老撾N電站油壓裝置的選型設(shè)計

李林斌，傅校平，石振球

(浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311121)

0 引 言

水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是水力發(fā)電廠的重要設(shè)備之一，承擔(dān)著機(jī)組開關(guān)機(jī)、增減負(fù)荷、調(diào)節(jié)頻率等重要任務(wù)；而油壓裝置則是向調(diào)速系統(tǒng)供給壓力油的能源設(shè)備，是調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分；油壓裝置的選型恰當(dāng)與否將直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。

N電站位于老撾波里坎塞省南涅河上，為上游Nam Hai電站的反調(diào)節(jié)電站，配備1臺額定容量為18 MW的燈泡貫流式機(jī)組，額定水頭為12.73 m，額定流量為160 m3/s。

1 系統(tǒng)介紹

一般油壓裝置的主要部件有壓力油罐、回油箱、油泵、油泵閥組、油冷卻/加熱裝置、自動補氣裝置和自控儀表等自動化設(shè)備。為節(jié)約廠房空間，老撾N電站采用組合式油壓裝置，即壓力油罐、油泵、油泵閥組等設(shè)備均布置在回油箱上的布置形式。

2 壓力油罐的選型計算

2.1 計算條件

N電站油壓裝置選型設(shè)計已知參數(shù)如下所示(見表1)。

表1 油壓裝置選型設(shè)計參數(shù)

2.2 計算依據(jù)

目前國內(nèi)設(shè)計人員在進(jìn)行油壓裝置選型設(shè)計時，多參考水利電力出版社1983年出版的《水電站機(jī)電設(shè)計手冊》，并結(jié)合《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》(GB/T 9652.1—2007)以及業(yè)主具體要求等開展設(shè)計工作。但由于老撾N電站位于境外，且業(yè)主方為日本企業(yè)，因此在設(shè)計過程中還需要參照執(zhí)行相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)，在油壓裝置設(shè)計時主要是參考《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范導(dǎo)則》(IEC 61362—2012)。

2.3 壓力油罐的選型

2.3.1 經(jīng)驗估算

《水電站機(jī)電設(shè)計手冊》提供了近似估算壓力油罐容積的經(jīng)驗公式：

Vp=(18～20)VG+(4～5)VB

式中，VP為壓力油罐容積(m3)；VG為導(dǎo)葉接力器容積(m3)；VB為槳葉接力器容積(m3)。

由經(jīng)驗公式按上限計算得到的壓力油罐估算容積為Vp=20VG+5VB=2.91 m3。

根據(jù)《水輪機(jī)調(diào)速器及油壓裝置系列型譜》(JB/T 7072—2004)，壓力油罐的容積選為4 m3，配套回油箱容積為5.6 m3[1]。

2.3.2 精確計算

壓力油罐容積的精確計算是基于罐內(nèi)空氣體積隨著油體積的變化而變化，且此變化過程近似為絕熱過程，適用波爾定理：

PVk=C

式中，P為壓力油罐內(nèi)壓力(MPa)；V為壓力油罐內(nèi)空氣體積(m3)；k為絕熱指數(shù)，按經(jīng)驗取1.3；C表示常數(shù)。

本電站壓力油罐內(nèi)油量和壓力的對應(yīng)關(guān)系如下所示(見圖1)。

圖1 罐內(nèi)油量—壓力對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》的要求，壓力油罐內(nèi)可用油量VU=3VG+(1.5～2)VB[2]，此要求與《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范導(dǎo)則》中的一致，結(jié)合已求得的導(dǎo)葉和槳葉接力器的容積，按上限可以求得VU=0.579 m3。VR按經(jīng)驗值取為0.1倍VU[3]，即VR=0.057 9 m3。

使用波爾定理聯(lián)立罐內(nèi)壓力分別為P2和P3時的空氣狀態(tài)方程，可得：

式中：VA為罐內(nèi)壓力為P2時罐內(nèi)空氣的體積(m3)；(VA+VU)則為罐內(nèi)壓力為P3時罐內(nèi)空氣的體積(m3)。代入已知參數(shù)，可得VA=2.802 m3。

壓力油罐的容積VP=VA+VU+VR=2.802+0.579+0.057 9=3.439 m3。

根據(jù)型譜，壓力油罐的容積應(yīng)選為4 m3，與估算結(jié)果一致。

2.3.3 結(jié)果復(fù)核

已經(jīng)選好的油壓裝置應(yīng)能滿足當(dāng)罐內(nèi)壓力在正常工作壓力下限時，執(zhí)行完耗油量為可用油量VU的動作后，罐內(nèi)剩余壓力不應(yīng)低于最低操作油壓P3，且留有一定壓力余量，余量一般取0.1 MPa。

3 油泵及其配套電機(jī)的選型計算

3.1 油泵的選型

根據(jù)《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件》的要求，組合式和分離式油壓裝置應(yīng)設(shè)置2臺油泵，每臺油泵的輸油量足以補充漏油量，并有最少2倍的安全系數(shù)。通常每臺泵的每分鐘輸油量不大于接力器容積的0.65倍[2]。

