魏 力，章存建，高從闖，肖先照，王艷武，劉 宇，武倩倩，李 悅

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溧蓄推力軸承外循環(huán)系統(tǒng)噪聲和振動(dòng)問題分析與處理

魏 力1，章存建1，高從闖1，肖先照2，王艷武2，劉 宇2，武倩倩2，李 悅2

（1. 江蘇國(guó)信溧陽抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 常州 211108；2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

推力軸承外循環(huán)系統(tǒng)是水輪發(fā)電機(jī)重要的輔助設(shè)備之一，其性能的優(yōu)劣直接決定著機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。在溧蓄機(jī)組調(diào)試初期，發(fā)電電動(dòng)機(jī)推力外循環(huán)系統(tǒng)噪聲達(dá)到103dB，振動(dòng)幅值達(dá)到0.26mm，噪聲和振動(dòng)嚴(yán)重影響到了機(jī)組的安全運(yùn)行。本文以溧陽抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)推力軸承外循環(huán)系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)推力外循環(huán)系統(tǒng)在調(diào)試期間出現(xiàn)的噪聲和振動(dòng)問題進(jìn)行分析，并對(duì)外循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整改、增加消泡裝置和增加變頻器的實(shí)施效果進(jìn)行了對(duì)比。最終結(jié)果表明：推力外循環(huán)泵系統(tǒng)增加變頻器降低轉(zhuǎn)速的方案在處理外循環(huán)系統(tǒng)的噪聲和振動(dòng)問題具有顯著的效果。

抽水蓄能；發(fā)電電動(dòng)機(jī)；推力軸承；外循環(huán)系統(tǒng)；噪聲；振動(dòng)

0 前言

外加泵外循環(huán)系統(tǒng)是水輪發(fā)電機(jī)組重要的輔助設(shè)備之一，其運(yùn)行的可靠性直接決定著軸承運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。由于外加泵外循環(huán)系統(tǒng)具有油流量大、冷卻效果好和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的大容量、高轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)組采用這種冷卻方式。國(guó)內(nèi)一些發(fā)電設(shè)備廠對(duì)外加泵外循環(huán)系統(tǒng)作了一些試驗(yàn)研究，總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)[1, 2]，但依然存在很大的不足。

隨著外加泵外循環(huán)系統(tǒng)的普遍采用，國(guó)內(nèi)不少機(jī)組出現(xiàn)了外循環(huán)噪音和振動(dòng)問題。以往處理方式大多是從推力油槽結(jié)構(gòu)、外循環(huán)系統(tǒng)管路、加工處理外循環(huán)油泵以及更換外循環(huán)系統(tǒng)的泵和電機(jī)方面著手。這些方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)成本高，效果并不樂觀[3-5]。

本文通過對(duì)溧陽推力外循環(huán)系統(tǒng)電機(jī)增加變頻器來調(diào)整外循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，加長(zhǎng)推力油槽內(nèi)油循環(huán)時(shí)間，改善泵吸口負(fù)壓，最終徹底解決了外循環(huán)系統(tǒng)振動(dòng)和噪聲的問題。

1 推力軸承及外循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 推力軸承結(jié)構(gòu)

溧陽抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)為半傘式結(jié)構(gòu)，推力軸承位于轉(zhuǎn)子下方，推力和下導(dǎo)軸承共用一個(gè)油槽，為組合體結(jié)構(gòu)[6, 7]。機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為300r/min，額定推力負(fù)荷為815t，推力軸承配置12塊巴氏合金推力瓦，并配備有高壓油頂起系統(tǒng)和外加泵外循環(huán)系統(tǒng)。設(shè)置16塊巴氏合金導(dǎo)軸承瓦，采用球面支柱與機(jī)架座圈形成徑向支撐。油槽中部設(shè)置冷熱油隔板，隔板上方為熱油區(qū)域，下方為冷油區(qū)域。隔板貫穿均勻裝有12根Φ60mm的外循環(huán)系統(tǒng)的吸油管，在下機(jī)架下方形成環(huán)管，隔油板下方為外循環(huán)的回油環(huán)管。整個(gè)吸油管和回油管與外循環(huán)系統(tǒng)相連，與油槽一起形成整個(gè)封閉的循環(huán)系統(tǒng)。推力軸承具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 推力軸承裝配

1.2 外循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

推力軸承配備一套外加泵外循環(huán)系統(tǒng)[8]。推力油槽的油量為16000L，外循環(huán)的油流量為6700L/min,工作壓力為0.6MPa。外循環(huán)設(shè)置兩套泵組，在運(yùn)行過程中互為主備。其中油泵為螺桿泵，型號(hào)為TRQ7100R46U-7.14-V-W203，電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為M2QA-315S-4，功率為110kW，轉(zhuǎn)速為1490r/min，工作電源為380V/50Hz；外循環(huán)系統(tǒng)采用兩套板式換熱器，兩套油過濾器和兩套水過濾器，均為一套工作，另一套備用；吸油管管徑為DN250，由推力油槽內(nèi)12根Φ60匯聚而成總管，回油管管徑為DN250，直接與推力油槽內(nèi)環(huán)管相連，同時(shí)管路上設(shè)置有止回閥門、泄壓閥、溫度和壓力傳感器等部件。推力外循環(huán)系統(tǒng)布置在水輪機(jī)層的風(fēng)罩外壁旁，泵的入口高層比推力油槽底部低約2.3m，底板上安裝有減振地腳，實(shí)物如圖2所示，系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖2 推力外循環(huán)系統(tǒng)實(shí)物圖

