國產彈性金屬塑料瓦在600 MW水電機組的應用

王貴來，易吉林

(構皮灘發電廠，貴州 余慶 564408)

1 問題的提出

我國水力發電事業現已進入特大型、巨型水電機組時代，推力軸承的可靠性對保證機組安全運行至關重要。已投運和在建大型水電機組的推力軸承均采用傳統的巴氏合金軸瓦，并依靠進口或引進國外技術制造，軸瓦運行溫度較高，安全裕度小，設備投入費用大。20世紀90年代前，我國水力發電機組推力軸承(特別是大型機組推力軸承)頻繁發生燒瓦事故。據統計，在水電機組機械事故中，僅推力軸承事故就占水電機組機械事故率的70%以上，嚴重影響了機組的正常發電運行。1990年初，葛洲壩、龍羊峽、丹江口等水電站先后引進俄羅斯研制開發的彈性金屬塑料推力瓦，安裝運行后取得了明顯效果。多年來，彈性金屬塑料推力瓦在水電機組上的普遍應用，大幅度減少了推力軸承事故率。在保證機組安全運行方面發揮了巨大作用。

2003年構皮灘水電站開工建設，構皮灘發電廠600 MW機組在吸收、借鑒三峽進口機組基礎上實現完全國產化，而構皮灘600 MW機組無論在線速度、軸承比壓和pv值等參數均高于國內其他機組。構皮灘發電廠在600 MW水電機組上嘗試使用推力負荷達30 000 kN彈性金屬塑料瓦，取得了良好的效果。

2 彈性金屬塑料瓦的機制

新材料采用增強改性聚四氟乙烯材料，形成了具有骨架、高耐磨質點和聚四氟乙烯潤滑基體的復合結構，制成了低摩擦的環保型高性能化復合材料。推力瓦外形及剖面結構如圖1所示，表層耐磨材料的內部組織結構如圖2所示。

圖1 彈性金屬塑料瓦外形及其剖面結構

在顯微鏡下觀察，材料表面組織中均勻分布著密集的亮點，主要是以高耐磨工程塑料為基體的耐磨質點。從材料斷口形貌可以看出，高強纖維均勻分布于樹脂之間，形成了增強網格骨架，提高了材料的抗壓和抗剪強度，從而大幅度提高了摩擦材料的抗磨損性能，同時也提高了摩擦材料與金屬絲墊之間的結合牢度。新型高性能環保型彈性金屬塑料瓦主要技術指標見表1，與巴氏合金瓦特性對比見表2。

3 彈性金屬塑料瓦的模擬計算分析

根據機組運行參數進行模擬計算，分析驗證了彈性金屬塑料軸瓦在構皮灘發電廠600 MW機組上應用效果。機組推力瓦運行參數見表3。

表3分析了彈性金屬塑料瓦的模擬潤滑計算結果，當平均線速度為24.21 m/s且軸承比壓為4.58MPa時，軸承pv值達到110.91 MPa·(m/s)，此時最小油膜厚度為49 μm，完全滿足機組安全運行的要求。

圖2 彈性金屬塑料瓦摩擦表面結構和材料斷口組織結構

表1彈性金屬塑料瓦主要技術性能指標

技術性能指標數值說明壓縮強度/MPa45彈性模量/kPa1900～2400線膨脹系數/℃7.8×10-5導熱系數/[W·(m·K)-1]0.71絕緣電阻/M Ω∞摩擦因數干摩擦0.14～0.18平試樣滴油潤滑0.01～0.02平試樣,10～15滴/min滴水潤滑0.08～0.10平試樣,15～20滴/min磨損系數/[cm3·(N·m)-1]干摩擦3.55×10-10平試樣滴油潤滑4.68×10-11平試樣,10～15滴/min滴水潤滑8.15×10-9平試樣,15～20滴/min

表2 彈性金屬塑料瓦與巴氏合金瓦特性對比

表3 (構皮灘發電廠水輪發電機)彈性金屬塑料軸瓦參數

圖3～圖5為計算機模擬構皮灘發電廠機組推力瓦運行的油膜厚度、壓力和溫度的三維圖形，運行情況較為理想，完全滿足安全可靠運行的要求。

圖3 油膜厚度分布

圖4 油膜壓力分布

圖5 油膜溫度分布

4 彈性金屬塑料瓦在國產機組的運行分析

在推力負荷達到30 000 kN時，彈性金屬塑料瓦磨損量、瓦溫分析結果如下。

4.1 運行近5 000 h后磨損量分析

自2009年投產以來，構皮灘發電廠共進行了6臺次B級以上檢修，分別為#1機組B級檢修2次，#2機組B級檢修2次，#3機組B級檢修2次。在每次機組檢修過程中，構皮灘發電廠將推力彈性金屬塑料瓦表面檢查及厚度測量列為重點檢查項目，檢查結果表明，#1，#2，#3機組推力彈性金屬塑料瓦面狀態良好，僅有輕微摩擦痕跡，且在規程的允許范圍內。表4～表6為3臺機組推力彈性金屬塑料瓦不同運行時間后瓦厚度測量結果。

