王 衛(wèi)，崔曉遠(yuǎn)，楚 軒

(江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800)

1 概 述

沙集水電站坐落于江蘇省徐州市睢寧縣沙集鎮(zhèn)沙集大橋南約2 km處的徐洪河上，工程整體結(jié)構(gòu)采用閘站結(jié)合的形式；中間為抽水能力50 m3/s的抽水站，兩側(cè)布置設(shè)計(jì)流量為200 m3/s、校核400 m3/s的節(jié)制閘。全部工程按1級(jí)水工建筑物設(shè)計(jì)，抗震標(biāo)準(zhǔn)按9度地震烈度設(shè)防。站身為堤身式塊基型結(jié)構(gòu)，進(jìn)水流道采用肘形管，其進(jìn)口設(shè)置檢修閘門(mén)；出水流道采用平直管，快速門(mén)斷流，快速閘門(mén)采用繩鼓式快速啟閉機(jī)操作。

抽水站選用1800HD—10.5型立式混流泵，共5臺(tái)套，單機(jī)流量10 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程10.5 m，配套TL1600—20/2150主電機(jī)5臺(tái)，功率1 600 kW，總裝機(jī)容量8 000 kW；設(shè)計(jì)水位組合為上游21.5 m、下游12.0 m；是江蘇省第一批利用世界銀行貸款興建的大型水利工程，隸屬于省駱運(yùn)水利工程管理處管轄，是江水北調(diào)和南水北調(diào)通道上的重要水利工程。該站可以利用每年8—12月份上游豐水期來(lái)水及黃墩湖地區(qū)部分澇水下泄，采用泵站反向發(fā)電技術(shù)，通過(guò)機(jī)組倒轉(zhuǎn)發(fā)電并網(wǎng)，發(fā)揮工程效益。

泵站反向發(fā)電運(yùn)行時(shí)，由于設(shè)計(jì)揚(yáng)程較高，達(dá)到9.5 m，最差來(lái)水時(shí)也超過(guò)6 m，上下游水頭較高，設(shè)備飛逸轉(zhuǎn)速也較高；因此采用人為將主機(jī)三相電纜進(jìn)行調(diào)相，使水流倒沖電動(dòng)機(jī)組發(fā)電上網(wǎng)，并再增加過(guò)頻、過(guò)電壓保護(hù)設(shè)備后即可運(yùn)行。這種方法不增加新設(shè)備，自動(dòng)化保護(hù)系統(tǒng)也不需太大變動(dòng)，而且可操作性容易，簡(jiǎn)單易上手；但對(duì)于沙集抽水站這種安裝立式導(dǎo)葉式混流泵的泵站，它的進(jìn)、出水流道設(shè)計(jì)都是為了配合高揚(yáng)程向上游抽水，這種直接提閘倒沖機(jī)組的發(fā)電方式效率并不高(實(shí)際測(cè)算僅為30%左右)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一般傳統(tǒng)臥式水輪發(fā)電機(jī)組的工作效率；而且這種倒沖發(fā)電的上網(wǎng)功率還受進(jìn)出水口水位變化影響，水資源能量不能得到充分利用，工程效益得不到充分發(fā)揮。

導(dǎo)致沙集水電站機(jī)組上網(wǎng)效率不高的主要原因是倒沖發(fā)電時(shí)的水頭較高、轉(zhuǎn)速較快，要想提高發(fā)電效率必須降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。因此，為了充分發(fā)揮工程效益，合理利用水資源，同時(shí)優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行的安全性，2014年沙集水電站進(jìn)行了一次增效擴(kuò)容改造。購(gòu)買(mǎi)2臺(tái)臥式極數(shù)不同的電機(jī)(TF 2400—10的變頻發(fā)電機(jī)和TD 2500—8的變頻電動(dòng)機(jī)各一臺(tái))連接在一起，組成機(jī)械變頻機(jī)組，同轉(zhuǎn)運(yùn)行，變頻發(fā)電機(jī)組工頻運(yùn)行，通過(guò)主變與供電母線(xiàn)相連；另一臺(tái)電機(jī)工作在對(duì)應(yīng)低頻狀態(tài)下，接水泵同步電動(dòng)機(jī)母線(xiàn)側(cè)。生產(chǎn)前，先開(kāi)啟變頻發(fā)電機(jī)再開(kāi)啟變頻電動(dòng)機(jī)，通過(guò)變頻電動(dòng)機(jī)發(fā)出的低頻小電網(wǎng)拖動(dòng)泵站同步電動(dòng)機(jī)組倒轉(zhuǎn)發(fā)電，將水泵電機(jī)抽水轉(zhuǎn)速降低為發(fā)電理想轉(zhuǎn)速，本質(zhì)上是通過(guò)極數(shù)的不同改變水泵發(fā)電時(shí)的轉(zhuǎn)速，從而提高發(fā)電效率。

