CN111521427A - 一种基于传热系数变化实时检测导轴承冷却器异常的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于传热系数变化实时检测导轴承冷却器异常的方法，包括1）正常值设定；2）运行中的轴瓦温度、轴承油温、冷却器进油和出油温度、冷却器进水和出水温度、冷却器冷却水流量在线获取；3）计算冷却器平均温度差；4）计算冷却器传热系数；5）计算轴瓦中温度最大值；6）与设定值比较，检测出该水轮发电机组存在导轴承冷却器异常故障；7）制定检修、维护措施进行检修，并提前对异常的导轴承冷却器进行维护处理，大大缩短检修工期，节约检修、维护成本，延长设备使用寿命。

Description

一种基于传热系数变化实时检测导轴承冷却器异常的方法

技术领域

本发明涉及一种导轴承冷却器异常故障检测方法，尤其是一种基于传热系数检测导轴承冷却器异常故障的方法，属于水轮发电机故障检测技术领域。

背景技术

水轮发电机导轴承一般包括上导、下导、水导、推力，各导轴承的作用为承受机组运行中的径向、轴向作用力，并约束水轮发电机大轴。在水轮发电机运行过程中大轴高速转动，各导轴承因受力的作用会使其轴瓦温度升高，导轴承的轴瓦是由多块单独的瓦片组成。为了防止轴瓦温度持续升高，各导轴承均配有冷却器，通过透平油和冷却水的循环对导轴承系统进行冷却。水轮发电机导轴承冷却器分为内循环冷却系统或外循环冷却系统。采用内循环冷却系统时，是将导轴承轴瓦浸泡在透平油中进行散热冷却，油在导轴承油槽内，再通过冷却水循环对油槽内的油进行冷却，从而不断地对导轴承轴瓦进行冷却。采用外循环冷却系统时，油的冷却是通过设置在油槽外部的冷却装置完成的，再将冷油送入轴瓦和油槽间进行循环冷却，使冷油吸收轴瓦的热量而成为热油，再通过冷却水对参与冷却循环的热油进行冷却，最终降低导轴承轴瓦温度。但当导轴承冷却器异常时，会降低冷却效果，致使导轴承轴瓦温度、油温度上升，使导轴承工作在高温环境下而降低其原有性能，从而增加设备的疲劳损伤度，降低设备的使用寿命，并会因瓦温升高而导致事故、停机等风险，严重威胁电站水轮机组安全稳定运行。因此对导轴承冷却器异常的监测及故障预测显得尤为重要。

目前，大中型水电厂都配置了计算机监控系统，但仅能对各导轴承瓦温、油温、冷却器进水和出水温度、冷却器进油和出油温度、冷却器冷却水流量、冷却器总管压力等指标的变化趋势分别进行单独监测，从而间接反映导轴承冷却器是否存在异常。由于相关指标数量多、量级大、且易受其他因素变化影响，难以对导轴承冷却器出现异常，快速做出准确判断，只能在检修期对各导轴承冷却器进行检查、清洁或更换。因此，有必要对现有技术加以改进。

发明内容

为了准确地对导轴承冷却器异常做出判断，避免因导轴承冷却器异常而失去冷却效果，进而增加设备疲劳损伤度，降低设备使用寿命，本发明提供一种基于传热系数变化实时检测导轴承冷却器异常的方法。

