水轮发电机轴承运行油位测值跳变失真问题技术研究

广东水电云南投资有限公司 艾永俊

1 引言

水轮发电机是电力系统发、变、输、配电重要环节中的重要发电设备，其安全运行可靠性对电网安全保供电和国家改革、快速发展具有举足轻重的作用。水轮发电机各轴承油主要起轴承润滑、轴瓦冷却作用，其运行油位真实、可靠监测对机组安全、可靠运行具有极其重要的控制、保护作用[1]。轴承运行油位测值跳变、失真必然会给水轮发电机正常运行带来不利影响，及时做好相关处理工作十分关键，也是本文研究的重点所在。

2 国内外液位测量技术现状

在电力行业中，常需要测量各种液体高度（如水位、油位）参数，但由于测量是瞬时动态信号，数据精确性、稳定性、可靠性受到诸多环境因素影响，如水压、油压，水管、油管管径（截面积），开展液位真实、可靠测量研究具有一定的研究价值。

2.1 国外液位测量技术现状

位测量技术和测量传感器研究国外起步早，发展迅速，到目前为止，国外一些公司都研制出各型能齐全、自动化、智能化程度高、精度高测量系统与产品，如美国DREXELBROOK 公司。

2.2 国内液位测量技术现状

在我国，受历史影响，液位测量技术及测量传感器研究开发起步晚，导致测量技术和产品自动化程度、精度可靠性、功能等多方面与国外同类产品存在较大差距。

近年来，伴随着改革开放，我国经济、技术水平迅猛发展，测量技术和测量传感器研究获得较大发展，产品性能指标、功能都有了质的飞跃，但是与国外同类相比还有待进一步改进和发展[2]。

通过网络查询和行业区域调查，获知水轮发电机轴承油位测值跳变、失真、数据不准确问题属于行业普遍现象（如南沙水电厂50MW×3、宝X 水电厂12.5MW×2等），而对其进行分析研究和可借鉴的技术方案较少。为此，对其进行深入分析研究，探索及问题根源，采取有效措施加以解决是有必要的。

3 马堵山水电厂水轮发电机轴承运行油位测值跳变、失真问题技术研究

3.1 项目概况

马堵山水电厂属区域内较大水电厂，承担电力系统区域调峰、调频、黑启动保供电任务，其3台水轮发电机（96MW×3）上、下导轴承运行油位自投运以来，均存在测值跳变、失真共性问题。承运行油位测值跳变、失真引发的水轮发电机无法正常按时开机，油位传感器（油位计）过高或过低电气接点报警误动，轴承加油过量导致的甩油、跑油，轴承少油不能及时被发现而导致机组轴承瓦温升高的非计划停机等问题，在马堵山水电厂实际运行中已出现数次。2012-2015年，通过采取分别更换磁翻板液位计、差压式油介质液位计和同时安装两种液位计等手段进行监测均未彻底解决。

3.2 问题分析过程

3.2.1 准备工作

一是结合研究背景、研究目的、研究的主要内容，整合公司技术人才资源，成立项目研究组，开展项目攻关，同期部署项目研究任务。

二是通过查阅马堵山水电厂3台水轮发电机上、下导轴承油槽图纸（上导轴承装配图号：GMS0320000；下导轴承装配图号GMS0603000）、水轮机发电机技术文件（文档号：GMS0000000JT）、设备技术台账、运行台账记录获取设备实际运行工况和运行技术条件如下：

①上、下导轴承、油槽结构、尺寸、各轴承油位计安装位置（高程）自投运以来未变更。上下导轴承中心油位为设计原始值（轴瓦中心孔），各轴承中心油位迁移至轴承油位计安装高程复核标定值（显示值）不变：#1机组上导330mm；下导215mm、#2机组上导490mm；下导：350mm；#3机组上导200mm；下导：250mm，油位运行允许变化幅值均为：中心油位±20mm，复核正常。

②轴承油位测量管选材、结构、管径与设计图纸相符（测量管径DN25），自投运以来未变更。

③水轮发电机整体结构稳定，水轮发电机运行中，额定转速与设计图纸、水轮机技术文件给定值142.9r/min 相符。

④轴承油位测量管取油口高程、尺寸与设计图纸相符，（取油口开孔尺寸与测量管径DN25一致，开口位置位于油槽侧边最底部），自投运以来未变更。

⑤各轴承使用#46透平油，每年定期委托第三方有资质单位进行油质检测，检测报告显示油运动粘度等各项技术指标符合行业标准。运行、检修过程中，各轴承每次加油总量始终与实际油位保持不变（以轴瓦中心孔进行测量复核）。

