小型水電站機組軸承油霧問題研究與治理

黃德建

(四川水利職業技術學院，四川 都江堰，611830)

1 引言

水輪發電機組軸承油霧外溢是機組運行過程中出現的一種較為普遍現象，從早期的三門峽水電站，容量大一點的葛洲壩水電站、二灘水電站、瀑布溝水電站、溪洛渡水電站等，容量小一點的福建華安水電站，江西羅灣水電站等都出現了不同程度的油霧問題。發電機組油霧問題給機組安全穩定運行帶來巨大的隱患和危害。由于各個水電廠布置和結構形式不一樣，軸承油霧產生的位置和嚴重程度也不一樣，因而，各個水電廠解決機組軸承油霧外溢的方法也各有不同。本文主要介紹四川阿壩州LT水電站機組軸承油霧問題及處理措施。

2 水電站情況介紹

四川阿壩州LT水電站裝有3臺立式混流式水輪發電機組，總裝機容量3×8MW。水輪機型號：HLA 296-LJ-160，發電機型號：SF8000-16/3250，額定轉速：375r/min，發電機為懸式結構，推力軸承為內循環冷卻結構。自投運以來，3臺機組軸承油槽均出現了不同程度油霧外溢現象，其中以3號機組最為突出。該電站的油霧是上導推力組合軸承油槽產生的，油霧主要是通過密封蓋上的通氣罩外溢。外溢的大量油霧充斥在滑環罩中，冷凝后與碳粉一同附著在集電環摩擦面上，產生油性碳粉污垢。一方面影響碳刷散熱，另一方面過多的積炭造成電刷與集電環接觸不良，接觸電阻增大，以至于碳刷與集電環接觸面產生火花。火花產生后，又使碳刷工作環境更加惡劣，從而惡性循環，使碳刷冒火更嚴重，更加劇碳刷磨損。只要3號機組運行，隨時都看得到碳刷與集電環接觸面產生火花的情況，嚴重時3號機組每天都得更換新碳刷，即使更換各種牌子的碳刷也無濟于事。油霧問題已嚴重地影響到電站安全運行和經濟效益，對此，必須對軸承油霧問題進行分析，提出具體的防治對策。

3 發電機推力軸承及導軸承油槽油霧產生的機理及影響因素

3.1 發電機推力軸承及導軸承油槽油霧產生的機理

機組在運行時，大軸帶動軸承上的鏡板、推力頭等其他旋轉部件在油槽里運動，這些旋轉部件隨之帶動靜止油運動，油槽內的油在離心力作用下向油槽外壁等固定部件飛濺，同時，軸承動、靜部件在工作中摩擦生熱，從而導致油溫升高，在周期性循環作用下，推力軸承等部件不斷攪動透平油，油槽內的油持續飛濺，從而產生大量油霧。

3.2 機組軸承油霧的影響因素

3.2.1 與機組的結構形式和轉速有關

軸承動、靜部件尺寸越大，轉速越高、攪動速度就越快，產生的溫度就越高，因此產生油霧就越嚴重。可見，軸承油霧與機組的結構形式和轉速有關。

3.2.2 與軸承油槽容積有關

機組運行時大軸帶動軸承的鏡板、推力頭、軸領等部分不斷轉動，機組動、靜部件在工作中相互摩擦生熱，導致油槽內油溫升高，使潤滑油受熱膨脹；加之油槽內的劇烈擾動使油面上的空氣混入油中，油內大量充氣，不僅使油的體積增加，更主要的是在油內形成大量氣泡，造成了油槽內油面升高，使得油槽內部油霧混合空氣壓力高于油槽外部氣壓，高壓力油霧會從油槽各縫隙處溢出。油槽容積越小，內部壓力就越大，油霧外溢就越嚴重。

另一方面，油霧的凝結需要一定空間，過多的油霧如果在狹小油槽內沒有及時凝聚成油滴，一旦產生油霧飽和，造成油霧從油槽各縫隙處逸出。油槽容積越小，凝結時間就越短，油霧外溢就越嚴重。因此，軸承油霧與軸承油槽容積有關。

3.2.3 與發電機軸承油槽密封有關

發電機軸承油槽密封不好，容易形成油霧的主泄漏通道

3.2.4 與發電機軸承油槽油霧防止裝置有關

發電機軸承油槽油霧防止裝置不理想，防油霧效果不佳，油霧溢出也會很嚴重。

4 油霧溢出的危害

(1)大量油霧外溢，嚴重地影響了碳刷與集電環的接觸性能，加劇了碳刷磨損，頻繁地更換新碳刷，增加了消耗，增加了現場人員日常維護工作量，增加了機組運行成本。

(2)大量油霧外溢還會導致滑環罩周圍形成油污，影響散熱和導體的絕緣。另外，外溢的油霧還會在發電機附近地面形成一定積油面，極易使人滑倒。特別是對電站運行人員和檢修人員來說，如果在日常工作中沒有注意到地面的情況，則極易滑倒，給工作人員帶來傷害的風險。同時還影響美觀，給電站運行環境帶來一些影響。也增加了維護人員對環境和設備衛生打掃的工作量。