本发明通过下列技术方案实现：一种基于传热系数变化实时检测导轴承冷却器异常的方法，其特征在于包括下列步骤：

1)设定水轮发电机组导轴承冷却器传热系数正常值为K_正，轴瓦温度最大值为T_最大；

2)通过水轮发电机组现有的温度传感器、流量计及其相连的计算机，获取各导轴承轴瓦温度、导轴承油温、冷却器进油和出油温度、冷却器进水和出水温度、冷却器冷却水流量；

3)根据步骤2)获取的各温度值，按下式计算导轴承冷却器平均温度差：

其中：

Δt_m表示冷却器平均温度差；

Δt₁表示两热流体温度差，外循环冷却的：进油温度-出水温度；内循环冷却的：轴瓦温度-出水温度；

Δt₂表示两冷流体温度差，外循环冷却的：出油温度-进水温度；内循环冷却的：导轴承油温-进水温度；

4)根据步骤2)获取的冷却器冷却水流量、冷却器进出水温度及步骤3)计算出的冷却器平均温度差，按下式计算冷却器传热系数：

其中：

K表示冷却器传热系数，单位为W/m²·℃；

C表示流体平均比热容，即水的比热容，4200(J/kg·℃)；

Q表示冷却流体流量，即冷却水流量，单位为m³/h；

ρ表示流体密度，即水的密度，1000(kg/m³)；

Δt表示冷流体温差，即冷却水进出水温度差，单位为℃；

A表示传热面积，为固定值，单位为m²；

Δt_m表示冷却器平均温度差，单位为℃；

5)根据步骤2)获取的各个轴瓦温度，计算轴瓦中温度最大值：

式中T_max表示轴瓦中温度最大值，T_i表示对应的i号轴瓦温度值；

6)根据步骤4)-5)获得的下列数据与步骤1)的设定数据进行下列比对：

由步骤4)计算的冷却器传热系数＜设定冷却器传热系数K_正；

由步骤5)计算的轴瓦温度最大值＞设定轴瓦温度最大值T_最大；

检测出：该水轮发电机组存在导轴承冷却器异常故障；

7)根据步骤6)的检测结果，制定检修、维护措施，并提前对异常的导轴承冷却器进行维护处理，或在水轮发电机检修时有针对性地对异常的导轴承冷却器进行清洁、更换。

本发明检测方法原理：

本发明引入了“对数平均温度差”和“传热系数”的概念。对数平均温度差：两种流体在热交换器中传热过程温差的积分的平均值，单位为摄氏度(℃)。传热系数：指在稳定传热条件下，冷却器两侧温差温差为1℃，单位时间通过单位面积传递的热量，单位为瓦/平方米·摄氏度(W/m²·℃)，反映了传热过程的强弱。根据冷却器两种流体传热基本方程：Q＝KA△t_m，其中Q为传热速率，是单位时间内通过传热面传递的热量；K为传热系数；A为传热器面积，是固定的；Δt_m是两种流体的平均温差。在不考虑热量损失的条件下，根据能量守恒定律，单位时间内热流体(油)释放的热量Qh应等于冷流体(水)吸收的热量Qc。热流体释放出的热量：Q_h＝W_hC_ph(T₁-T₂)，冷流体吸收的热量：Q_c＝W_cC_pc(t₁-t₂)。其中，W表示流体的质量流量(kg/h)，C表示流体的平均比热容(J/kg·℃)，T₁-T₂表示热流体(油)温差(℃)，t₁-t₂表示冷流体(水)温差(℃)。根据能量守恒定律：Q＝Qh＝Qc。计算过程选用冷流体(水)，比热容及密度均使用水的比热容及密度，冷流体(水)温差为△t。因此实际冷却器运行的传热系数应为：

质量流量(W)＝体积流量(Q)×流体密度(ρ)，即W＝Q·ρ。

代入公式得到：

在所有变量均使用标准单位的条件下，计算过程中需进行单位换算，进行标准单位换算后，最终计算公式如下：

冷却器正常运作时，传热系数K数值应较大，冷却效果正常，导轴承轴瓦温度正常。当冷却器发生异常时，传热系数K数值变小，冷却效果下降，最终导致导轴承轴瓦温度上升。

本发明具有下列优点和效果：采用上述技术方案，可方便地从水电厂配置的计算机上获取各导轴承轴瓦温度、导轴承油温、冷却器进油和出油温度、冷却器进水和出水温度、冷却器冷却水流量数据，通过计算得到传热系数，再与设定的传热系数、轴瓦温度最大值进行比较后，检测出该水轮发电机组存在导轴承冷却器异常故障，以便制定检修、维护措施，并提前对异常的导轴承冷却器进行维护处理，或在水轮发电机检修时有针对性地对异常的导轴承冷却器进行清洁、更换，大大缩短检修工期，节约检修、维护成本，延长设备使用寿命。

