水輪發(fā)電機(jī)軸承甩油原因分析及處理

史恩澤，陸 波

(國(guó)網(wǎng)東北分部綠源水力發(fā)電公司太平灣發(fā)電廠，遼寧 丹東 118000)

1 概況

某電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣鴨綠江流域，距丹東市82 km，距寬甸滿族自治縣48 km。廠區(qū)內(nèi)有兩座引水式地面廠房，其中A 站廠房?jī)?nèi)安裝1，2 號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量75 MW，1989 年兩臺(tái)機(jī)組相繼投產(chǎn)發(fā)電;B 站廠房?jī)?nèi)安裝3，4 號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量100 MW，2014 年兩臺(tái)機(jī)組相繼投產(chǎn)發(fā)電。

2 問(wèn)題簡(jiǎn)述

B 站廠房?jī)?nèi)的3，4 號(hào)機(jī)組在投產(chǎn)發(fā)電不足兩年時(shí)間后，其水輪發(fā)電機(jī)的推力軸承和下導(dǎo)軸承就開(kāi)始出現(xiàn)甩油問(wèn)題。2018 年10 月以后，甩油問(wèn)題開(kāi)始加重，尤其是推力軸承，油霧從油擋的密封齒與轉(zhuǎn)動(dòng)部件的縫隙逸出，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)鼓風(fēng)作用下，吹入定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)架、油槽和水車室等部件的表面。推力頭與推力油擋的密封齒之間的間隙由安裝時(shí)幾乎為0，到2019 年4 月測(cè)量時(shí)間隙呈不均勻狀態(tài)，最大的部位達(dá)到0.30 mm，個(gè)別部位無(wú)間隙。油擋的密封齒與轉(zhuǎn)動(dòng)部件接觸部位磨損嚴(yán)重，推力頭外緣和下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子與密封齒的接觸部位普遍被研磨出0.5 ～1 mm 深的溝痕。

3 軸承甩油的原因分析

3.1 水輪發(fā)電機(jī)軸承的密封結(jié)構(gòu)形式

B 站廠房?jī)?nèi)的3，4 號(hào)機(jī)組：水輪發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF100-40/9200，額定轉(zhuǎn)速150 r/min，設(shè)有上導(dǎo)、下導(dǎo)和推力三部軸承，推力軸承安裝在轉(zhuǎn)子下方。軸承的密封結(jié)構(gòu)形式均為接觸式密封油擋。推力軸承的油擋密封齒為上下腔結(jié)構(gòu)，上下腔各設(shè)兩個(gè)擋油管，其中上腔的兩個(gè)擋油管和下腔的一個(gè)擋油管用法蘭封堵，下腔的另一個(gè)擋油管連接吸油霧裝置。上導(dǎo)軸承和下導(dǎo)軸承的油擋密封齒為單腔結(jié)構(gòu)，各設(shè)兩個(gè)擋油管，一個(gè)擋油管用法蘭封堵，另一個(gè)擋油管連接吸油霧裝置，油霧收集裝置全部安裝在水輪機(jī)層地面上，機(jī)組運(yùn)行時(shí)自動(dòng)投入，機(jī)組停機(jī)時(shí)，自動(dòng)停止。油擋的密封蓋上未設(shè)計(jì)呼吸器或油霧分離器。

3.2 軸承甩油的原因分析

3.2.1 油霧產(chǎn)生的原理

(1) 由于透平油使用過(guò)程中混入了一定量的水分和空氣，隨著機(jī)組運(yùn)行中油溫度的升高，透平油中的水分產(chǎn)生了汽化現(xiàn)象，汽化時(shí)帶走一定量的透平油，從而形成油霧。

(2) 隨著機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)，透平油跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)部件(推力軸承的鏡板或?qū)лS承的滑轉(zhuǎn)子)流動(dòng)，使透平油與機(jī)組的動(dòng)、靜部件產(chǎn)生碰磨，產(chǎn)生大量的泡沫，加大了透平油與空氣的接觸面積，使透平油自身的汽化加劇，形成了大量油霧。機(jī)組轉(zhuǎn)速愈大，轉(zhuǎn)動(dòng)件直徑愈大，產(chǎn)生的汽化效應(yīng)愈強(qiáng)[1]。