2 改造緣由

沙集水電站2臺(tái)臥式變頻機(jī)組是提高發(fā)電生產(chǎn)效率的關(guān)鍵設(shè)備，2臺(tái)電機(jī)工作在600 r/min的高轉(zhuǎn)速條件下，電機(jī)軸相對(duì)軸瓦作高速運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生大量熱能，需要及時(shí)排出；否則會(huì)燒壞軸瓦表面噴鍍的巴氏合金，影響機(jī)組安全運(yùn)行。變頻機(jī)組軸瓦冷卻用油主要通過(guò)2臺(tái)螺桿泵(互為備用)從稀油站油箱抽取，經(jīng)過(guò)磁網(wǎng)過(guò)濾器到達(dá)冷卻器冷卻后，通過(guò)供油管路送到變頻電機(jī)軸承油缸處潤(rùn)滑冷卻軸瓦，帶走產(chǎn)生的高溫?zé)崮?；再?jīng)回油管回流到稀油站油箱內(nèi)，如此循環(huán)往復(fù)對(duì)變頻電機(jī)軸瓦進(jìn)行冷卻。該稀油站主要由油箱、電加熱器、2臺(tái)定量油泵裝置、雙筒過(guò)濾器、管式冷卻器、回油磁(柵)網(wǎng)過(guò)濾裝置、功能性閥門(mén)(單向閥、安全閥、開(kāi)關(guān)閥門(mén))及管道、控制元件(壓力傳感器、壓差控制器、溫度傳感器、液位控制器)、顯示儀表(壓力表、溫度表、液位計(jì))、電控柜等組成。稀油潤(rùn)滑設(shè)備具有2臺(tái)油泵裝置(互為備用)，一臺(tái)工作、一臺(tái)備用；當(dāng)系統(tǒng)壓力低于下限設(shè)定值時(shí)，備用油泵自動(dòng)投入工作，當(dāng)達(dá)到正常設(shè)定值時(shí)，備用泵自動(dòng)停止。

在某一年夏季，沙集水電站運(yùn)行發(fā)電時(shí)，氣溫較高，室外溫度達(dá)到35 ℃左右；同時(shí)由于稀油站設(shè)備與變頻機(jī)組設(shè)備共處在一個(gè)房間內(nèi)，變頻電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量的熱不能及時(shí)排出，匯聚在房間里。另外，室內(nèi)通風(fēng)不良，設(shè)備環(huán)境溫度一度超出運(yùn)行要求。此時(shí)稀油站的油泵電機(jī)突然跳閘，循環(huán)油泵停止工作，油循環(huán)被迫中斷；2臺(tái)變頻機(jī)組軸瓦處的潤(rùn)滑油在重力作用下很快回流到稀油站油箱里，軸瓦得不到充分潤(rùn)滑和冷卻，瓦溫迅速升高，引起變頻發(fā)電機(jī)組高溫跳閘保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組故障停機(jī)。

通過(guò)查詢(xún)?cè)O(shè)備保護(hù)單元箱事件記錄，并結(jié)合相關(guān)資料綜合分析，本次故障停機(jī)是由于稀油站1號(hào)油泵電動(dòng)機(jī)斷路器故障跳閘致使循環(huán)油泵停運(yùn)，導(dǎo)致變頻發(fā)電機(jī)組軸瓦油缸潤(rùn)滑冷卻供油循環(huán)中斷；而油缸出油仍在繼續(xù)，油缸里的潤(rùn)滑冷卻油持續(xù)減少，油位快速降低，致使發(fā)電機(jī)軸瓦得不到有效冷卻，熱量散不出去，瓦溫快速升高至溫度保護(hù)跳閘設(shè)定溫度，發(fā)電機(jī)因溫高保護(hù)跳閘。變頻機(jī)組靠自重完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間需6 min左右，較正常完全停機(jī)需要20 min左右時(shí)間大大減少；原因是由于發(fā)電機(jī)油缸里的汽輪機(jī)油流失過(guò)多，剩下的油不足以支撐軸瓦和旋轉(zhuǎn)的電機(jī)軸充分潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油膜破壞產(chǎn)生了半摩擦，摩擦系數(shù)大大增加，從而加速機(jī)組停機(jī)。根本原因還是稀油站系統(tǒng)本身存在設(shè)計(jì)缺陷，即當(dāng)設(shè)備電源突然消失時(shí)，油系統(tǒng)沒(méi)有一個(gè)反事故措施，機(jī)組冷卻潤(rùn)滑油回流太快，沒(méi)有一個(gè)緩沖的過(guò)程，在很短的時(shí)間內(nèi)全部回流完；而變頻機(jī)組由于自重大，在慣性作用下完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)至少需要20 min左右，這段時(shí)間油缸里的軸瓦如果沒(méi)有充足的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，會(huì)導(dǎo)致軸瓦的溫度過(guò)快升高，甚至超過(guò)巴氏合金最大工作溫度，引起燒瓦事故。