因此，每臺油泵的輸油量為：

Q1=0.65(VG+VB)=0.65×(117+114)=150.15 L/min=2.5 L/s

而根據(jù)《水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范導(dǎo)則》的要求，每臺泵每分鐘輸油量應(yīng)取接力器容積的1倍，或罐內(nèi)壓力P1與P2時的油量差兩者間的較小值[4]。

按前者的要求，每臺油泵的輸油量為：

Q2=VG+VB=117+114=231 L/min=3.85 L/s

按后者的要求，每臺油泵的輸油量為：

Q3=VA2-VA1=2 769-2 667=102 L/min=1.7 L/s

綜合國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，油泵輸油量暫定為2.5 L/s。

本電站所用液壓油為68號透平油，工作油壓不低于6.3 MPa，根據(jù)意大利SETTIMA公司的產(chǎn)品樣本，選取GR60—440L系列的螺桿泵作為本電站油壓裝置油泵，其輸油量為3.1 L/s，工作壓力為7.0 MPa，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，軸功率為28.08 kW。

3.2 配套電機(jī)的選型

在已確定油泵軸功率的前提下，配套電機(jī)的功率一般按油泵軸功率的1.2～1.3倍考慮，按上限考慮，電機(jī)功率N=1.3Np=1.3×28.08=36.5 kW。結(jié)合油泵轉(zhuǎn)速，最終選定西門子貝得的ITL0001系列電機(jī)作為本電站油壓裝置油泵的配套電機(jī)，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，輸出功率為37 kW。

4 油冷卻設(shè)備的選擇

為保證油品在使用過程中的品質(zhì)穩(wěn)定，防止因油溫過高而導(dǎo)致諸如油品粘度下降、橡膠密封加速老化等不利情形，油壓裝置的油品許用溫度范圍為10～50 ℃[2]。

本電站緯度屬于熱帶地區(qū)。對于熱帶地區(qū)的油壓裝置，一般需配備油冷器以控制油溫在許用范圍內(nèi)。筆者所在公司在類似緯度的老撾及越南參與建設(shè)的貫流或軸流轉(zhuǎn)槳水電項目中，也都在回油箱上配備了油冷器，使用技術(shù)供水的水源作為冷卻水。但各電站在實際運行中，油冷器或沒有被投入使用，或投入后油溫很低(見表2)。

表2 越南、老撾部分電站油壓裝置回油箱油溫情況

根據(jù)收集到的部分電站運行信息可以得出：在沒有油冷器介入的情況下，油溫沒有超標(biāo)；油冷器的介入與否，對油溫的影響在3.4～6.2 ℃之間。

分析實際運行情況與設(shè)計慣例間的差異，原因主要有以下3點：

一是越南和老撾雖處熱帶，但受東北季風(fēng)影響，溫度低于一般熱帶國家；且極端高溫多發(fā)生在3月或4月，即旱季末期(以越南HP電站為例，當(dāng)?shù)刈罡邭鉁刂挥?7.0 ℃，發(fā)生在4月，4月平均氣溫26.2 ℃，全年平均氣溫23.7 ℃)。此時河流水位偏低，機(jī)組往往不能連續(xù)長時間發(fā)電，油壓裝置同樣不能連續(xù)長時間處于工作狀態(tài)?；谟蛪貉b置在極端高溫下進(jìn)行工作的前提來計算得到的油溫，顯然要高于實際情況。

二是大部分電站油壓裝置的油泵并非連續(xù)工作的熱備用模式，將油泵短時工作時的產(chǎn)熱量作為連續(xù)熱源來計算得到的穩(wěn)態(tài)油溫，顯然要高于實際情況。

三是油壓裝置位于廠房內(nèi)，而貫流式機(jī)組的廠房就在河流邊，廠房內(nèi)溫度要遠(yuǎn)低于室外溫度。選取當(dāng)?shù)貥O端高溫作為環(huán)境溫度來計算得到的油溫，顯然要高于實際情況。

本電站所處的老撾波里坎塞地區(qū)最高氣溫為38 ℃，發(fā)生在4月，4月平均氣溫27.5 ℃，全年平均氣溫25.8 ℃；與前述越南HP電站十分類似。而越南HP電站在沒有投入油冷器的情況下，油溫最高只有42 ℃，離許用溫度范圍上限還有8 ℃的余度。

為節(jié)省安裝空間并節(jié)約后期廠用電用量，本電站回油箱不設(shè)置油冷器，但在回油箱上預(yù)留了2個DN80的法蘭口并用法蘭蓋封住，以便在實際運行中油溫過高時外接冷卻設(shè)備。

5 結(jié) 語

經(jīng)過計算和復(fù)核，老撾N電站采用了型號為HYZ—4—6.3的組合式油壓裝置。電站自2018年投入運行以來，一直運行良好。其中，油泵一次工作時間(從油泵啟動到停止)在150～200 s之間；觀察到的回油箱油溫最高為42.8 ℃，符合觀測類似電站的運行經(jīng)驗，也證明了所選油壓裝置的可靠性和安全性。