(3) 由于受機(jī)組運(yùn)行中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的鼓風(fēng)作用影響，在推力頭或滑轉(zhuǎn)子內(nèi)下側(cè)至油面之間容易形成局部負(fù)壓，這也加劇了透平油的汽化速度，從而形成油霧。

3.2.2 甩油的原因

由于油擋的密封齒與轉(zhuǎn)動(dòng)部件的摩擦損耗，當(dāng)磨損量大于彈簧的可調(diào)節(jié)量時(shí)，密封齒與轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)合部位就產(chǎn)生間隙，間隙越來(lái)越大，油霧逸出量也隨之變得更加嚴(yán)重。盡管電站設(shè)有吸油霧裝置，但因裝置與油槽距離較遠(yuǎn)，且吸油管有多處彎頭，吸油霧效果有限，不僅沒(méi)能起到較好的疏導(dǎo)作用，而且由于裝置投入過(guò)程中產(chǎn)生的負(fù)壓作用，還會(huì)加速油槽內(nèi)油霧的產(chǎn)生。油霧在發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)負(fù)壓和油槽內(nèi)油霧膨脹壓力的雙重作用下，沿著油擋密封齒縫隙和油槽密封結(jié)合不良的部位溢出，形成了機(jī)組甩油問(wèn)題[2]。

4 甩油問(wèn)題的危害及處理方法

4.1 危害

(1) 造成透平油大量損失，油槽內(nèi)需要不斷補(bǔ)充損失的透平油，增加了運(yùn)行成本，也給日常維護(hù)帶來(lái)不必要的負(fù)擔(dān)。

(2) 妨礙油的循環(huán)，造成供油不足，影響散熱；油霧飄落到定子線棒和轉(zhuǎn)子線圈等絕緣部件的表面，會(huì)使絕緣阻值降低，可能發(fā)生嚴(yán)重的事故。

(3) 透平油外逸導(dǎo)致運(yùn)行環(huán)境惡化，使機(jī)組內(nèi)部地面光滑難行，極易造成運(yùn)維人員滑倒或磕碰事件，存在導(dǎo)致人身安全受損的風(fēng)險(xiǎn)隱患。

4.2 處理方法

4.2.1 處理方案的論證

針對(duì)水電機(jī)組甩油的問(wèn)題，目前的處理方法按原理可劃分為三類。一類是采用阻擋法，即“堵”的方法，在轉(zhuǎn)動(dòng)部件的結(jié)合部位安裝密封齒或毛氈等，阻止油霧的逸出。二類是采用均壓法，通過(guò)自然補(bǔ)氣或強(qiáng)制補(bǔ)氣，破壞機(jī)組運(yùn)行時(shí)油槽內(nèi)形成的負(fù)壓區(qū)，減少油霧的形成，如密封蓋加裝呼吸器或油霧分離器，推力頭或滑轉(zhuǎn)子再加工通孔等。三類是采用“疏”的方法，即加裝吸油霧裝置，將產(chǎn)生的油霧收集到裝置中，防止發(fā)生油污染[3]。

除上述三種方法之外，在滿足推力軸承和導(dǎo)軸承的安全溫度的情況下，適當(dāng)降低油位，也可以減輕甩油。

4.2.2 方案確定

根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)軸承油霧產(chǎn)生的原理及甩油處理方案的論證結(jié)果，考慮到機(jī)組的運(yùn)行條件和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，確定如下處理方案。

(1) 保留原油槽密封蓋、原吸油霧裝置，在其余的擋油管上加裝呼吸器，在推力軸承上加裝三個(gè)，下導(dǎo)軸承加裝一個(gè)，更換密封齒。

(2) 密封齒的選材。原密封齒在應(yīng)用較短的時(shí)間后就產(chǎn)生了較大的磨損，對(duì)主軸產(chǎn)生了較大的損害，說(shuō)明電站安裝時(shí)應(yīng)用的接觸式密封存在產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題或在安裝過(guò)程中存在偏心的問(wèn)題。推力頭和滑轉(zhuǎn)子的磨損，說(shuō)明密封齒與轉(zhuǎn)動(dòng)部件接觸部位滑動(dòng)摩擦力大，或者密封齒材質(zhì)過(guò)于堅(jiān)硬等。可見(jiàn)現(xiàn)場(chǎng)存在上述環(huán)節(jié)中的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題，因此必須做好新密封齒的選材、安裝工作。