附图说明

图1为导轴承内循环冷却器异常检测流程图；

图2为导轴承外循环冷却器异常检测流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1(内循环冷却)

本实施例1以某电厂2019年11月，5号水轮发电机组上导内循环冷却器运行情况为例，进行实际检测，该5号水轮发电机组的上导轴瓦共有12块，包括下列步骤：

1)设定水轮发电机组上导内循环冷却器传热系数正常值为K_正＝150W/m²·℃，轴瓦最大温度值为T_最大＝47.5℃；

2)通过现有的温度传感器、流量计及其相连的计算机，获取该5号机上导内循环冷却器的进水温度、出水温度、上导油温、冷却水流量、12块上导瓦温，如表1、表2：

表1

表2

瓦温平均值

式中，T表示各轴瓦的温度平均值，T_i表示对应号的轴瓦温度

3)根据步骤2)获取的各温度值，按下式计算上导内循环冷却器平均温度差：

其中：

Δt_m表示冷却器对数平均温度差；

Δt₁表示两热流体温度差，即轴瓦温度平均值-出水温度；

Δt₂表示两冷流体温度差，即导轴承油温-进水温度；

根据上述计算，得到5号机组上导内循环冷却器平均温度差(℃)如下：

4)根据步骤2)获取的冷却器冷却水流量、进出水温度及步骤3)计算出的冷却器平均温度差，按下式计算冷却器传热系数：

其中：

K表示冷却器传热系数，单位为W/m²·℃；

C表示流体平均比热容，即水的比热容，4200(J/kg·℃)；

Q表示冷却流体流量，即冷却水流量，单位为m³/h；

ρ表示流体密度，即水的密度，1000(kg/m³)；

Δt表示冷流体温差，即冷却水进出水温度差，单位为℃；

A表示传热面积，为固定值(该电厂上导内循环冷却器传热面积为100)，单位为m³；

Δt_m表示冷却器平均温度差，单位为℃

根据上述计算，得到5号机组上导内循环冷却器传热系数(W/m²·℃)如下：

5)根据步骤2)获取的12块上导轴瓦温度值，计算轴瓦温度中的最大值：

式中T_max表示轴瓦中最大温度值，T_i表示对应的i号轴瓦温度

根据上述计算，得到5号机组上导内循环冷却器对应的轴瓦温度最大值(℃)如下：

6)根据步骤4)-5)获得的下列数据与步骤1)的设定数据进行下列比对：

由步骤4)计算的上导内循环冷却器传热系数120.77W/m²·℃小于设定上导内循环冷却器传热系数K_正＝150W/m²·℃；

由步骤5)计算的上导轴瓦温度最大值48.8℃大于设定上导轴瓦温度最大值T_最大＝47.5℃；

检测出：该电厂5号水轮发电机存在上导内循环冷却器异常故障；

7)根据步骤6)的检测结果，电厂提前制定检修处理措施，检修检查发现5号机上导内循环冷却器内壁附着大量水垢，严重影响冷却器散热，在检修期专项对上导内循环冷却器内壁附着水垢进行了清理；