3 改造方案

3.1 改造方案1

在稀油站旁邊設(shè)置1臺(tái)高位油箱，它是一種余量保護(hù)裝置，在機(jī)組正常工作時(shí)，潤(rùn)滑油經(jīng)過(guò)濾器通過(guò)高位油箱上部進(jìn)油管進(jìn)入油箱，再由油箱下部排油管進(jìn)入變頻機(jī)組各個(gè)供油點(diǎn)。當(dāng)稀油站循環(huán)油泵供潤(rùn)滑油中斷時(shí)，給變頻機(jī)組一個(gè)聯(lián)動(dòng)停機(jī)信號(hào)，同時(shí)儲(chǔ)存在高位油箱里的一定量潤(rùn)滑油將沿下部排油管，靠重力作用流經(jīng)各潤(rùn)滑點(diǎn)返回稀油站油箱，以維持變頻機(jī)組停機(jī)惰轉(zhuǎn)過(guò)程的潤(rùn)滑和冷卻需要，保證機(jī)組安全停車(chē)。

高位油箱應(yīng)布置在距離機(jī)組各個(gè)供油點(diǎn)最近的垂直上方，其至機(jī)組供油點(diǎn)的油管應(yīng)長(zhǎng)度最短、彎頭最少，以求最大限度地確保從高位油箱流至軸瓦潤(rùn)滑處的阻力最小。在高位油箱頂部開(kāi)有呼吸孔，可保證潤(rùn)滑油從油箱中流入潤(rùn)滑部位時(shí)，油箱的容積可由呼吸孔吸入的空氣進(jìn)行補(bǔ)充，以免在油箱中形成負(fù)壓，影響潤(rùn)滑油流出高位油箱。高位油箱儲(chǔ)存的油余量應(yīng)根據(jù)變頻機(jī)組惰轉(zhuǎn)停止時(shí)間確定，應(yīng)維持不小于30 min的供油時(shí)間。

理論上高位油箱應(yīng)設(shè)置在較高地方，開(kāi)機(jī)前需要提前打入一定量的潤(rùn)滑油。在日常的調(diào)試維護(hù)中，都需要借助人工爬高操作，工作繁瑣、效率低；并且由于油箱的設(shè)置需要占用一定的布置空間，設(shè)備略顯笨重。另外，在工作過(guò)程中，管路結(jié)點(diǎn)處容易產(chǎn)生滲漏油，造成壓力不穩(wěn)定，影響油箱中油液的安全儲(chǔ)油量，故障率高；不僅影響整個(gè)機(jī)組的安全運(yùn)行，還為后期環(huán)境衛(wèi)生清理增加難度，不利于長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中的日常維修養(yǎng)護(hù)。

3.2 改造方案2

選用一種常開(kāi)型直動(dòng)式直流電磁閥對(duì)原有稀油站油系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及改造。當(dāng)稀油站事故停機(jī)時(shí)，讓供變頻機(jī)組軸瓦冷卻潤(rùn)滑的油不立刻回流，在變頻機(jī)組油缸里停留30 min，待變頻機(jī)組完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，再回流到稀油站油箱中；其原理如圖1所示。

圖1 變頻機(jī)組油系統(tǒng)圖

3.2.1 常開(kāi)型直動(dòng)式直流電磁閥的工作原理

電磁閥是一種機(jī)電操作閥，該閥是由一個(gè)受控電流通過(guò)線(xiàn)圈，在雙端口的情況下，閥的流量被接通或斷開(kāi)。通電時(shí)，電磁線(xiàn)圈產(chǎn)生的電磁力把關(guān)閉件緊緊壓在閥座上，閥門(mén)關(guān)閉，整個(gè)關(guān)閥過(guò)程在瞬間(t<0.5 s)完成；斷電時(shí)，彈簧力把關(guān)閉件從閥座上快速提起，閥門(mén)打開(kāi)。