密封齒與轉(zhuǎn)動(dòng)部件接觸越緊密，擋油霧效果越好，但如果接觸過(guò)于緊密，會(huì)使接觸部位溫度升高，且摩擦損耗大，對(duì)主軸和密封都有損害作用。最理想的狀況是密封齒后面的彈簧不受力時(shí)，密封齒與主軸接觸處間隙為零，但由于主軸在運(yùn)行中產(chǎn)生擺度，所以摩擦不可避免。在密封齒的選材上，材料的特性應(yīng)是摩擦系數(shù)小、硬度低且抗磨好、耐高溫，運(yùn)行中不產(chǎn)生粉塵。

經(jīng)過(guò)調(diào)研，最后選擇了哈爾濱仟兆電力有限公司生產(chǎn)的極限間隙密封(專利號(hào)：CN101648330A)，該產(chǎn)品使用的密封齒材質(zhì)為一種有機(jī)高分子復(fù)合材料[4]，具有上述特點(diǎn)，產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)許多水電站應(yīng)用，客戶反響較好。

5 處理效果

按照事先制定的處理方案進(jìn)行處理，該電站的推力密封和下導(dǎo)油擋密封于2019 年6 月改造完成。經(jīng)過(guò)近兩年時(shí)間的運(yùn)行，期間又經(jīng)歷了2019 年和2020 年兩個(gè)年度的汛期長(zhǎng)時(shí)間大發(fā)電，風(fēng)洞、軸承部件表面及附近檢查均未發(fā)現(xiàn)任何油跡，密封齒也未發(fā)現(xiàn)明顯磨損，吸油霧裝置未有大量油吸出；目前機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，瓦溫正常，這說(shuō)明該電站水輪發(fā)電機(jī)軸承的甩油問(wèn)題處理是成功的，并且效果良好，消除了設(shè)備隱患，確保了機(jī)組的安穩(wěn)運(yùn)行。

6 下一步建議

6.1 現(xiàn)行改造方案存在的問(wèn)題

該電站水輪發(fā)電機(jī)軸承甩油霧問(wèn)題處理雖然取得了較好的效果，但受條件限制，仍有一些不足的地方，包括:

(1) 由于現(xiàn)主軸與密封齒結(jié)合的部位磨損較為嚴(yán)重，改造方案僅更換密封齒，新密封齒仍與磨損部位重合，影響了密封效果。

(2) 加裝的呼吸器安裝位置在原有擋油管上，擋油管設(shè)置在兩道密封之間，不能及時(shí)將油槽內(nèi)油霧平衡掉，影響均壓效果。

6.2 改進(jìn)建議

(1) 結(jié)合水輪發(fā)電機(jī)組B 級(jí)及以上檢修時(shí)機(jī)，對(duì)軸承的密封油擋進(jìn)行整體更換，將密封齒與轉(zhuǎn)動(dòng)部件磨損的部位錯(cuò)開(kāi)，獲得更好的密封效果。

(2) 呼吸器設(shè)計(jì)在軸承蓋上，根據(jù)產(chǎn)生的油霧量設(shè)計(jì)多個(gè)呼吸器，增加補(bǔ)氣效果，更好地平衡油槽內(nèi)油霧產(chǎn)生的壓力，減少油霧的產(chǎn)生。

(3) 在運(yùn)行一個(gè)機(jī)組大修周期后，如果吸油霧裝置無(wú)油霧吸出，可將吸油霧裝置拆除，這樣不僅可以節(jié)約能源，還可以減輕設(shè)備維護(hù)的工作量，使發(fā)電機(jī)內(nèi)部騰出更多的空間，便于運(yùn)維作業(yè)。

7 結(jié)束語(yǔ)

水輪發(fā)電機(jī)組軸承的甩油問(wèn)題是水電站常見(jiàn)問(wèn)題之一，其治理方法也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)水電站需要根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組、軸承結(jié)構(gòu)形式以及運(yùn)行工況，選擇合適的密封結(jié)構(gòu)。該電站水輪發(fā)電機(jī)軸承甩油的治理經(jīng)驗(yàn)，為水電行業(yè)治理同類問(wèn)題提供了借鑒。