(3)運行人員還必須關注油槽的油位變化，油位下降至最低油位時應及時向油槽內加油，增加了透平油的浪費。

5 目前常用油霧治理措施

油霧治理措施通常有下面三大類。

5.1 第一大類為“圍堵”油霧

目前國內外絕大多發電機軸承油槽油霧的防治措施是“圍堵”油霧于軸承油槽內。其方法主要采用以下幾種密封方式進行“圍堵”。

5.1.1 接觸式密封

接觸式密封在運行時與大軸基本無間隙。密封環的作用類似于汽車上的雨刷，經過兩道密封后，油基本上不會從此甩出。由于耐磨密封環為隨動結構，它與支撐裝置之間無法做到完全無間隙，因此在油霧內外壓差過大的情況下，仍會有一定的油霧泄漏。接觸齒材料為碳晶材質，易磨損，磨損后產生的黑色粉塵一部分散落在機組油槽里，對油槽里的油造成污染。同時該粉塵也會滯留在接觸齒與轉軸的接觸處，導致接觸齒存在卡、澀情況，影響密封效果。

5.1.2 梳齒式密封

密封截面是梳齒形，一方面起迷宮作用，增加阻力減少泄漏，另一方面是利用梳齒旋轉部分帶動空氣產生的壓力，有利于封住油槽內的油霧，即使油濺到梳齒上，也能甩回槽內。梳齒密封還常與壓力空氣密封結合使用，有利于油霧的防治。但當梳齒與轉軸之間間隙過小時，容易與轉軸碰撞，使轉軸產生振動；間隙過大時，則很難達到密封作用。梳齒密封常用于德國及日本的水輪發電機產品中。

5.1.3 其他方式密封

另外的密封方式還有：毛氈密封、毛刷密封、螺紋密封、蜂窩密封和空氣密封等。

5.2 第二大類為“疏導”油霧

將發電機軸承油槽油霧通過吸收裝置疏導到油槽外面來，將油霧凝結成油，再流回到油槽內或者另外加以收集，這樣降低發電機軸承油槽油霧濃度，減輕了發電機軸承油槽油霧的外溢。有些水電廠采用了這類不同形式的油霧吸收裝置。

5.3 第三大類為“圍堵”油霧與“疏導”油霧的結合

既利用各種密封方式“圍堵”油霧于油槽內，又將油槽內油霧通過吸收裝置疏導到外面來凝結成油，再流回油到槽內。一些大中型水電廠的技術改造采用了這類油霧吸收裝置。

6 LT水電站軸承油霧的治理措施

針對以上水電廠采治理油霧的方法，結合LT水電站自身的特點，LT水電站采用了“圍堵”油霧與“疏導”油霧相結合的治理措施。

LT水電站機組的密封蓋與主軸動靜配合部位是采用迷宮密封，迷宮密封雖能增加油霧逸出時的阻礙，但仍有空氣間隙，由于油霧分子較小，逸出在所難免。為此，增加使用柔性密封的非金屬復合材料，該材料具有良好的自潤滑功能、摩擦系數較小，并具有耐油、耐高溫、耐腐蝕等特性，有效地“堵住”油霧在該部位的逸出。但是，如何來解決大量油霧通過密封蓋上的通氣罩外溢問題？最早采用的方法是：溢出的油霧直接用瓶子進行收集，毫無效果。后來考慮用加裝呼吸器來平衡油槽內外的壓力，但油霧嚴重，隨著運行時間增加，呼吸器濾芯很快飽和，此方法仍然不行。為此筆者設計了一款軸承油槽油霧收集裝置(如圖1)，采用該油霧收集裝置后，完全解決了油霧外溢的問題。該油霧收集裝置的結構及功能原理如下：

圖1 油霧收集裝置

(1)當油霧從水輪發電機軸承油槽蓋板上的油霧排出孔進入本裝置后，大部分油霧通過管道進入冷卻器1凝結成油滴，液體的油滴流到閥門1上面的集油裝置里，通過油位觀察裝置就可以看到流進的油位高低，當油位高時，打開閥門1放到集油瓶里。如果還有少量的油霧沒有凝結成油滴，可以繼續通過冷卻器2凝結成油滴，液體的油滴流到閥門2上面的集油裝置里，最后再放到集油瓶里。

(2)彈簧安全閥的作用是當管路發生堵塞時(這種可能性很小)，以保證內部氣壓過高或者過低時，可以通過彈簧安全閥與大氣相通。彈簧安全閥一個是過氣壓釋放，一個是欠壓釋放。

(3)根據物理原理，熱氣始終是往上升，這就是為什么設計裝置油霧從上往下進入冷卻器的原因。如果熱的油霧從下往上進入冷卻器，油霧會跑得快些，不便于冷卻，油霧容易和氣體逸出；反之，如果熱的油霧從上往下進入冷卻器，油霧相對會跑得慢些，便于冷卻凝結成油滴。通過兩個冷卻器冷卻后，油霧絕大部分凝結成油滴，只有極少數油霧逸出。

通過采用該油霧吸收裝置技術改造后，LT水電站油霧外溢問題得到了徹底解決。電刷與集電環的污染問題、電刷與集電環打火問題以及頻繁更換電刷問題隨之而解，這樣，降低了運行、維護人員的工作量，改善了機組周圍的污染環境，取得了較好的經濟效益。

7 結語

水輪發電機組軸承油霧外溢是困擾水電站的常見問題，許多水電站都普遍存在，只是污染程度不同而已。對此，各水電廠、制造單位和科研單位都進行了積極的探索與研究。由于各水電廠結構型式、軸承布置情況和冷卻方式等各種因素均有所不同，故治理的方法也是多種多樣。只有對油霧問題進行認真的研究，結合本電站的具體情況，就能夠尋找到一種有效治理本電站軸承油霧外溢的方法，油霧問題是可以解決的。在油霧的治理中，必須充分了解軸承油槽的特性，了解油霧外溢的特點，系統地考慮問題，進行針對性的技術改造，水輪發電機組軸承油霧問題是能夠得到有效解決的。