水力发电水轮机及润滑技术

李光赋

中国石化润滑油有限公司合成油脂分公司

本文介绍了水力发电水轮机核心设备、设备工况和润滑要求，阐述了水轮机组中汽轮机油的作用，介绍了汽轮机油的分类、国内外OEM技术规格及长城汽轮机油产品在国内水电站的应用情况，为水力发电行业的设备选油及润滑方案推荐提供参考。

水力资源作为可再生清洁能源，是中国能源的重要组成部分。水力发电技术先进，能效转换水平高，应用广泛，已成为我国第二大发电电源，在能源平衡和能源工业的可持续发展中占有重要地位。目前，我国建设了以三峡水利工程为代表的一批大型水力发电站，其中以四川和云南区域为代表，推动了大型水轮机的应用，目前大型水轮机单机容量已达1 000 MW以上。

十三大水电基地的规划和有序开发，对我国实现水电流域梯级滚动开发，实行资源优化配置，带动西部经济发展都起到了极大的促进作用，其可利用水力资源量超过全国的一半，基地的建设在水电建设中居重要地位。截至2019年6月底，全国水电装机容量约354 GW，水电发电量排名前五位的省份依次为四川、云南、湖北、贵州和湖南，合计占全国水电发电量的69.7%，其中水力发电设备的可靠性保障对电力输出起着非常重要的作用[1]。

水力发电流程及核心设备

水力发电是利用河流、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处，水从高水位水库沿通道流向处于低水位的水轮机的过程中，高水位水的势能变成水轮机动能，推动水轮机旋转，带动发电机发电产生电能。

常规水力发电站的发电流程见图1。

水力发电核心设备有水轮机、发电机、变压器以及闸门启闭机等。充分了解各设备在水力发电中的作用、工况、润滑要求及合理选油，对水力发电的发展及其运行具有推动作用和现实意义。水力发电工艺设备及润滑剂推荐见表1。

其中，水轮机是水力发电最核心、最关键的设备，其运行的顺畅和使用寿命对于水力发电站的生产效率和效益将产生显著的影响。

水轮机的工况及润滑要求

水轮机是以水为原动力，并将水流能量转换为机械能，进而带动发电机发电，因此，水轮机就是将蓄水水能转换为机械能，并最终转化为电能的装置。水轮机有不同的分类方法，按照转轮水流方向或进水特征，水轮机可分为反击式、冲击式和可逆式，根据功率和转轮直径大小可分为大型、中型和小型等。

一般水力发电站建设在偏远的峡谷地带，机组常年运行在潮湿、高温及温差较大的环境中，要求汽轮机油具有可靠性高、稳定性好、使用寿命长的特点。

水轮机的润滑部位主要是转动主轴(主机)、导叶轴(导水机构)、连杆(导水机构)、调整机构、推拉杆、导轴承、推力轴承箱径向轴承、推力轴承箱推力球轴承等，属于低速、定负荷运行工况；

根据水轮机的使用工况，其润滑要求强调使用过程中的防锈性能、油水分离性能以及较长的使用寿命，对油品的如下性能都有要求：

◇物理性能：如外观；合适的运动黏度以保证油膜形成和散热能力；水分控制防止锈蚀/腐蚀、防止氧化产生油泥，堵塞油路；清洁度等。

◇化学性质：如酸值，以鉴定油品劣化及腐蚀性能；抗腐蚀性，保证设备部件运行顺畅等。

◇使用特性：抗氧化性保证较长的使用寿命，延缓氧化变质、提前报废；抗乳化分水性能，可抵抗进水乳化、滤网堵塞、影响散热的风险等。

图1 水力发电流程示意

表1 水力发电工艺设备及润滑剂推荐

水轮发电机组中汽轮机油的作用

汽轮机油在水轮机组中的主要作用是润滑、冷却散热和液压操作（包括调速系统、主阀、液压操作阀等）[2]：

◇润滑作用。通过润滑油泵把汽轮机油输送到汽轮机组滑动轴承的主轴轴径与轴瓦之间，在其间形成润滑油膜，以润滑油膜内部的液态摩擦代替固体之间的干摩擦，从而减少设备磨损和发热，以延长设备使用寿命，提高设备的机械效益和运行安全；同时可为汽轮机组的变速齿轮箱以及调速机构等摩擦部件提供润滑作用。

