廣東水電云南投資有限公司 艾永俊

1 引言

水輪發(fā)電機(jī)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(yùn)行可靠性對(duì)電網(wǎng)安全保供電和國(guó)家改革、快速發(fā)展具有舉足輕重的作用。水輪發(fā)電機(jī)各軸承油主要起軸承潤(rùn)滑、軸瓦冷卻作用，其運(yùn)行油位真實(shí)、可靠監(jiān)測(cè)對(duì)機(jī)組安全、可靠運(yùn)行具有極其重要的控制、保護(hù)作用[1]。軸承運(yùn)行油位測(cè)值跳變、失真必然會(huì)給水輪發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行帶來不利影響，及時(shí)做好相關(guān)處理工作十分關(guān)鍵，也是本文研究的重點(diǎn)所在。

2 國(guó)內(nèi)外液位測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀

在電力行業(yè)中，常需要測(cè)量各種液體高度（如水位、油位）參數(shù)，但由于測(cè)量是瞬時(shí)動(dòng)態(tài)信號(hào)，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(shí)、可靠測(cè)量研究具有一定的研究?jī)r(jià)值。

2.1 國(guó)外液位測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀

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

2.2 國(guó)內(nèi)液位測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀

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

近年來，伴隨著改革開放，我國(guó)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平迅猛發(fā)展，測(cè)量技術(shù)和測(cè)量傳感器研究獲得較大發(fā)展，產(chǎn)品性能指標(biāo)、功能都有了質(zhì)的飛躍，但是與國(guó)外同類相比還有待進(jìn)一步改進(jìn)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(jī)軸承油位測(cè)值跳變、失真、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)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(duì)其進(jìn)行分析研究和可借鑒的技術(shù)方案較少。為此，對(duì)其進(jìn)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(jī)軸承運(yùn)行油位測(cè)值跳變、失真問題技術(shù)研究

3.1 項(xiàng)目概況

馬堵山水電廠屬區(qū)域內(nèi)較大水電廠，承擔(dān)電力系統(tǒng)區(qū)域調(diào)峰、調(diào)頻、黑啟動(dòng)保供電任務(wù)，其3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)（96MW×3）上、下導(dǎo)軸承運(yùn)行油位自投運(yùn)以來，均存在測(cè)值跳變、失真共性問題。承運(yùn)行油位測(cè)值跳變、失真引發(fā)的水輪發(fā)電機(jī)無法正常按時(shí)開機(jī)，油位傳感器（油位計(jì)）過高或過低電氣接點(diǎn)報(bào)警誤動(dòng)，軸承加油過量導(dǎo)致的甩油、跑油，軸承少油不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)而導(dǎo)致機(jī)組軸承瓦溫升高的非計(jì)劃停機(jī)等問題，在馬堵山水電廠實(shí)際運(yùn)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(jì)、差壓式油介質(zhì)液位計(jì)和同時(shí)安裝兩種液位計(jì)等手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)均未徹底解決。

3.2 問題分析過程

3.2.1 準(zhǔn)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(xiàng)目研究組，開展項(xiàng)目攻關(guān)，同期部署項(xiàng)目研究任務(wù)。

二是通過查閱馬堵山水電廠3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)上、下導(dǎo)軸承油槽圖紙（上導(dǎo)軸承裝配圖號(hào)：GMS0320000；下導(dǎo)軸承裝配圖號(hào)GMS0603000）、水輪機(jī)發(fā)電機(jī)技術(shù)文件（文檔號(hào)：GMS0000000JT）、設(shè)備技術(shù)臺(tái)賬、運(yùn)行臺(tái)賬記錄獲取設(shè)備實(shí)際運(yùn)行工況和運(yùn)行技術(shù)條件如下：

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

②軸承油位測(cè)量管選材、結(jié)構(gòu)、管徑與設(shè)計(jì)圖紙相符（測(cè)量管徑DN25），自投運(yùn)以來未變更。

③水輪發(fā)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，額定轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)圖紙、水輪機(jī)技術(shù)文件給定值142.9r/min 相符。

④軸承油位測(cè)量管取油口高程、尺寸與設(shè)計(jì)圖紙相符，（取油口開孔尺寸與測(cè)量管徑DN25一致，開口位置位于油槽側(cè)邊最底部），自投運(yùn)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(jìn)行油質(zhì)檢測(cè)，檢測(cè)報(bào)告顯示油運(yùn)動(dòng)粘度等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)行、檢修過程中，各軸承每次加油總量始終與實(shí)際油位保持不變（以軸瓦中心孔進(jìn)行測(cè)量復(fù)核）。

⑥同型磁翻板液位計(jì)和差壓式液位計(jì)在馬堵山水電廠其他液位測(cè)量對(duì)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(jì)、差壓式油介質(zhì)液位計(jì)或同時(shí)安裝兩種液位計(jì)等手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，馬堵山水電廠上、下導(dǎo)軸承運(yùn)行油位測(cè)量均存在測(cè)值跳變、失真現(xiàn)象。