⑥同型磁翻板液位计和差压式液位计在马堵山水电厂其他液位测量对象应用中工作稳定，未见数据跳变、失真情况。

⑦分别采取更换磁翻板液位计、差压式油介质液位计或同时安装两种液位计等手段进行监测时，马堵山水电厂上、下导轴承运行油位测量均存在测值跳变、失真现象。

⑧通过3台水轮发电机上、下导轴承运行油位跳变、失真数据统计分析得出：3台水轮发电机上、下导轴承运行油位测值跳变、失真幅度ΔHmax：110mm。

3.2.2 理论分析

根据第一阶段获知的设备参数、运行工况、数据分析结果，参考《流体力学》[3]，应用流体运动伯努利方程：p+ρgh+1/2ρv2=C 及其推导公式S1V1=S2V2和国内、国外测量技术基础知识，进一步分析研究，形成研究结论。

3.2.2.1 主要研析过程

机组运行中，各轴承运行油位为动态瞬时值，根据流体运动伯努利方程：p+ρgh+1/2ρv2=C 和轴承油位测量原理（以差压式油位计为例：将油位形成的压强（压强总和）变化传感为电阻变化，经信号变换电路变换为4～20mA 输出信号，用于进行油位显示、控制、报警等），在准备工作中①、③、④、⑤调查成果基础上进行分析得知：

①各轴承运行油位测值变化幅度ΔH 受位势能（P）、压力势能（ρgh）的影响较小，可以忽略，ΔH 受动能（1/2ρv2）形成的动压变化ΔP 影响较大，而动压在油介质密度不变的情况下，变化幅值主要取决于液位计安装点油流变化速度（即测量管路油流变化速度）。

②根据流体运动伯努利方程：p+ρgh+1/2ρv2=C 及其推导公式S1V1=S2V2，将轴承油位测量传感器或液位计测量管路取油口开孔截面积定义为S1、取油口油流速度定义为V1，测量传感器或液位计测量管路截面积定义为S2、传感器或液位计安装点油流速定义为V2。

由准备工作⑧已知3台水轮发电机上、下导轴承运行油位测值跳变、失真幅度ΔH 最大值ΔHmax：110mm 和油位运行允许变幅值（中心油位±20mm）。

由准备工作①、③、④、⑤，可视S1、V1为恒定值。此时，V2大小取决于测量传感器或液位计测量管路截面积S2。即测量管路截面积增大，V2减小，反之增大。

所以，解决马堵山水电厂3台水轮发电机上、下导轴承运行油位测值跳变、失真问题的关键是：

将ΔH 调控至允许范围（中心油位±20mm，将±20定义为：ΔHb）内，故应取ΔHmax/ΔHb进行调幅系数计算（ΔHmax 满足，变化幅度≦ΔHmax 的测值一定满足）。

在此，以#3机组上导轴承运行油位跳变ΔHmax=110mm 为例进行具体分析、研究（其他机组相关导轴承油位分析方法和过程相同）：

ΔH 调幅系数k 值计算：k=ΔHmax/ΔHb=110/20=5.5。

调幅前动压变化ΔP 定义为ΔP1；ΔP1=1/2 ρv2=ρgΔHmax（V 取研究前测量管路油流速度，定义为V2，ΔHmax 取值110mm）。

调幅后动压变化ΔP 定义为ΔP2；ΔP2=1/2 ρv2=ρgΔHb（V 取研究前测量管路油流速，定义为V2’，ΔHb 取技术文件允许幅值20mm）。

则：动压变化ΔP 调幅系数ΔPt=ΔP1/ΔP2=（V2）2/（V2’）2。

根据伯努利方程推导公式：S1V1 S2V2，得出：V2=S1V1/S2；V2‘=S1V1/S2’（ 其中， 根据前述条件S1V1不变，S2为调幅前油位测量管路截面积；S2’为调幅后油位测量管路截面积），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：动压变化ΔP 调幅系数ΔPt=ΔH 调幅系数=k。

计算得出：S2’/S2=2.34。

根据管路截面积计算公式及已知原管径（DN25）：

得出：S2=（1/4）×π×25×25=490mm2；

则：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 主要结论

通过分析、研究，获得解决水轮发电机轴承运行油位测值跳变、失真问题的研究结论和技术方案：①研究结论：水轮发电机上、下导轴承、油槽结构、尺寸、各轴承油位计安装位置（高程）不变；水轮发电机整体结构稳定，水轮发电机运行额定转速稳定；轴承油位测量管取油口高程、尺寸不变；各轴承油质（油运动粘度等）符合行业技术标准值的前提下，水轮发电机轴承运行油位测值跳变、失真程度ΔH 主要取决于轴承运行油位测量管路油动压变化（即动压ΔP）幅度。其跳变、失真系数k（也可称调幅系数）可由运行油位变化ΔH 最大幅值ΔHmax 与技术文件规定的轴承运行油位允许变化幅值ΔHb 求得：k=ΔHmax/ΔHb；

