王 衛(wèi)，崔曉遠，楚 軒

(江蘇省駱運水利工程管理處，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，工程整體結構采用閘站結合的形式；中間為抽水能力50 m3/s的抽水站，兩側布置設計流量為200 m3/s、校核400 m3/s的節(jié)制閘。全部工程按1級水工建筑物設計，抗震標準按9度地震烈度設防。站身為堤身式塊基型結構，進水流道采用肘形管，其進口設置檢修閘門；出水流道采用平直管，快速門斷流，快速閘門采用繩鼓式快速啟閉機操作。

抽水站選用1800HD—10.5型立式混流泵，共5臺套，單機流量10 m3/s，設計揚程10.5 m，配套TL1600—20/2150主電機5臺，功率1 600 kW，總裝機容量8 000 kW；設計水位組合為上游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，隸屬于省駱運水利工程管理處管轄，是江水北調和南水北調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，通過機組倒轉發(fā)電并網，發(fā)揮工程效益。

泵站反向發(fā)電運行時，由于設計揚程較高，達到9.5 m，最差來水時也超過6 m，上下游水頭較高，設備飛逸轉速也較高；因此采用人為將主機三相電纜進行調相，使水流倒沖電動機組發(fā)電上網，并再增加過頻、過電壓保護設備后即可運行。這種方法不增加新設備，自動化保護系統(tǒng)也不需太大變動，而且可操作性容易，簡單易上手；但對于沙集抽水站這種安裝立式導葉式混流泵的泵站，它的進、出水流道設計都是為了配合高揚程向上游抽水，這種直接提閘倒沖機組的發(fā)電方式效率并不高(實際測算僅為30%左右)，遠遠低于一般傳統(tǒng)臥式水輪發(fā)電機組的工作效率；而且這種倒沖發(fā)電的上網功率還受進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。

導致沙集水電站機組上網效率不高的主要原因是倒沖發(fā)電時的水頭較高、轉速較快，要想提高發(fā)電效率必須降低電動機轉速。因此，為了充分發(fā)揮工程效益，合理利用水資源，同時優(yōu)化機組運行的安全性，2014年沙集水電站進行了一次增效擴容改造。購買2臺臥式極數不同的電機(TF 2400—10的變頻發(fā)電機和TD 2500—8的變頻電動機各一臺)連接在一起，組成機械變頻機組，同轉運行，變頻發(fā)電機組工頻運行，通過主變與供電母線相連；另一臺電機工作在對應低頻狀態(tài)下，接水泵同步電動機母線側。生產前，先開啟變頻發(fā)電機再開啟變頻電動機，通過變頻電動機發(fā)出的低頻小電網拖動泵站同步電動機組倒轉發(fā)電，將水泵電機抽水轉速降低為發(fā)電理想轉速，本質上是通過極數的不同改變水泵發(fā)電時的轉速，從而提高發(fā)電效率。

2 改造緣由

沙集水電站2臺臥式變頻機組是提高發(fā)電生產效率的關鍵設備，2臺電機工作在600 r/min的高轉速條件下，電機軸相對軸瓦作高速運動，產生大量熱能，需要及時排出；否則會燒壞軸瓦表面噴鍍的巴氏合金，影響機組安全運行。變頻機組軸瓦冷卻用油主要通過2臺螺桿泵(互為備用)從稀油站油箱抽取，經過磁網過濾器到達冷卻器冷卻后，通過供油管路送到變頻電機軸承油缸處潤滑冷卻軸瓦，帶走產生的高溫熱能；再經回油管回流到稀油站油箱內，如此循環(huán)往復對變頻電機軸瓦進行冷卻。該稀油站主要由油箱、電加熱器、2臺定量油泵裝置、雙筒過濾器、管式冷卻器、回油磁(柵)網過濾裝置、功能性閥門(單向閥、安全閥、開關閥門)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)、電控柜等組成。稀油潤滑設備具有2臺油泵裝置(互為備用)，一臺工作、一臺備用；當系統(tǒng)壓力低于下限設定值時，備用油泵自動投入工作，當達到正常設定值時，備用泵自動停止。

在某一年夏季，沙集水電站運行發(fā)電時，氣溫較高，室外溫度達到35 ℃左右；同時由于稀油站設備與變頻機組設備共處在一個房間內，變頻電機高速運轉產生大量的熱不能及時排出，匯聚在房間里。另外，室內通風不良，設備環(huán)境溫度一度超出運行要求。此時稀油站的油泵電機突然跳閘，循環(huán)油泵停止工作，油循環(huán)被迫中斷；2臺變頻機組軸瓦處的潤滑油在重力作用下很快回流到稀油站油箱里，軸瓦得不到充分潤滑和冷卻，瓦溫迅速升高，引起變頻發(fā)電機組高溫跳閘保護動作，機組故障停機。