⑧通過3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)上、下導(dǎo)軸承運(yùn)行油位跳變、失真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出：3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)上、下導(dǎo)軸承運(yùn)行油位測(cè)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(yùn)行工況、數(shù)據(jù)分析結(jié)果，參考《流體力學(xué)》[3]，應(yīng)用流體運(yùn)動(dòng)伯努利方程：p+ρgh+1/2ρv2=C 及其推導(dǎo)公式S1V1=S2V2和國(guó)內(nèi)、國(guó)外測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，進(jìn)一步分析研究，形成研究結(jié)論。

3.2.2.1 主要研析過程

機(jī)組運(yùn)行中，各軸承運(yùn)行油位為動(dòng)態(tài)瞬時(shí)值，根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)伯努利方程：p+ρgh+1/2ρv2=C 和軸承油位測(cè)量原理（以差壓式油位計(jì)為例：將油位形成的壓強(qiáng)（壓強(qiáng)總和）變化傳感為電阻變化，經(jīng)信號(hào)變換電路變換為4～20mA 輸出信號(hào)，用于進(jìn)行油位顯示、控制、報(bào)警等），在準(zhǔn)備工作中①、③、④、⑤調(diào)查成果基礎(chǔ)上進(jìn)行分析得知：

①各軸承運(yùn)行油位測(cè)值變化幅度ΔH 受位勢(shì)能（P）、壓力勢(shì)能（ρgh）的影響較小，可以忽略，ΔH 受動(dòng)能（1/2ρv2）形成的動(dòng)壓變化ΔP 影響較大，而動(dòng)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(jì)安裝點(diǎn)油流變化速度（即測(cè)量管路油流變化速度）。

②根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)伯努利方程：p+ρgh+1/2ρv2=C 及其推導(dǎo)公式S1V1=S2V2，將軸承油位測(cè)量傳感器或液位計(jì)測(cè)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(cè)量傳感器或液位計(jì)測(cè)量管路截面積定義為S2、傳感器或液位計(jì)安裝點(diǎn)油流速定義為V2。

由準(zhǔn)備工作⑧已知3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)上、下導(dǎo)軸承運(yùn)行油位測(cè)值跳變、失真幅度ΔH 最大值ΔHmax：110mm 和油位運(yùn)行允許變幅值（中心油位±20mm）。

由準(zhǔn)備工作①、③、④、⑤，可視S1、V1為恒定值。此時(shí)，V2大小取決于測(cè)量傳感器或液位計(jì)測(cè)量管路截面積S2。即測(cè)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(tái)水輪發(fā)電機(jī)上、下導(dǎo)軸承運(yùn)行油位測(cè)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(jìn)行調(diào)幅系數(shù)計(jì)算（ΔHmax 滿足，變化幅度≦ΔHmax 的測(cè)值一定滿足）。

在此，以#3機(jī)組上導(dǎo)軸承運(yùn)行油位跳變?chǔ)max=110mm 為例進(jìn)行具體分析、研究（其他機(jī)組相關(guān)導(dǎo)軸承油位分析方法和過程相同）：

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

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

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

則：動(dòng)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(dǎo)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(cè)量管路截面積；S2’為調(diào)幅后油位測(cè)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(dòng)壓變化ΔP 調(diào)幅系數(shù)ΔPt=ΔH 調(diào)幅系數(shù)=k。

計(jì)算得出：S2’/S2=2.34。

根據(jù)管路截面積計(jì)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(jī)軸承運(yùn)行油位測(cè)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(jī)上、下導(dǎo)軸承、油槽結(jié)構(gòu)、尺寸、各軸承油位計(jì)安裝位置（高程）不變；水輪發(fā)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；軸承油位測(cè)量管取油口高程、尺寸不變；各軸承油質(zhì)（油運(yùn)動(dòng)粘度等）符合行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的前提下，水輪發(fā)電機(jī)軸承運(yùn)行油位測(cè)值跳變、失真程度ΔH 主要取決于軸承運(yùn)行油位測(cè)量管路油動(dòng)壓變化（即動(dòng)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(yùn)行油位變化ΔH 最大幅值ΔHmax 與技術(shù)文件規(guī)定的軸承運(yùn)行油位允許變化幅值ΔHb 求得：k=ΔHmax/ΔHb；

②技術(shù)方案：解決（減?。┹S承運(yùn)行油位測(cè)值跳變、失真問題，可通過增大軸承運(yùn)行油位測(cè)量管路截面積S2’來實(shí)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(cè)量管路截面積；S2’：調(diào)幅后油位測(cè)量管路截面積；ΔHmax：運(yùn)行油位油跳變最大幅值；ΔHb：運(yùn)行油位允許變化幅值，一般由水輪機(jī)組技術(shù)文件確定；k=ΔHmax/ΔHb）。

