水布埡電廠3號(hào)發(fā)電機(jī)推力軸承甩油分析與改造

徐興友，王 維，趙公杰，陳煥忠，秦亞軍

(湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000)

湖北清江水布埡水電廠，位于湖北省巴東縣境內(nèi)，是清江梯級(jí)水電開發(fā)的龍頭工程。電站安裝有4臺(tái)型號(hào)為SF400-40/11900的水輪發(fā)電機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速150 r/min，額定功率400 MW，最大持續(xù)運(yùn)行功率460 MW，總裝機(jī)容量1 840 MW，保證出力310 MW，多年平均發(fā)電量39.2億kWh。

水布埡水輪發(fā)電機(jī)推力軸承采用小彈簧束支承巴氏合金瓦推力軸承，自身鏡板泵外循環(huán)冷卻方式，見圖1。冷卻油的循環(huán)動(dòng)力來源于16個(gè)均布于鏡板直徑為50 mm的甩油孔。推力瓦為20塊巴氏合金瓦，瓦面油室為單油室；單瓦面積為0.267 m2，屬于大型瓦，承重性好；推力瓦在工廠加工完成，在廠內(nèi)及工地均不刮瓦。托瓦厚度80 mm，托瓦面開16條寬20 mm深15 mm的周向油溝，用于冷卻推力瓦與托瓦，以降低推力瓦溫度[1]。在下機(jī)架腿之間設(shè)置高效列管式冷卻器。推力油槽內(nèi)的熱油抽出經(jīng)冷卻器冷卻后再注入推力油槽，以帶走軸承產(chǎn)生的熱量[2]。

圖1 鏡板泵外循環(huán)系統(tǒng)圖

1 設(shè)備運(yùn)行情況

1.1 鏡板泵運(yùn)行情況

3號(hào)機(jī)組推力油槽設(shè)計(jì)靜止油位為980 mm，近年來實(shí)際靜止油位約850 mm，夏季連續(xù)滿發(fā)運(yùn)行時(shí)平均瓦溫約69℃，最高瓦溫74.5℃，油溫約37℃。原設(shè)計(jì)推力軸承通過8臺(tái)冷卻器與外界進(jìn)行熱交換，鏡板甩油孔甩出的油通過集油盒與冷卻器管路連通，集油盒與鏡板之間采用鋁青銅材質(zhì)的擋塊以接觸式密封形式進(jìn)行密封(見圖2)。

圖2 水布埡機(jī)組原推力軸承結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)行多年以來?yè)鯄K與鏡板均有不同程度磨損，集油盒與鏡板之間間隙逐漸增大，最大處達(dá)到1.2 mm，導(dǎo)致鏡板泵循環(huán)效率降低[3](見圖3)。

圖3 鏡板與鋁青銅擋塊接觸處磨損情況圖

近年來外循環(huán)冷卻器油流量極低，推力油槽與外界熱交換效率低。實(shí)測(cè)推力冷卻器油循環(huán)流量表1所示。

表1 3號(hào)機(jī)組推力冷卻器油流量統(tǒng)計(jì)表

1.2 推力軸承甩油情況

為防止油槽內(nèi)油霧外逸，推力油槽裝有接觸式密封蓋，密封蓋的隨動(dòng)密封材料為炭精塊。密封蓋上裝有呼吸器，可使油槽內(nèi)產(chǎn)生的油霧凝結(jié)成油滴，返流回油槽內(nèi)，過濾后的空氣被排出，保證油槽內(nèi)外壓力平衡。下風(fēng)洞內(nèi)聚集大量油污見圖4。

圖4 下風(fēng)洞內(nèi)聚集大量油污

3號(hào)機(jī)組推力油槽甩油可分為兩種情況：油霧外逸和內(nèi)擋油管甩油。機(jī)組旋轉(zhuǎn)以及推力油槽內(nèi)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，攪動(dòng)油槽內(nèi)油流一方面形成油霧，油霧通過接觸式密封蓋處外逸；另一方面攪起的油流通過內(nèi)擋油管甩出，據(jù)統(tǒng)計(jì)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行72 h，內(nèi)擋油管甩油約85 L(見圖5)。

圖5 油霧順著油槽接觸式密封蓋外逸痕跡

2 原因分析

從2010年開始，在3號(hào)機(jī)組B級(jí)和C級(jí)檢修期間，從阻止透平油甩出和油霧逸出出發(fā)，多次采取措施對(duì)擋油管、接觸式密封蓋進(jìn)行優(yōu)化改造、增加吸油霧裝置等，但效果均不理想。這些措施均不治本，要想徹底解決3號(hào)機(jī)組甩油問題，需要從根本上減少油霧的產(chǎn)生和降低油面的波動(dòng)。

油霧的生成和油面的波動(dòng)與油槽內(nèi)油位、溫度、壓力及油流的流態(tài)密切相關(guān)，而推力油槽的結(jié)構(gòu)及熱交換效率是影響以上參數(shù)的關(guān)鍵因素。

一方面鏡板泵循環(huán)效率低，造成油槽內(nèi)瓦溫、油溫及環(huán)境溫度升高，加劇油霧的生成，同時(shí)還會(huì)造成油槽內(nèi)壓力增大，導(dǎo)致接觸式密封蓋無法對(duì)油霧進(jìn)行有效封堵，使油霧外逸。另一方面鏡板泵循環(huán)效率低就需要通過增加透平油量來降低瓦溫，使機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，而油槽內(nèi)壓力增高和油位加高，會(huì)導(dǎo)致部分油從內(nèi)擋油管甩出。推力油槽的結(jié)構(gòu)直接影響油面的波動(dòng)，劇烈的油面波動(dòng)會(huì)加劇甩油并產(chǎn)生油霧。

