軸承承受的軸向載荷偏大，就會(huì)導(dǎo)致推力溫度相較于常規(guī)機(jī)組溫度本身較高，進(jìn)而導(dǎo)致潤(rùn)滑油粘度降低，承載能力下降，因此在機(jī)組出現(xiàn)受力不勻時(shí)容易造成油膜破壞，導(dǎo)致燒瓦事故發(fā)生。

1.2 推力油膜綜合厚度理論算法

本次研究的國(guó)內(nèi)某抽水蓄能機(jī)組，測(cè)量油膜厚度所使用的測(cè)點(diǎn)及安裝位置如表1所示。

表1 油膜厚度測(cè)點(diǎn)及安裝位置

（1）鏡板抬機(jī)量理論算法

假設(shè)推力軸承內(nèi)鏡板下均布的抬機(jī)量傳感器安裝位置絕對(duì)固定無(wú)振動(dòng)誤差。在機(jī)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(zhǔn)間隙值。

在機(jī)組轉(zhuǎn)速開始運(yùn)行后，高壓油頂起，推力軸承內(nèi)鏡板下抬機(jī)量傳感器探頭與鏡板距離增加，此時(shí)記錄傳感器與鏡板間的間隙為當(dāng)前時(shí)刻傳感器與鏡板間的間隙G1。

則當(dāng)前時(shí)刻鏡板抬機(jī)量L計(jì)算方法如下：

（2）最小油膜厚度理論算法

在機(jī)組高壓油頂起前記錄傳感器與鏡板間的間隙GA0、GB0及GC0。運(yùn)行過(guò)程中抬機(jī)量波形中的最小值與基準(zhǔn)值之差即為最小油膜厚度。即機(jī)組運(yùn)行任意時(shí)刻，此時(shí)記錄傳感器與鏡板間的間隙為當(dāng)前時(shí)刻傳感器與鏡板間的間隙G分別為GA1、GB1、GC1。

則當(dāng)前時(shí)刻3只傳感器所測(cè)量鏡板抬機(jī)量L計(jì)算方法如下：

最大油膜厚度Hmax計(jì)算方法為：

最小油膜厚度Hmin計(jì)算方法為：

平均油膜厚度HAve計(jì)算方法為：

2 應(yīng)用案例

2.1 案例分析

本次所研究數(shù)據(jù)，從測(cè)點(diǎn)安裝位置角度分析，現(xiàn)場(chǎng)軸向位移測(cè)點(diǎn)探頭所測(cè)量為鏡板上端面，因此后續(xù)測(cè)得油膜厚度的數(shù)值需進(jìn)行取反操作。從機(jī)組運(yùn)行工況分析，機(jī)組在開機(jī)時(shí)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(jī)組在啟動(dòng)時(shí)，鏡板與推力瓦間有充分的高壓油潤(rùn)滑，但由于機(jī)組未達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)彈性油箱所造成微弱的變形恰恰會(huì)對(duì)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(shù)據(jù)使用機(jī)組發(fā)電停機(jī)后轉(zhuǎn)速降為0時(shí)刻記錄當(dāng)前軸向位移間隙值記為基準(zhǔn)間隙值，選擇機(jī)組發(fā)電穩(wěn)態(tài)運(yùn)行至少2 h以上使彈性油箱達(dá)到熱穩(wěn)定的軸向位移間隙值進(jìn)行推力油膜綜合厚度研究。

2.2 數(shù)據(jù)分析

從歷史數(shù)據(jù)中觀察機(jī)組發(fā)電停機(jī)過(guò)程中軸向位移A、B、C變化趨勢(shì)如圖1所示：

圖1 軸向位移A、B、C變化趨勢(shì)

當(dāng)機(jī)組完全停機(jī)后此時(shí)彈性油箱溫度接近熱穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)測(cè)得機(jī)組軸向位移值即為軸向位移的基準(zhǔn)間隙值，通過(guò)分析10組發(fā)電停機(jī)過(guò)程數(shù)據(jù)，計(jì)算基準(zhǔn)間隙值的平均值如表2所示：

表2 發(fā)電停機(jī)時(shí)軸向位移基準(zhǔn)間隙值

發(fā)電穩(wěn)態(tài)工況下記錄的軸向位移間隙值如表3所示：

表3 發(fā)電穩(wěn)態(tài)工況下軸向位移間隙值

根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算得到油膜厚度指標(biāo)如表4所示：

表4 油膜厚度指標(biāo)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)研究證明，通過(guò)測(cè)量軸向位移的方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)推力油膜厚度的有效監(jiān)測(cè)。且通過(guò)以上的數(shù)據(jù)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(shì)平穩(wěn)，證明可以針對(duì)油膜厚度的指標(biāo)對(duì)推力油膜綜合厚度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障報(bào)警，為推力油膜分析提供數(shù)據(jù)支撐。

3 總結(jié)及展望

本文通過(guò)對(duì)抽水蓄能機(jī)組監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了一種基于在線數(shù)據(jù)的抽水蓄能機(jī)組推力油膜綜合厚度的研究方法，為抽水蓄能電站優(yōu)化運(yùn)行的監(jiān)控和管理提供了有效的參考依據(jù)，為機(jī)組異常狀態(tài)、故障趨勢(shì)分析報(bào)表、未來(lái)運(yùn)行趨勢(shì)生成和相應(yīng)處理措施的提出提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐，為消除電站運(yùn)行安全隱患、充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)效益做出更好的貢獻(xiàn)。