因此，本項(xiàng)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(duì)照表》，管徑≥38.2mm 可取值：DN40、DN50。 綜合考慮ΔHmax、ΔHb 理論分析計(jì)算時(shí)均按最大值取值，DN40處于接近≥38.2mm 臨界，為使軸承運(yùn)行油位測(cè)值跳變、失真程度調(diào)控品質(zhì)更優(yōu)，本項(xiàng)目選擇管徑DN50進(jìn)行調(diào)幅驗(yàn)證。

3.2.3 研究結(jié)論和技術(shù)方案驗(yàn)證

試驗(yàn)時(shí)間：2016年1 ～5月、2017年1 ～5月、2018年1～5月。

試驗(yàn)過程：試驗(yàn)結(jié)合3臺(tái)機(jī)組計(jì)劃性A 修順序進(jìn)行，2016年完成#3機(jī)組；2017年完成#2機(jī)組；2018年完成#1機(jī)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(zhǔn)備工作①、③、④、⑤不變的情況下，通過變更3臺(tái)機(jī)組上、下導(dǎo)軸承運(yùn)行油位測(cè)量管徑（由DN25增大至DN50），對(duì)理論研究結(jié)論進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析整理。

圖2 2019年#2機(jī)組軸承油位運(yùn)行曲線

圖3 2019年#3機(jī)組軸承油位運(yùn)行曲線

試驗(yàn)結(jié)論：理論研究結(jié)論經(jīng)運(yùn)行試驗(yàn)、分析，馬堵山水電廠3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)各軸承運(yùn)行油位測(cè)值跳變、失真問題得到解決，后續(xù)需進(jìn)行應(yīng)用成果跟蹤評(píng)估[4]。

3.2.4 應(yīng)用成果跟蹤評(píng)估

2019年，項(xiàng)目組對(duì)項(xiàng)目成果應(yīng)用進(jìn)行持續(xù)跟蹤評(píng)估，各機(jī)組軸承運(yùn)行油位測(cè)值數(shù)據(jù)跟蹤分析評(píng)估如圖1～3。

圖1 2019年#1機(jī)組軸承油位運(yùn)行曲線

評(píng)估結(jié)論：馬堵山水電廠3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)各軸承運(yùn)行油位測(cè)值跳變、失真問題研究應(yīng)用成果穩(wěn)定，提升了機(jī)組安全運(yùn)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(tái)水輪發(fā)電機(jī)各軸承運(yùn)行油位測(cè)值跳變、失真問題，提高水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行可靠性，減少運(yùn)維人員工作量。

研究前：維護(hù)頻次1次/臺(tái)班，維護(hù)工時(shí)1工時(shí)/臺(tái)班。研究后：維護(hù)頻次0次/臺(tái)班，維護(hù)工時(shí)0工時(shí)/臺(tái)班，提高水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行可靠性，減少運(yùn)維人員工作量。

二是有利于改善機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。①減少軸承運(yùn)行油位問題帶來的非計(jì)劃停機(jī)和燒瓦事故，降低機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，改善運(yùn)行條件。②提高對(duì)電網(wǎng)安全保供電和國(guó)家改革、快速發(fā)展服務(wù)能力。

三是同類型機(jī)組可借鑒參考應(yīng)用。項(xiàng)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(jī)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(jì)效益。①減少維護(hù)工時(shí)1工時(shí)/臺(tái)班。3工時(shí)/天、單價(jià)300元/工時(shí)，每年可節(jié)約：150天1.5工時(shí)/天300元/工時(shí)=13.5萬元。②減少非計(jì)劃停機(jī)3臺(tái)次/年，停機(jī)時(shí)間24小時(shí)/臺(tái)次。節(jié)約電網(wǎng)考核費(fèi)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(jì)節(jié)約生產(chǎn)成本和提高經(jīng)濟(jì)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(jī)運(yùn)行中，軸承運(yùn)行油位測(cè)值跳變、失真極易導(dǎo)致油位計(jì)過高或過低電氣接點(diǎn)報(bào)警誤動(dòng)，影響水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)；或是因軸承少油、補(bǔ)/加油過量等問題，引發(fā)機(jī)組事故，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[5]。本文針對(duì)馬堵山水電廠3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)上、下導(dǎo)軸承運(yùn)行油位跳變、失真問題開展理論分析、計(jì)算、研究，找到解決水輪發(fā)電機(jī)軸承運(yùn)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(tái)水輪發(fā)電機(jī)計(jì)劃性A 修，分階段、分臺(tái)次開展研究結(jié)論和方法的試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證其可行性、有效性。解決了馬堵山水電廠3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)上、下導(dǎo)軸承運(yùn)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。