圖3 推力外循環(huán)系統(tǒng)原理圖

2 外循環(huán)系統(tǒng)存在的問題

溧蓄電站6號(hào)、5號(hào)和4號(hào)機(jī)組在調(diào)試和投入商業(yè)運(yùn)行前期均存在外循環(huán)系統(tǒng)泵噪聲和管路系統(tǒng)振動(dòng)大的問題。泵的噪聲達(dá)到103dB，振動(dòng)水平幅值達(dá)0.26mm（啟動(dòng)另一套備用泵系統(tǒng)情況相同）[9]。系統(tǒng)中管路振動(dòng)大導(dǎo)致閥門手柄振掉，法蘭連接螺栓松動(dòng)等現(xiàn)象，儀表、傳感器接頭處出現(xiàn)滲油現(xiàn)象，人站在系統(tǒng)底板上明顯感覺腳麻。噪聲污染廠房環(huán)境，長(zhǎng)時(shí)間對(duì)人的身心造成傷害[10]。問題較為嚴(yán)重，影響到機(jī)組的安全運(yùn)行。

3 振動(dòng)和噪聲問題分析

推力外循環(huán)出現(xiàn)如下現(xiàn)象：

（1）機(jī)組靜止時(shí)啟動(dòng)外循環(huán)系統(tǒng)，泵電機(jī)整體的噪聲為85dB，聲音正常，符合泵和電機(jī)噪音相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）機(jī)組啟動(dòng)，當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速達(dá)到110r/min之后，噪音和系統(tǒng)的振動(dòng)變得明顯。機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速300r/min，振動(dòng)和噪聲趨于穩(wěn)定的103dB（6號(hào)、5號(hào)和4號(hào)機(jī)組大致相同）。

（3）機(jī)組停止15min，外循環(huán)系統(tǒng)泵的噪聲還未消失，對(duì)泵前端管路排油檢查，發(fā)現(xiàn)依舊有大量微小氣泡。

（4）泵前端吸油管上安裝的壓力表示數(shù)為－0.1MPa，泵出現(xiàn)吸空現(xiàn)象。

（5）啟動(dòng)推力外循環(huán)系統(tǒng)，安裝在管路上的超聲波流量計(jì)顯示值和設(shè)計(jì)值6700L/min相當(dāng)，隨著機(jī)組的運(yùn)行，轉(zhuǎn)速的升高，超聲波流量計(jì)流量逐漸不穩(wěn)，最終測(cè)不出數(shù)據(jù)。

（6）吸油管油流速為2.27m/s，整個(gè)油槽油循環(huán)一遍時(shí)間不到2.5min。

（7）泵身有消音通道，通過調(diào)節(jié)泵側(cè)面上、下兩個(gè)消音螺栓能將噪音降低到97dB，但消音螺栓調(diào)節(jié)量有限。

推力外循環(huán)系統(tǒng)油流量較大，推力油槽相對(duì)較小，管路管徑選擇不當(dāng)，導(dǎo)致油流速較大。這些因素導(dǎo)致機(jī)組推力頭、鏡板旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣泡或者溶解在油中的微小氣泡來不及在油槽內(nèi)釋放就被吸入到泵內(nèi)。當(dāng)油經(jīng)過主螺桿和2個(gè)副螺桿嚙合區(qū)時(shí)，氣泡在負(fù)壓情況下潰滅，產(chǎn)生極大的壓強(qiáng)，對(duì)周圍物體產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。大量氣泡潰滅最終導(dǎo)致泵發(fā)出持續(xù)的噪聲和振動(dòng)，這是泵噪聲和整個(gè)系統(tǒng)振動(dòng)的本質(zhì)原因。上述（3）、（4）、（5）和（6）所描述的現(xiàn)象能很好地印證這個(gè)觀點(diǎn)。此問題及現(xiàn)象與寶珠寺電站推力外循環(huán)系統(tǒng)以及惠州抽水蓄能水導(dǎo)軸承出現(xiàn)的問題為同一類型問題[3, 4]。

4 處理措施及結(jié)果

針對(duì)推力外循環(huán)出現(xiàn)的問題及現(xiàn)象，可采取的措施如下：

（1）增大推力油槽，或者增加副油箱。以此來增加油循環(huán)時(shí)間，讓油內(nèi)混雜或者溶解的氣泡有時(shí)間釋放。

（2）增大吸油管管路直徑。管路截面要大于泵吸口截面，減少管路阻力，改善負(fù)壓情況。

（3）將推力油槽內(nèi)12根Φ60mm的吸油管路高度降低，向油槽壁開斜坡口，并將推力頭上7個(gè)甩油孔封堵3個(gè)。

（4）將吸油管由豎直改為水平朝向油槽壁，并在吸油口與旋轉(zhuǎn)部件之間增加消泡裝置，將氣泡消除。

（5）泵組的電機(jī)為變頻電機(jī)，增加變頻裝置來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變螺桿泵的油流量，讓部分氣泡有時(shí)間在油槽內(nèi)釋放。

