基于在线数据的抽水蓄能机组推力油膜综合厚度研究

郑宏用，王振鑫，林文华，庄坚菱，林国庆

（福建仙游抽水蓄能有限公司，福建 仙游 351200）

0 引言

抽水蓄能电站是电力系统中的一种特殊电源，在电网中负责调峰填谷、调频、调相和承担系统事故备用等多种任务。随着我国经济的快速发展，电力负荷持续增长，峰谷差逐步加大，抽水蓄能电站是解决电力系统调峰问题及确保安全可靠运行的有效手段。但与常规水电站相比，抽水蓄能电站要求能在短时间内进行频繁的工况转换，以适应电网的用电需求。

大量的运行实践表明，国外水力发电机组故障统计表明，约有50%～60%的机组故障由推力轴承引起，我国投产的抽水蓄能电站也曾发生过推力轴承瓦温升高瓦面磨损的故障，这种现象如果恶化就会导致推力瓦烧瓦事故，造成这种现象的原因很可能是机组在低速旋转时，由于推力油膜形成条件变差所致。常规的推力轴承油膜厚度监测使用光纤位移传感器，本次研究数据使用GMH550推力轴承在线监测系统，系统能够监测到推力轴承部件除推力瓦温及油温等基础数据外，先进性的对推力瓦不水平、推力瓦不水平方位、推力镜板不垂直度、推力镜板不垂直方位、镜板波浪度、推力油膜综合厚度、镜板抬机量等重要运行指标。本文将对监测内容中的推力油膜综合厚度进行数据研究。

1 研究方案

1.1 推力油膜综合厚度概述

通常在水轮发电机运行时，其转动部分与轴瓦之间(即推力轴承瓦与推力轴承镜板间，或者导轴承轴领与轴承瓦面间)由于轴承瓦的偏心值，使一定的油量流入瓦间形成一层楔形油膜，来保证轴承的可靠运行。这种楔形油膜厚度的大小，称为轴承运行中的油膜厚度。在轴承设计中，保证轴承的可靠运行的最低油膜，称为该轴承的最小油膜厚度。不同型号的机组，轴承的最小油膜厚度也是不一样的。对于轴承运行的油膜厚度有以下几个概念:

（1）轴承进口油膜厚度:指轴承运行时，沿顺时针方向旋转的轴承进口处的楔形油膜大小。

（2）轴承出口油膜厚度:指轴承运行时，沿顺时针方向旋转的轴承出口处的楔形油膜大小。

（3）最小运行油膜厚度:指轴承运行时，轴瓦某处的最小油膜。

（4）平均油膜厚度：指轴承运行时，轴瓦各处的油膜厚度的平均值。

而对于动压油膜的形成需要满足以下条件：

（1）相对滑动的两表面间必须形成收敛的楔形间隙。

（2）被油膜分开的两表面必须有足够的相对滑动速度，其运动方向必须使润滑油由大口流进，从小口流出。

（3）润滑油必须有一定的粘度，而润滑油的粘度又与推力瓦温有密切的关系，温度升高会使润滑油粘度降低，形成的油膜承载能力就低。

结合到抽水蓄能机组，由于机组频繁开停机，在机组停机降速过程中，在低转速时油膜形成条件苛刻，容易造成油膜破坏，这样就容易产生刮瓦的现象。再者，由于目前的抽蓄机组都是向着高水头、高转速、大容量的趋势发展，推力轴承承受的轴向载荷偏大，就会导致推力温度相较于常规机组温度本身较高，进而导致润滑油粘度降低，承载能力下降，因此在机组出现受力不匀时容易造成油膜破坏，导致烧瓦事故发生。

1.2 推力油膜综合厚度理论算法

本次研究的国内某抽水蓄能机组，测量油膜厚度所使用的测点及安装位置如表1所示。

表1 油膜厚度测点及安装位置

（1）镜板抬机量理论算法

假设推力轴承内镜板下均布的抬机量传感器安装位置绝对固定无振动误差。在机组高压油顶起前记录传感器与镜板间的间隙G0，以此记录的间隙值为基准间隙值。

在机组转速开始运行后，高压油顶起，推力轴承内镜板下抬机量传感器探头与镜板距离增加，此时记录传感器与镜板间的间隙为当前时刻传感器与镜板间的间隙G1。

则当前时刻镜板抬机量L计算方法如下：

（2）最小油膜厚度理论算法

在机组高压油顶起前记录传感器与镜板间的间隙GA0、GB0及GC0。运行过程中抬机量波形中的最小值与基准值之差即为最小油膜厚度。即机组运行任意时刻，此时记录传感器与镜板间的间隙为当前时刻传感器与镜板间的间隙G分别为GA1、GB1、GC1。

则当前时刻3只传感器所测量镜板抬机量L计算方法如下：

最大油膜厚度Hmax计算方法为：

最小油膜厚度Hmin计算方法为：

平均油膜厚度HAve计算方法为：

2 应用案例

2.1 案例分析

本次所研究数据，从测点安装位置角度分析，现场轴向位移测点探头所测量为镜板上端面，因此后续测得油膜厚度的数值需进行取反操作。从机组运行工况分析，机组在开机时推力轴承需要高压油顶起，使镜板与推力瓦间保持足够的距离以保证机组在启动时，镜板与推力瓦间有充分的高压油润滑，但由于机组未达到热稳定状态，此时弹性油箱所造成微弱的变形恰恰会对此次研究方法造成较大的干扰。因此，此次推力油膜综合厚度研究选用的数据使用机组发电停机后转速降为0时刻记录当前轴向位移间隙值记为基准间隙值，选择机组发电稳态运行至少2 h以上使弹性油箱达到热稳定的轴向位移间隙值进行推力油膜综合厚度研究。

2.2 数据分析

从历史数据中观察机组发电停机过程中轴向位移A、B、C变化趋势如图1所示：

图1 轴向位移A、B、C变化趋势

当机组完全停机后此时弹性油箱温度接近热稳定状态，此时测得机组轴向位移值即为轴向位移的基准间隙值，通过分析10组发电停机过程数据，计算基准间隙值的平均值如表2所示：

表2 发电停机时轴向位移基准间隙值

发电稳态工况下记录的轴向位移间隙值如表3所示：

表3 发电稳态工况下轴向位移间隙值

根据以上数据计算得到油膜厚度指标如表4所示：

表4 油膜厚度指标

根据以上数据研究证明，通过测量轴向位移的方式能够实现对推力油膜厚度的有效监测。且通过以上的数据能够分析不同工况条件下最大油膜厚度、最小油膜厚度及平均油膜厚度的范围可控，变化趋势平稳，证明可以针对油膜厚度的指标对推力油膜综合厚度进行实时监测及故障报警，为推力油膜分析提供数据支撑。

3 总结及展望

本文通过对抽水蓄能机组监测测点的实际运行数据进行分析，提出了一种基于在线数据的抽水蓄能机组推力油膜综合厚度的研究方法，为抽水蓄能电站优化运行的监控和管理提供了有效的参考依据，为机组异常状态、故障趋势分析报表、未来运行趋势生成和相应处理措施的提出提供技术和数据支撑，为消除电站运行安全隐患、充分发挥其经济效益做出更好的贡献。