8)故障处理后，再次从计算机获取故障处理后的进水温度、出水温度、上导油温、冷却水流量、12块上导轴瓦温度，如表3、表4：

表3

表4

瓦温平均值

式中，T表示各轴瓦的温度平均值，T_i表示对应号的轴瓦温度

9)再根据步骤8)获取的各温度量，按下式计算导轴承冷却器平均温度差：

根据上述计算，得到5号机组上导内循环冷却器故障处理后平均温度差(℃)如下：

10)根据步骤8)获取的冷却器冷却水流量、进出水温度及步骤9)计算出的冷却器平均温度差，按下式计算冷却器传热系数：

根据上述计算，得到5号机组上导内循环冷却器故障处理后传热系数(W/m²·℃)如下：

11)根据步骤8)获取的16块上导瓦温，计算瓦温最大值：

式中T_max表示轴瓦中最大温度值，T_i表示对应的i号轴瓦温度

根据上述计算，得到5号机组推力外循环冷却器故障处理后瓦温最大值(℃)如下：

12)根据步骤10)-11)获得的下列计算数据与步骤1)的设定数据进行下列比对：

由步骤10)计算的上导内循环冷却器传热系数203.79W/m²·℃大于设定上导内循环冷却器传热系数K_正＝150W/m²·℃；

由步骤5)计算的上导轴瓦温度最大值46.5℃小于设定上导瓦温度最大值T_最大＝47.5℃；

说明该电厂5号机上导内循环冷却器异常故障已消除，上导内循环冷却器运行良好，证明本发明检测有效、准确、可靠。

实施例2(外循环冷却)

本实施例2以某电厂2019年5月，3号水轮发电机组推力外循环冷却器运行情况为例，进行实际检测，该3号水轮发电机组的推力轴瓦共有20块，包括下列步骤：

1)设定水轮发电机组推力外循环冷却器传热系数正常值为K_正＝500W/m²·℃，推力瓦最大温度值为T_最大＝48.5℃；

2)通过现有的温度传感器、流量计及其相连的计算机，获取某电厂3号机推力外循环冷却器异常故障处理前的进水温度、出水温度、进油温度、出油温度、冷却水流量、20块推力轴瓦温度，如表5、表6：

表5

表6

3)根据步骤2)获取的各温度量，按下式计算推力外循环冷却器平均温度差：

其中：

Δt_m表示冷却器对数平均温度差；

Δt₁表示两热流体温度差，即进油温度-出水温度；

Δt₂表示两冷流体温度差，即出油温度-进水温度。

根据上述计算，得到3号机组推力外循环冷却器平均温度差(℃)如下：

4)根据步骤2)获取的冷却器冷却水流量、进出水温度及步骤3)计算出的冷却器平均温度差，按下式计算冷却器传热系数：

其中：

K表示冷却器传热系数，单位为W/m²·℃；

C表示流体平均比热容，即水的比热容，4200(J/kg·℃)；

Q表示冷却流体流量，即冷却水流量，单位为m³/h；

ρ表示流体密度，即水的密度，1000(kg/m³)；

Δt表示冷流体温差，即冷却水进出水温度差，单位为℃；

A表示传热面积，为固定值(该电厂推力外循环冷却器传热面积为100)，单位为m³；

Δt_m表示冷却器平均温度差，单位为℃

根据上述计算，得到3号机组推力外循环冷却器传热系数(W/m²·℃)如下：

5)根据步骤2)获取的20块推力瓦温，计算瓦温最大值：

式中T_max表示轴瓦中最大温度值，T_i表示对应的i号轴瓦温度

根据上述计算，得到3号机组推力外循环冷却器轴瓦温度最大值(℃)如下：

6)根据步骤4)-5)获得的下列数据与步骤1)的设定数据进行下列对比：

由步骤4)计算的推力外循环冷却器传热系数362W/m²·℃小于设定推力外循环冷却器传热系数K_正＝500W/m²·℃；

由步骤5)计算的推力瓦温最大值49.4℃大于设定推力瓦最大温度值T_最大＝48.5℃；

检测出：该电厂3号水轮发电机存在推力外循环冷却器异常故障；

7)根据步骤6)的检测结果，电厂提前制定故障处理措施，经检查发现3号机推力冷却器冷却水流量为213m³/h，其他机组在270m³/h左右，全开3号机推力外循环冷却水支管阀门，冷却水流量也无法增大，于是判断推力外循环冷却水管有堵塞；2019年5月12日该电厂对3号机推力外循环冷却器开盖检查，发现推力外循环冷却水管有严重堵塞，对冷却水管堵塞物进行了清理；

