水力不平衡引起水輪發(fā)電機組導(dǎo)軸承瓦溫異常的分析

曾正奇，徐云龍

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

由于水輪發(fā)電機組運行方式轉(zhuǎn)換迅速、靈活，使得水電站具有很好的調(diào)峰、調(diào)頻能力。在不同的工況條件下運行，會對水輪發(fā)電機組的導(dǎo)軸承系統(tǒng)造成不同程度的影響，從而影響軸瓦溫度。水輪發(fā)電機組導(dǎo)軸承是水輪發(fā)電機軸承的重要原件，其主要承受機組轉(zhuǎn)動部分的徑向機械不平衡力和電磁不平衡力，維持機組主軸在軸承間隙范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。某大型水力發(fā)電廠水導(dǎo)軸承采用稀油潤滑分塊瓦結(jié)構(gòu)，熱油經(jīng)外循環(huán)油泵抽出加壓并通過冷卻器冷卻后，再對軸瓦進行潤滑冷卻，多次出現(xiàn)水導(dǎo)瓦溫異常升高的現(xiàn)象，通過對事件的原因分析可以為水導(dǎo)瓦溫異常時提供借鑒意義。

1 水導(dǎo)瓦溫異常升高現(xiàn)象

1.1 2020 年5 月20 日18 號機組水導(dǎo)瓦溫異常升高

2020 年5 月20 7:02 18 號機組開機至并網(wǎng)；13:30 運行人員監(jiān)屏發(fā)現(xiàn)18 號機組負荷630 MW，水導(dǎo)3 號、4 號瓦溫分別升至63.5℃及65.1℃，現(xiàn)場檢查現(xiàn)地顯示水導(dǎo)瓦溫為64.9℃、62.8℃。趨勢分析顯示18 號機組水導(dǎo)油槽油位、水導(dǎo)油流量、水導(dǎo)冷卻水流量無明顯變化，水導(dǎo)軸承擺度峰值，頂蓋壓力脈動峰值未達到報警值；14:00 18 號機組停機備用，停機過程中出現(xiàn)水導(dǎo)1 號、2 號瓦溫急劇上升，3號、4 號瓦溫急劇下降現(xiàn)象。停機后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)18號機組21 號導(dǎo)葉操作機構(gòu)雙連板脫落。

1.2 2020 年8 月11 日1 號機組水導(dǎo)瓦溫異常升高

2020 年8 月11 日17:00 至19:00，1 號 機 組 進行負荷調(diào)整，負荷由700 MW 降至610 MW 運行，水導(dǎo)1 號、4 號瓦溫急劇上升；2 號、3 號瓦溫急劇下降；負荷調(diào)整回700 MW 后，水導(dǎo)1 號、4 號瓦溫下降至負荷調(diào)整前狀態(tài)后保持下降趨勢；2 號、3 號瓦溫上升至負荷調(diào)整前狀態(tài)后保持上升趨勢，到2020 年8月14 日恢復(fù)正常。期間1 號機組水導(dǎo)油槽油位、水導(dǎo)油流量、水導(dǎo)冷卻水流量無明顯異常變化，水導(dǎo)軸承擺度峰值，頂蓋壓力脈動峰值未達到報警值。

2 水導(dǎo)瓦溫異常升高原因分析

2.1 水導(dǎo)軸承瓦溫影響因素

水導(dǎo)軸承瓦溫升高與否取決于大軸與油摩擦產(chǎn)生的熱量、油熱傳導(dǎo)至軸瓦的熱量、潤滑油與冷卻水熱交換消除的熱量三者的熱量傳導(dǎo)是否處于平衡狀態(tài)。正常情況下，三者的傳熱量是平衡的，瓦溫和油溫能維持在正常范圍小幅波動。

上述2 次水導(dǎo)軸承瓦溫異常升高，存在水導(dǎo)部分瓦面瓦溫明顯上升，部分瓦面瓦溫明顯下降或無上升趨勢，而水導(dǎo)油槽油位、水導(dǎo)油流量、水導(dǎo)冷卻水流量無明顯異常變化現(xiàn)象。若是冷卻系統(tǒng)或者潤滑油回油出現(xiàn)異常，油溫應(yīng)該處于明顯的上升趨勢，并且所有水導(dǎo)瓦溫應(yīng)該都有大致一樣的上升趨勢，與實際現(xiàn)象不符，說明不是水導(dǎo)冷卻系統(tǒng)導(dǎo)致的瓦溫異常；若是潤滑油油質(zhì)、油位出現(xiàn)異常，導(dǎo)致油熱傳導(dǎo)至軸瓦的熱量變化，所有水導(dǎo)瓦溫應(yīng)該有同樣的上升趨勢，與實際現(xiàn)象不符；若是某塊軸瓦瓦面磨損，導(dǎo)致此軸瓦瓦溫升高，則此軸瓦瓦溫應(yīng)該在上升后一直處于高溫狀態(tài)而不會下降，與實際現(xiàn)象不符，說明不是軸瓦與潤滑油熱傳導(dǎo)的原因。瓦溫異常升高的根本原因應(yīng)是大軸與油摩擦產(chǎn)生的局部熱量增多了，是某種原因使主軸振動變大了，且大軸偏心距增加，局部油膜間隙變小，導(dǎo)致大軸與油膜局部摩擦加劇，油膜間隙變小也會使得沿大軸徑向方向油膜熱對流熱量降低，使得軸瓦瓦面溫度上升。