◇冷却散热作用。汽轮机组运行时转动的轴承自身产生大量的热量，由于环境的影响，水轮机工作温度可达60～90 ℃，通过汽轮机油在机组润滑系统中的不断循环流动，把热量从轴承上吸走并通过油冷却器带出机组外，起到散热冷却的作用，使得设备和润滑油的温度不会超过规定值，以保证设备的安全经济运行。

◇液压操作作用。水电站中有许多设备的操作需要很大的能量，如导水叶、桨叶的操作，都需要用汽轮机油作为传递能量的工作介质。实际上用于汽轮机组调速系统的汽轮机油可视作是一种液压介质，通过传递控制机构给出的压力对汽轮机组的运行起到调速的作用。

为此，汽轮机油的性能要求主要体现在使用寿命（运行时间长）、抗乳化性（与水接触的耐水性，环保）、低温油泥或高温漆膜控制，以及防锈性、抗泡性和空气释放性等，以充分满足机组的运行使用要求。为了达到以上要求，汽轮机油必须选用优质基础油和优选添加剂：

◇选用优质基础油，提高稳定性。基础油是汽轮机油的基础组分，基础油品质的优劣直接影响着汽轮机油产品质量的高低和机组运行后期油品使用性能的稳定，不同精制工艺对基础油性能的影响密切相关。汽轮机油需选用优质基础油（主要是API II+/III加氢基础油），可以有效提高油品的氧化寿命，延缓油泥出现的时间，延长油品换油周期。

◇优选添加剂，产品性能突出。抗氧剂是汽轮机油中最主要的添加剂，可以保证汽轮机油在机组运行后期的氧化性能稳定。汽轮机油生产中选用的添加剂应是具有耐高温稳定、低油泥趋势的抗氧剂，确保油品的缓慢变质，从而延长使用寿命，特别是在抗乳化分水性能和氧化安定性方面必须具有一定的优势。

汽轮机油产品线及技术认证

满足不同用途和使用要求的汽轮机油产品，需通过相关汽轮机OEM（原始设备制造商）设计厂家或生产厂家技术认证，以达到产品设计和使用基本要求。

汽轮机油品种及应用

根据水轮机的运行要求及使用要求，采用的汽轮机油品种及其应用见表2。

汽轮机油国际OEM技术规格

汽轮机油国际OEM技术规格见表3。

汽轮机油国内OEM技术规格

汽轮机油国内OEM技术规格见表4。

目前，国内OEM设计生产厂家的技术规格与国际OEM具有不同程度的关联。

汽轮机油在水力发电站的应用

国内汽轮机油产品以其优异的品质和性能表现，得到国内外主流汽轮机OEM技术认证，在云南、四川的水力发电站中得到广泛的应用，尤以长城润滑油为代表的国内润滑油厂家，在十三大水电基地的水轮机组应用中，占据了绝对的主流，在澜沧江、大渡河、金沙江、长江及支流水电站都有广泛的应用，并走出国门，在东南亚水电站建设中也得到应用。长城汽轮机油在部分水电站的应用情况见表5。

华能大理徐村水电站在用油从1999年开始装机应用，2019年4月换油，换油周期达到20年，华能大理水电有限责任公司出具的使用情况证明见图2。

结论

以十三大水电基地干流、支流资源为依托，凭借丰富的水力资源，使水力发电站发展迅速，形成梯级开发态势，我国已成为世界上水力发电装机量和发电量最大的国家。水轮机的运行工况对汽轮机油提出了较高的润滑要求，以长城润滑油为代表的国内润滑油以其优异的品质和稳定的性能，取得了国内外主流OEM厂家的技术认证，在水力发电行业获得了广泛的应用。

表2 汽轮机油品种及应用

表3 汽轮机油国际OEM技术规格

表4 汽轮机油国内OEM技术规格

表5 长城汽轮机油在部分水电站的应用情况

图2 华能大理水电有限责任公司使用证明