表4 #1機組運行近5 002 h后瓦厚度測量結果 mm

續表

表5 #2機組運行近4 688 h后瓦厚度測量結果 mm

通過對以上3臺機組瓦厚度數據測試結果分析可知，瓦厚度最小值為299.94 mm，最大值為300.02 mm，推力瓦的厚度尺寸設計值為300 mm，出廠檢驗記錄厚度在299.96～300.00 mm之間，說明彈性金屬塑料瓦具有良好的低摩擦性能和極佳的抗磨損性能。以機組運行5 000 h計算，瓦面的年平均最大磨損量為0.06 mm，按照塑料層厚度2 mm推算，塑料瓦壽命可達30年以上，證明該型號國產瓦具有使用壽命長的特點。

4.2 運行近5 000 h后瓦溫分析

對全廠3臺機組600 MW負荷下運行溫度進行了跟蹤，#1～#3機組推力彈性金屬塑料瓦運行溫度在46 ℃左右，且各瓦間溫差在2 ℃左右，運行完全達到了機組設計時瓦體溫度低于50 ℃的要求，證明該塑料瓦在推力負荷達30 000 kN時使用是安全、可靠的。3臺機組600 MW負荷下運行溫度情況見表7。

表6 #3機組運行5 748 h后瓦厚度測量結果 mm

表7 3臺機組600MW負荷下運行溫度情況 ℃

5 30 000 kN彈性金屬塑料瓦應用效益分析

構皮灘發電廠5臺600 MW機組推力軸承采用了國產30 000 kN彈性金屬塑料瓦，每臺機組節約投資560萬元，5臺機組可節約設備投資金額2 800萬～3 000萬元。采用彈性金屬塑料瓦后，因檢修時無需刮瓦工藝，縮短了檢修工期。人力工作時間若按4人5個工作日的工作量計算，1個檢修周期就可提高年可利用小時數100 h，構皮灘發電廠單機容量600 MW，按上網電價0.297元/(kW·h)計算，1 d(24 h)的純發電收入就達427.7萬元，每年1次大修可節約經費1782.1萬元，經濟效益相當可觀。

采用彈性金屬塑料瓦后，省去了高壓油頂起裝置，提高了機組運行可靠性，降低了機組安全運行風險。彈性金屬塑料瓦具備低速及惰性停機性能，即使機組偶爾發生惰轉，也不會存在燒瓦的風險。彈性金屬塑料瓦具有優越的水潤滑性能，當水作為潤滑介質時，有良好的低摩擦性能和極佳的耐磨損性能。當水輪機組推力油槽混入水后，能降低或避免燒瓦風險；還可在停機5 min內熱啟動，為系統調峰、調頻創造了條件，保證了電網的安全。

彈性金屬塑料瓦在構皮灘發電廠的成功應用，為國產彈性金屬塑料瓦在大型機組的應用積累了運行經驗。繼構皮灘發電廠機組成功使用后，哈爾濱電機廠又成功研發出推力負荷達40 000 kN的彈性金屬塑料瓦，擬在今后國產更大容量機組上使用，使水輪發電機組關鍵技術國產化又邁上了新的臺階。

6 結論

(1)彈性金屬塑料瓦在大負荷條件下比相同工況的巴氏合金軸瓦油膜厚度大，檢修后機組啟動瓦瓦溫穩定所需的時間較短，巴氏合金軸瓦瓦溫穩定時間需6 h，而彈性金屬塑料瓦瓦溫穩定時間只需4 h即可。

(2)彈性金屬塑料瓦安裝維護簡單，它與巴氏合金軸瓦相比，彈性金屬塑料瓦推力軸承在安裝時不需刮瓦，機組盤車容易，整套瓦的負荷均勻性要求較低。

(3)運行性能優異。彈性金屬塑料瓦推力軸承的許用單位壓力和溫升比巴氏合金軸瓦推力軸承高，瓦體溫度和損耗比巴氏合金軸瓦推力軸承低。在每年累計5 000 h的運行和1 200次啟、停機的條件下，彈性金屬塑料瓦推力軸承的壽命可達30年。

(4)運行條件限制較少。允許頻繁啟動并允許熱啟動。轉速低于額定轉速的10%情況下可加閘制動。油槽內冷卻器短時停水時，推力軸承仍可正常運行。

(5)無需高壓油頂起系統。彈性金屬塑料瓦省去了高壓油頂起系統，設備結構簡單且運行可靠性高，節約了高壓油頂起裝置的設備投資。

(6)彈性金屬塑料瓦推力軸承吸收沖擊的性能較高，可有效降低設備振動。

(7)價格優勢。目前國內生產的推力彈性金屬塑料瓦與進口同類型軸瓦比較，每塊瓦價格低24萬元左右，與傳統巴氏合金軸瓦比較，每塊瓦價格低15萬元左右。按照構皮灘發電廠5臺機組使用96塊軸瓦計算，可節約設備投資2 800萬～3 000萬元。

參考文獻：

[1]徐華，呂長春，朱均.復合材料軸瓦的力學性能研究[J].西安交通大學學報,1999(6):55-59.

[2]李文白,劉顯耀.氟塑料推力瓦的應用與效果[J].四川水力發電,1995(2): 84-87.

[3]賈慧娟.彈性金屬塑料瓦表面性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學,2003.