3.2.2 自動(dòng)化控制電路

控制電路如圖2所示。

圖2 控制電路圖

(1)時(shí)間繼電器KT的動(dòng)作時(shí)間可設(shè)定。變頻機(jī)組完全停下來(lái)至少需要20 min，這里KT的動(dòng)作時(shí)間設(shè)定為30 min；KT1為時(shí)間繼電器的延時(shí)斷開(kāi)觸點(diǎn)。

(2)SA為帶自鎖功能的旋鈕開(kāi)關(guān)。

(3)K1，K2分別是稀油站2臺(tái)循環(huán)油泵電機(jī)交流接觸器的常閉觸點(diǎn)。

(4)L是常開(kāi)型直動(dòng)式直流電磁閥的動(dòng)作線(xiàn)圈。

3.2.3 系統(tǒng)工作原理

在靠近變頻機(jī)組軸瓦油缸回油管處安裝1個(gè)常開(kāi)型直動(dòng)式直流電磁閥，同時(shí)直流電磁閥和機(jī)組軸瓦油缸之間的安裝距離盡量小。稀油站主機(jī)組開(kāi)啟，任意一臺(tái)油泵投入運(yùn)行，供油口壓力、油溫、冷卻水壓力穩(wěn)定正常后將自鎖旋鈕SA閉合。當(dāng)線(xiàn)路電源消失或稀油站主機(jī)組故障停機(jī)，2臺(tái)變頻機(jī)組跳閘后，此時(shí)2臺(tái)油泵電動(dòng)機(jī)斷路器跳閘，1號(hào)電機(jī)交流接觸器常閉觸點(diǎn)K1 閉合，2號(hào)電機(jī)交流接觸器常閉觸點(diǎn)K2 閉合，SA、K1、K2、KT回路接通，時(shí)間繼電器KT線(xiàn)圈得電，回路KT1、L接通，電磁閥L線(xiàn)圈得電，電磁閥關(guān)閉，回油管路被截止，潤(rùn)滑油會(huì)一直停留在變頻機(jī)組軸瓦油缸里，供給軸瓦潤(rùn)滑冷卻用。30 min后，變頻機(jī)組已完全停下來(lái)，此時(shí)時(shí)間繼電器延時(shí)斷開(kāi)觸點(diǎn)KT1斷開(kāi)，回路KT1、L斷開(kāi)，電磁閥L線(xiàn)圈失電，SA、K1、K2、KT回路仍在接通狀態(tài)，保證電磁閥始終在打開(kāi)狀態(tài)，回油管路重新打開(kāi)，變頻機(jī)組軸瓦油缸里的潤(rùn)滑油重新回流到稀油站油箱中。

此處配置直流電磁閥主要考慮是：當(dāng)水電站供電線(xiàn)路突然停電時(shí)，如果配置交流電磁閥，此時(shí)交流電磁閥將無(wú)法正常工作，這個(gè)自動(dòng)控制電路的功能將無(wú)法實(shí)現(xiàn)；而水電站都配置有一定容量的直流電源，不存在突然停直流電的狀況。這種設(shè)計(jì)需要增加的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備少，可操作性大，也未使原有油系統(tǒng)發(fā)生較大改變，資金投入也較少，后期維養(yǎng)管理更容易；因此摒棄了高位油箱的設(shè)計(jì)方案，選擇通過(guò)加裝快速電磁閥的方法避免變頻機(jī)組事故停機(jī)時(shí)發(fā)生燒瓦事故。

4 結(jié) 語(yǔ)

稀油站潤(rùn)滑油系統(tǒng)通過(guò)獨(dú)立設(shè)置的壓力傳感器、控制柜、油箱、循環(huán)油泵、過(guò)濾器和冷卻器等，使?jié)櫥鋮s油液得到充分過(guò)濾循環(huán)，以維持足夠的供油壓力和冷卻溫度；但是當(dāng)出現(xiàn)緊急停機(jī)情況時(shí)，潤(rùn)滑系統(tǒng)的循環(huán)工作油泵停電，變頻機(jī)組油缸無(wú)法得到滿(mǎn)足運(yùn)行工況的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑冷卻，只能半摩擦甚至干摩擦工作，導(dǎo)致軸瓦發(fā)熱，壽命降低；甚至發(fā)生軸瓦抱死在軸上的情況，影響整個(gè)機(jī)組的安全運(yùn)行。該變頻機(jī)組防燒瓦系統(tǒng)投運(yùn)后，可以有效消除因稀油站故障停機(jī)，變頻機(jī)組冷卻潤(rùn)滑油快速消失，致使機(jī)組軸瓦得不到充分冷卻潤(rùn)滑，瓦溫迅速升高，甚至引起燒瓦事故這一隱患。