②技术方案：解决（减小）轴承运行油位测值跳变、失真问题，可通过增大轴承运行油位测量管路截面积S2’来实现跳变、失真幅度调控。其中S2’应满足（S2：调幅前油位测量管路截面积；S2’：调幅后油位测量管路截面积；ΔHmax：运行油位油跳变最大幅值；ΔHb：运行油位允许变化幅值，一般由水轮机组技术文件确定；k=ΔHmax/ΔHb）。

因此，本项目中，调幅后管径D’2应满足：D’2≥38.2mm。查阅《管径尺寸对照表》，管径≥38.2mm 可取值：DN40、DN50。 综合考虑ΔHmax、ΔHb 理论分析计算时均按最大值取值，DN40处于接近≥38.2mm 临界，为使轴承运行油位测值跳变、失真程度调控品质更优，本项目选择管径DN50进行调幅验证。

3.2.3 研究结论和技术方案验证

试验时间：2016年1 ～5月、2017年1 ～5月、2018年1～5月。

试验过程：试验结合3台机组计划性A 修顺序进行，2016年完成#3机组；2017年完成#2机组；2018年完成#1机组。

根据阶段二形成理论研究结论，结合检修工期，在保持准备工作①、③、④、⑤不变的情况下，通过变更3台机组上、下导轴承运行油位测量管径（由DN25增大至DN50），对理论研究结论进行试验验证，并记录数据，进行分析整理。

图2 2019年#2机组轴承油位运行曲线

图3 2019年#3机组轴承油位运行曲线

试验结论：理论研究结论经运行试验、分析，马堵山水电厂3台水轮发电机各轴承运行油位测值跳变、失真问题得到解决，后续需进行应用成果跟踪评估[4]。

3.2.4 应用成果跟踪评估

2019年，项目组对项目成果应用进行持续跟踪评估，各机组轴承运行油位测值数据跟踪分析评估如图1～3。

图1 2019年#1机组轴承油位运行曲线

评估结论：马堵山水电厂3台水轮发电机各轴承运行油位测值跳变、失真问题研究应用成果稳定，提升了机组安全运行可靠性。

4 研究应用效果及推广

一是彻底解决马堵山水电厂3台水轮发电机各轴承运行油位测值跳变、失真问题，提高水轮发电机组运行可靠性，减少运维人员工作量。

研究前：维护频次1次/台班，维护工时1工时/台班。研究后：维护频次0次/台班，维护工时0工时/台班，提高水轮发电机组运行可靠性，减少运维人员工作量。

二是有利于改善机组稳定运行，降低运行风险。①减少轴承运行油位问题带来的非计划停机和烧瓦事故，降低机组运行风险，改善运行条件。②提高对电网安全保供电和国家改革、快速发展服务能力。

三是同类型机组可借鉴参考应用。项目成果已在同属母公司的南沙水电厂推广应用，可在同属母公司的和谐、新寨水电厂和行业内同类机型上参考应用。

四是有利于控制生产成本和提高经济效益。①减少维护工时1工时/台班。3工时/天、单价300元/工时，每年可节约：150天1.5工时/天300元/工时=13.5万元。②减少非计划停机3台次/年，停机时间24小时/台次。节约电网考核费用：Q=3249.6万kWh0.010.235元/kWh=1.62万元。③减少发电损失：9.6万kWh3240.235元/kWh=162.43万元。

合计节约生产成本和提高经济效益：13.5+1.62+162.43=177.55万元/年。

5 结语

综上所述，水轮发电机运行中，轴承运行油位测值跳变、失真极易导致油位计过高或过低电气接点报警误动，影响水轮发电机运行状态监测；或是因轴承少油、补/加油过量等问题，引发机组事故，导致严重的经济损失[5]。本文针对马堵山水电厂3台水轮发电机上、下导轴承运行油位跳变、失真问题开展理论分析、计算、研究，找到解决水轮发电机轴承运行油位跳变、失真问题的研究结论和方法；结合马堵山水电厂3台水轮发电机计划性A 修，分阶段、分台次开展研究结论和方法的试验验证，验证其可行性、有效性。解决了马堵山水电厂3台水轮发电机上、下导轴承运行油位跳变、失真问题，并为行业解决同类问题提供可参考的研究、应用成果。