通過查詢設備保護單元箱事件記錄，并結合相關資料綜合分析，本次故障停機是由于稀油站1號油泵電動機斷路器故障跳閘致使循環(huán)油泵停運，導致變頻發(fā)電機組軸瓦油缸潤滑冷卻供油循環(huán)中斷；而油缸出油仍在繼續(xù)，油缸里的潤滑冷卻油持續(xù)減少，油位快速降低，致使發(fā)電機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跳閘設定溫度，發(fā)電機因溫高保護跳閘。變頻機組靠自重完全停止轉動時間需6 min左右，較正常完全停機需要20 min左右時間大大減少；原因是由于發(fā)電機油缸里的汽輪機油流失過多，剩下的油不足以支撐軸瓦和旋轉的電機軸充分潤滑，潤滑油膜破壞產生了半摩擦，摩擦系數大大增加，從而加速機組停機。根本原因還是稀油站系統(tǒng)本身存在設計缺陷，即當設備電源突然消失時，油系統(tǒng)沒有一個反事故措施，機組冷卻潤滑油回流太快，沒有一個緩沖的過程，在很短的時間內全部回流完；而變頻機組由于自重大，在慣性作用下完全停止轉動至少需要20 min左右，這段時間油缸里的軸瓦如果沒有充足的潤滑油潤滑，會導致軸瓦的溫度過快升高，甚至超過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

在稀油站旁邊設置1臺高位油箱，它是一種余量保護裝置，在機組正常工作時，潤滑油經過濾器通過高位油箱上部進油管進入油箱，再由油箱下部排油管進入變頻機組各個供油點。當稀油站循環(huán)油泵供潤滑油中斷時，給變頻機組一個聯動停機信號，同時儲存在高位油箱里的一定量潤滑油將沿下部排油管，靠重力作用流經各潤滑點返回稀油站油箱，以維持變頻機組停機惰轉過程的潤滑和冷卻需要，保證機組安全停車。

高位油箱應布置在距離機組各個供油點最近的垂直上方，其至機組供油點的油管應長度最短、彎頭最少，以求最大限度地確保從高位油箱流至軸瓦潤滑處的阻力最小。在高位油箱頂部開有呼吸孔，可保證潤滑油從油箱中流入潤滑部位時，油箱的容積可由呼吸孔吸入的空氣進行補充，以免在油箱中形成負壓，影響潤滑油流出高位油箱。高位油箱儲存的油余量應根據變頻機組惰轉停止時間確定，應維持不小于30 min的供油時間。

理論上高位油箱應設置在較高地方，開機前需要提前打入一定量的潤滑油。在日常的調試維護中，都需要借助人工爬高操作，工作繁瑣、效率低；并且由于油箱的設置需要占用一定的布置空間，設備略顯笨重。另外，在工作過程中，管路結點處容易產生滲漏油，造成壓力不穩(wěn)定，影響油箱中油液的安全儲油量，故障率高；不僅影響整個機組的安全運行，還為后期環(huán)境衛(wèi)生清理增加難度，不利于長期運行過程中的日常維修養(yǎng)護。

3.2 改造方案2

選用一種常開型直動式直流電磁閥對原有稀油站油系統(tǒng)進行設計及改造。當稀油站事故停機時，讓供變頻機組軸瓦冷卻潤滑的油不立刻回流，在變頻機組油缸里停留30 min，待變頻機組完全停止轉動后，再回流到稀油站油箱中；其原理如圖1所示。

圖1 變頻機組油系統(tǒng)圖

3.2.1 常開型直動式直流電磁閥的工作原理

電磁閥是一種機電操作閥，該閥是由一個受控電流通過線圈，在雙端口的情況下，閥的流量被接通或斷開。通電時，電磁線圈產生的電磁力把關閉件緊緊壓在閥座上，閥門關閉，整個關閥過程在瞬間(t<0.5 s)完成；斷電時，彈簧力把關閉件從閥座上快速提起，閥門打開。

3.2.2 自動化控制電路

控制電路如圖2所示。

圖2 控制電路圖

(1)時間繼電器KT的動作時間可設定。變頻機組完全停下來至少需要20 min，這里KT的動作時間設定為30 min；KT1為時間繼電器的延時斷開觸點。

(2)SA為帶自鎖功能的旋鈕開關。

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

(4)L是常開型直動式直流電磁閥的動作線圈。

3.2.3 系統(tǒng)工作原理

在靠近變頻機組軸瓦油缸回油管處安裝1個常開型直動式直流電磁閥，同時直流電磁閥和機組軸瓦油缸之間的安裝距離盡量小。稀油站主機組開啟，任意一臺油泵投入運行，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。當線路電源消失或稀油站主機組故障停機，2臺變頻機組跳閘后，此時2臺油泵電動機斷路器跳閘，1號電機交流接觸器常閉觸點K1 閉合，2號電機交流接觸器常閉觸點K2 閉合，SA、K1、K2、KT回路接通，時間繼電器KT線圈得電，回路KT1、L接通，電磁閥L線圈得電，電磁閥關閉，回油管路被截止，潤滑油會一直停留在變頻機組軸瓦油缸里，供給軸瓦潤滑冷卻用。30 min后，變頻機組已完全停下來，此時時間繼電器延時斷開觸點KT1斷開，回路KT1、L斷開，電磁閥L線圈失電，SA、K1、K2、KT回路仍在接通狀態(tài)，保證電磁閥始終在打開狀態(tài)，回油管路重新打開，變頻機組軸瓦油缸里的潤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：當水電站供電線路突然停電時，如果配置交流電磁閥，此時交流電磁閥將無法正常工作，這個自動控制電路的功能將無法實現；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。這種設計需要增加的現場設備少，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計方案，選擇通過加裝快速電磁閥的方法避免變頻機組事故停機時發(fā)生燒瓦事故。

4 結 語

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