鑒于目前機(jī)組的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)及調(diào)試情況，第（1）和（2）兩條處理措施花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，成本也大，不予采納。第（3）條措施實(shí)踐證明毫無效果。第（4）條措施還未得到驗(yàn)證，但是增加消泡板會(huì)增加泵前端管路的負(fù)壓，效果未必樂觀，并且在狹小的油槽內(nèi)操作難度大。第（5）條措施首先在5號(hào)機(jī)組實(shí)施并得到了驗(yàn)證（見表1）。隨后在其它機(jī)組實(shí)施，效果明顯。

表1 推力外循環(huán)變頻器方案試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過變頻器將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在900r/min。機(jī)組運(yùn)行2.5h，外循環(huán)系統(tǒng)噪聲和振動(dòng)穩(wěn)定，電動(dòng)機(jī)外體溫度正常，機(jī)組推力瓦溫、下導(dǎo)瓦溫和油槽油溫均正常。緊接著做變頻器的升速試驗(yàn)，從900r/min逐步升高到1490r/min，中間每個(gè)轉(zhuǎn)速停留10min。外循環(huán)系統(tǒng)整體的噪聲由89dB上升到103dB，泵的振動(dòng)幅值由0.05mm上升到0.26mm，隨后，加變頻器的5號(hào)機(jī)組和沒整改的6號(hào)機(jī)組在相同水溫、相同工況、相同負(fù)荷熱穩(wěn)定情況下做了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果為5號(hào)機(jī)推力瓦高出6號(hào)機(jī)2℃。

哈電根據(jù)測(cè)得的實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)溧陽機(jī)組推力軸承潤(rùn)滑重新計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，加變頻器降低外循環(huán)流量（理論上流量降低到原先的60.4%），推力軸承在冷卻水溫為32℃條件下能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，熱穩(wěn)定后的推力瓦溫不超過80°C，能滿足機(jī)組的安全運(yùn)行并且有一定的裕度[11]。

5 結(jié)論

（1）變頻器作為降低油泵轉(zhuǎn)速進(jìn)而降低噪聲的方案經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，效果明顯，對(duì)今后類似問題的處理具有指導(dǎo)意義。

（2）推力油槽結(jié)構(gòu)以及外循環(huán)管路系統(tǒng)需要與循環(huán)油流量匹配。

（3）需要進(jìn)一步研究外循環(huán)油流量與推力瓦溫的關(guān)系，合理選擇外循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)。

[1] 劉漢城. 大型水輪發(fā)電機(jī)推力軸承散熱方式探討──潤(rùn)滑油外循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述[J]. 大電機(jī)技術(shù), 1994(5):6-12.

[2] 李明宇, 武中德, 吳軍令. 大型水輪發(fā)電機(jī)推力軸承外加泵外循環(huán)冷卻技術(shù)[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2014(5):18-19.

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[9] GB/T 29529-2013,泵的噪聲測(cè)量與評(píng)價(jià)方法[S].

[10] GB 18083-2000,以噪聲污染為主的工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生防護(hù)距離標(biāo)準(zhǔn)[S].

[11] 肖先照. 響水澗推力瓦溫偏高原因分析及處理[J]. 上海大中型電機(jī), 2015(1):53-55.

Analysis and Process of the Noise and Vibration of Thrust Bearing Oil Out-circulation System For Liyang Pumped-storage

WEI Li1, ZHANG Cunjian1, GAO Congchuang1, XIAO Xianzhao2, WANG Yanwu2, LIU Yu2, WU Qianqian2, LI Yue2

(1. Jiangsu Guoxin Liyang Pumped-storage Power Generating Co., Ltd., Changzhou 211108, China;2. Harbin Electric Machinery Co., Ltd., Harbin 150040, China)

Thrust bearing oil out-circulation system is one of the most important auxiliary equipment, the merits of the performance of which determine the stability of unit operation. The noise of thrust bearing oil out-circulation system is up to 103dB, and the vibration amplitude is up to 0.26mm during the commissioning stage. In this paper, taking the structural feature of generator-motor thrust bearing oil out-circulation system for Liyang Pumped-storage Power Station as the object of the research, noise and vibration of thrust bearing oil out-circulation system during the commissioning stage are analyzed. The effect of adding defoaming plate and frequency converter in thrust bearing oil out-circulation system is shown. Final conclusion shows, increasing the frequency converter in thrust bearing oil out-circulation system has a significant effect on handling the noise and vibration.

pumped-storage; generator-motor; thrust bearing; out-circulation system; noise; vibration

TM301.4+2

A

1000-3983(2017)06-0022-03

2017-02-06

魏力（1978-），2001年畢業(yè)于南京工程學(xué)院發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)從事抽水蓄能電站生產(chǎn)運(yùn)行管理工作，工程師。