8)故障处理后，再次从计算机获取故障处理后的进水温度、出水温度、进油温度、出油温度、冷却水流量、20块推力轴瓦温度，如表7、表8：

表7

表8

9)再根据步骤8)获取的各温度量，按下式计算导轴承冷却器平均温度差：

根据上述计算，得到3号机组推力外循环冷却器故障处理后的平均温度差(℃)如下：

10)根据步骤8)获取的冷却器冷却水流量、进出水温度及步骤9)计算出的冷却器平均温度差，按下式计算冷却器传热系数：

根据上述计算，得到3号机组推力外循环冷却器故障处理后的传热系数(W/m²·℃)如下：

11)根据步骤8)获取的20块推力瓦温，计算瓦温最大值：

式中T_max表示轴瓦中最大温度值，T_i表示对应的i号轴瓦温度

根据上述计算，得到3号机组推力外循环冷却器故障处理后的瓦温最大值(℃)如下：

12)根据步骤10)-11)获得的下列计算数据与步骤1)的设定数据进行下列对比：

由步骤10)计算的推力外循环冷却器传热系数672.49W/m²·℃大于设定推力外循环冷却器传热系数K_正＝500W/m²·℃；

由步骤5)计算的推力瓦温最大值47.6℃小于设定推力瓦温度最大值T_最大＝48.5℃；

说明该电厂3号机推力外循环冷却器异常故障已消除，推力外循环冷却器运行良好，证明本发明检测有效、准确、可靠。

Claims (1)

1.一种基于传热系数变化实时检测导轴承冷却器异常的方法，其特征在于包括下列步骤：

1)设定水轮发电机组导轴承冷却器传热系数正常值为K_正，轴瓦温度最大值为T_最大；

2)通过水轮发电机组现有的温度传感器、流量计及其相连的计算机，获取各导轴承轴瓦温度、导轴承油温、冷却器进油和出油温度、冷却器进水和出水温度、冷却器冷却水流量；

3)根据步骤2)获取的各温度值，按下式计算导轴承冷却器平均温度差：

其中：

Δt_m表示冷却器平均温度差；

Δt₁表示两热流体温度差，外循环冷却的：进油温度-出水温度；内循环冷却的：轴瓦温度-出水温度；

Δt₂表示两冷流体温度差，外循环冷却的：出油温度-进水温度；内循环冷却的：导轴承油温-进水温度；

4)根据步骤2)获取的冷却器冷却水流量、冷却器进水和出水温度及步骤3)计算出的冷却器平均温度差，按下式计算冷却器传热系数：

其中：

K表示冷却器传热系数，单位为W/㎡·℃；

C表示流体平均比热容，即水的比热容，4200(J/kg·℃)；

Q表示冷却流体流量，即冷却水流量，单位为m³/h；

ρ表示流体密度，即水的密度，1000(kg/m³)；

Δt表示冷流体温差，即冷却水进出水温度差，单位为℃；

A表示传热面积，为固定值，单位为㎡；

Δt_m表示冷却器平均温度差，单位为℃；

5)根据步骤2)获取的各个轴瓦温度，计算轴瓦中温度最大值：

式中T_max表示轴瓦中温度最大值，T_i表示对应的i号轴瓦温度值；

6)根据步骤4)-5)获得的下列数据与步骤1)的设定数据进行下列比对：

由步骤4)计算的冷却器传热系数＜设定冷却器传热系数K_正；

由步骤5)计算的轴瓦温度最大值＞设定轴瓦温度最大值T_最大；

检测出：该水轮发电机组存在导轴承冷却器异常故障；

7)根据步骤6)的检测结果，制定检修、维护措施，并提前对异常的导轴承冷却器进行维护处理，或在水轮发电机检修时有针对性地对异常的导轴承冷却器进行清洁、更换。

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