3 防治措施

2019年～2020年，水布埡電廠對(duì)3號(hào)機(jī)組進(jìn)行了擴(kuò)修改造。針對(duì)推力軸承甩油問題，從改變推力油槽透平油循環(huán)方式出發(fā)，對(duì)推力軸承進(jìn)行了一系列優(yōu)化改造[4]。

3.1 自身鏡板泵外循環(huán)改為強(qiáng)迫外循環(huán)

取消鏡板泵外循環(huán)，將鏡板甩油孔進(jìn)行封堵，拆除鏡板泵集油盒。在油槽外加裝7套外循環(huán)油泵電機(jī)組及冷卻器。采用6主1備的方式運(yùn)行，油泵電機(jī)組及冷卻器的循環(huán)流量設(shè)計(jì)值為634 L/min，平均每4 min就能將油槽內(nèi)透平油循環(huán)一遍。同時(shí)，在油槽內(nèi)部形成從內(nèi)擋油管到油槽外壁吸油口的油流路徑，降低內(nèi)檔甩油情況(見圖6)。

圖6 強(qiáng)迫外循環(huán)示意圖

由于加強(qiáng)了油槽內(nèi)油循環(huán)效率，在綜合考慮瓦溫和透平油量后，我廠將推力油位由原先的845 mm降低至745 mm，進(jìn)一步減少油霧的生成和甩油。

3.2 加裝穩(wěn)油板

在油槽內(nèi)壁和鏡板之間加裝穩(wěn)油板，穩(wěn)油板與鏡板之間保留0.5～1 mm的間隙。

利用穩(wěn)油板降低油面波動(dòng)，減少油霧的產(chǎn)生。同時(shí)穩(wěn)油板將油槽分為上下兩腔，使通過穩(wěn)油板逸出的油霧在上腔液化，從而減少油霧外逸[5]。改造后推力油槽結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 改造后推力油槽結(jié)構(gòu)圖

3.3 更換密封蓋

更換接觸式密封蓋，新蓋板密封梳齒分為3道，將密封蓋分為上下兩腔。最上面為氣密封板，與大軸緊密接觸。在上腔加裝3臺(tái)功率1.5 kW的抽風(fēng)風(fēng)機(jī)，下腔加裝1臺(tái)250 W的靜電過濾器。3臺(tái)風(fēng)機(jī)將油槽內(nèi)空氣往外抽，由于氣密封板的存在，最開始從油槽內(nèi)抽出的空氣要多于從接觸式密封蓋進(jìn)入油槽的空氣，使得油槽內(nèi)形成負(fù)壓。油槽內(nèi)負(fù)壓一方面阻止油霧通過接觸式密封蓋往外逸，另一當(dāng)面阻止油從內(nèi)擋油管甩出。同時(shí)，密封蓋下腔安裝的靜電過濾器可將油槽內(nèi)油霧吸出收集(見圖8)。

圖8 密封梳齒示意圖

3.4 內(nèi)擋油管改造

由于3號(hào)機(jī)組推力油槽內(nèi)擋油管存在變形情況，擋油管變形會(huì)形成變心泵效應(yīng)，加劇甩油。此次將內(nèi)擋油管進(jìn)行了更換，將其高度加高至距離轉(zhuǎn)子支架地面10 mm，并增加其厚度。

3.5 運(yùn)行效果

3號(hào)機(jī)組推力軸承改造結(jié)束后已投產(chǎn)將近3個(gè)月，期間經(jīng)歷了汛期連續(xù)20多天滿負(fù)荷運(yùn)行。滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，機(jī)組推力軸承平均瓦溫約62℃，最高瓦溫70℃，平均油溫約38℃，單臺(tái)外循環(huán)冷卻器油流量約500 L/min。目前推力軸承密封蓋處無油霧逸出，內(nèi)擋油管處無甩油現(xiàn)象，靜電過濾器油箱內(nèi)無油霧吸出，3臺(tái)排風(fēng)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口有少量油霧吸出。

4 結(jié) 語

此次3號(hào)機(jī)組推力軸承改造一方面通過強(qiáng)迫外循環(huán)的循環(huán)方式提高油槽內(nèi)油循環(huán)效率，降低瓦溫、油位；增加穩(wěn)油板減緩油面波動(dòng)；加裝排風(fēng)風(fēng)機(jī)，降低油槽內(nèi)環(huán)境溫度；加高穩(wěn)油板等措施從根源上減少甩油和霧的產(chǎn)生。另一方面利用排風(fēng)風(fēng)機(jī)在油槽內(nèi)形成負(fù)壓，防止油霧外逸從而從根源上減少油霧的產(chǎn)生和降低油面；另一方面通過加裝排風(fēng)風(fēng)機(jī)使油槽內(nèi)形成負(fù)壓，從而阻止油霧從油槽梳齒密封處往外逸，并利用靜電過濾器將油槽內(nèi)油霧吸出收集，達(dá)到相關(guān)要求[6]。

從目前運(yùn)行效果來看，此次改造徹底解決了3號(hào)機(jī)組推力軸承甩油及油霧外逸問題。但靜電過濾器處無油霧吸出，3臺(tái)排風(fēng)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處卻有少量油霧吸出，該問題說明靜電過濾器和排風(fēng)風(fēng)機(jī)的功率不匹配，建議后續(xù)通過試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，或者在排風(fēng)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處加裝油霧收集裝置。