水輪發(fā)電機組大軸振動變大，軸心偏心距增加的原因主要包括機械不平衡、電磁不平衡、水力不平衡三方面，其中水力不平衡最常見也是最主要的因素。空腔氣蝕、卡門渦列、導(dǎo)水機構(gòu)和過流部件由于制造偏差或卡阻損壞引起水流不平衡，都會造成水輪機水力不平衡。

圖1 水導(dǎo)軸承偏心示意圖

2.2 2020 年5 月20 日18 號機組水導(dǎo)瓦溫異常升高原因分析

如圖2 所示，通過對水導(dǎo)瓦溫回顧分析，5 月20日故障發(fā)生時，18 號機組2 號瓦溫與油溫的溫差在0℃波動，而4 號瓦溫從開機后一直保持20℃。停機后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)18 號機組21 號導(dǎo)葉操作機構(gòu)雙連板脫落，重新安裝并緊固雙連板后，5 月21 日，18 號機組開機并網(wǎng)運行，水導(dǎo)瓦溫恢復(fù)正常，說明瓦溫異常的直接原因是導(dǎo)葉操作機構(gòu)雙連板脫落。而恢復(fù)正常運行后，2 號、4 號瓦溫與油溫的溫差呈一致的上升趨勢，且2 號瓦溫要高于4 號瓦溫。

圖2 18 號機組水導(dǎo)瓦溫油溫溫差趨勢（異常時與處理后）

如圖3 所示，5 月20 日故障發(fā)生時，水導(dǎo)X 向擺度間隙較恢復(fù)正常后寬200 μm，這是導(dǎo)致2 號水導(dǎo)瓦溫與油溫一樣甚至低于油溫的根本原因；而水導(dǎo)Y 向擺度間隙較恢復(fù)正常后數(shù)值略微偏小，但剛開機時1 700 μm 的間隙嚴重偏低，這是4 號水導(dǎo)瓦溫剛開機時就遠高于水導(dǎo)油槽油溫的根本原因。

圖3 18 號機組水導(dǎo)擺度間隙趨勢（異常時與處理后）

如圖4 所示，5 月20 日故障發(fā)生時，18 號機組水輪機頂蓋振動包括大量的13X 倍頻分量，而恢復(fù)正常運行后，13X 倍頻分量消失。由于18 號機組轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為13 片，13X 倍頻出現(xiàn)表示水輪機頂蓋受到了導(dǎo)水機構(gòu)故障引起水力不平衡導(dǎo)致的水擊振動。

圖4 18 號機組水輪機頂蓋壓力頻譜圖（異常時與處理后）

2.3 2020 年8 月11 日1 號機組水導(dǎo)瓦溫異常升高原因分析

如圖5 所示，結(jié)合5 月20 日水導(dǎo)瓦溫異常分析，回顧分析1 號機組水導(dǎo)軸承系統(tǒng)相關(guān)重要參數(shù)趨勢。8 月11 日16 時開始調(diào)整負荷，工作水頭在88 m，負荷短時間內(nèi)降低100 MW，導(dǎo)葉開度在高水頭下回關(guān)過快，導(dǎo)致水輪機過流部件水力不平衡，水導(dǎo)軸承Y 向間隙急劇減小，引起4 號瓦溫溫差降低，2 號瓦溫溫差上升。

圖5 所示，4 號水導(dǎo)瓦溫溫差趨勢上升后下降，與Y 向間隙趨勢一致；2 號瓦溫溫差趨勢與Y 向間隙相反，部分時間段出現(xiàn)瓦溫低于油溫現(xiàn)象，說明2號軸瓦處的間隙過大。

圖5 1 號機組水導(dǎo)瓦溫異常趨勢（瓦溫油溫溫差、水頭、開度、間隙）

水導(dǎo)擺度間隙趨勢與導(dǎo)葉開度趨勢一致，與水頭趨勢相反，分析原因為高水頭運行工況下，水頭短期內(nèi)變化較大時，導(dǎo)葉開度隨動變化會導(dǎo)致水輪機過流部件水力不平衡，導(dǎo)致大軸與軸瓦間隙分布不均勻，水導(dǎo)瓦溫出現(xiàn)異常。

3 結(jié)語

綜上所述，導(dǎo)軸承間隙會直接影響導(dǎo)軸承瓦溫分布，而水輪機水力不平衡會導(dǎo)致導(dǎo)軸承間隙分布不均勻。導(dǎo)軸承溫度會出現(xiàn)部分瓦溫升高，部分瓦溫降低，甚至部分瓦溫低于油溫的現(xiàn)象，而導(dǎo)軸承冷卻水流量、油槽油位、水導(dǎo)油流量、水導(dǎo)冷卻水流量無明顯異常變化，水導(dǎo)軸承擺度峰值、頂蓋壓力脈動峰值未達到報警值。

當(dāng)出現(xiàn)上述現(xiàn)象時，可優(yōu)先考慮分析是否存在導(dǎo)軸承間隙分布不均，軸心偏心距偏大。分析方向可分為機械不平衡、電磁不平衡、水力不平衡，其中水力不平衡為較為常見的因素，過流部件及導(dǎo)水機構(gòu)損壞、掉落，水輪機運行工況短期內(nèi)變化過大等都會導(dǎo)致水輪機水力不平衡。