基于負壓方式的某水電機組軸承座防漏油研究與實踐

熊德朝，楊榮國，鄒登海，謝國華，楊會龍

（1.國能長源恩施水電開發有限公司，湖北恩施 445000；2.武漢電力職業技術學院，湖北武漢 430000）

0 引言

軸承是動力設備的重要組成部分，其漏油問題一直備受關注［1-4］。尤其是水電領域，軸承座作為水輪發電機傳動系統的重要組成部分，其漏油情況向來是機組運維檢修的重點之一［5，6］。湖北某水電站裝設有2 臺3.2 MW 臥式三支點水輪發電機組，軸承采用水冷油盆式潤滑，軸承端蓋與主軸密封主要采用傳統的羊毛氈條進行密封。自投運以來，機組軸承端蓋與主軸之間漏油情況越來越嚴重，一定數量的油霧、油滴飛濺到設備周圍，已在地面形成較大積污，為設備運行和人員巡視操作帶來安全隱患。

長此以往將存在以下弊端［7，8］：一是潤滑油可能被吸入發電機內部，污染線圈、破壞絕緣從而降低設備壽命，增大設備故障風險；二是油污容易腐蝕設備表面，使得油漆變色老化，且所形成的地面積污將增大運維檢修工作量與巡視人員滑倒概率，后者易引起次生安全事故；三是將污染環境，不利于企業環保考核；四是油耗將明顯增多，為企業帶來一定經濟負擔。

作為應對措施，現場曾采用“傳統密封+人工清潔”方式處理漏油問題［9］。然而其具有密封材料購置與維護成本較高、清潔人員存在一定人身安全隱患等不足，使得漏油問題陷入“治標不治本”的困境。

因此，針對上述問題，本文對水電機組軸承座漏油成因以及傳統方法弊端展開進一步分析，提出了一種基于負壓方式的軸承座防漏油改造方法，通過設計研發負壓抽真空智能調控裝置并在現場成功應用，為后續同類水輪發電機組軸承座防漏油改造提供工程參考。

1 軸承座漏油情況分析

臥式水輪發電機組中潤滑油具有潤滑和降溫兩大作用。隨著主軸及甩油環運動，其在軸承座內會產生大量高溫氣泡和油霧并飛濺［10］。前者增加了油位高度，同時由于內外溫差，軸承座內部壓力高于外部，導致潤滑油自軸承上部對軸承進行冷卻時，部分油液將漏流至主軸。進一步考慮到端蓋密封材料與主軸之間的摩擦使得密封間隙增大，油質流動特性和主軸旋轉慣性將致使潤滑油從縫隙處被甩出。按照漏油情況輕重，以油霧擴散或者油珠滴落形式呈現。

針對上述軸承端蓋與主軸漏油問題，現場初期通過安裝羊毛氈密封及人工清潔的方式處理。然而密封材料半年左右即需更換，一方面費時費力，對羊毛氈安裝要求較高，清潔維護耗時數小時，成本較大，且在轉動部位附近工作使得人員安全也存在一定隱患；另一方面在水情較好的情況下，水電站不可能隨時停機處理，存在漏油應對“真空期”。

為應對上述不足，水電站曾采用加大回油槽泄油孔、增加羊毛氈密封槽數量、使用開口氟膠骨架密封圈等新材料新工藝進行處理，但均無法徹底解決機組漏油問題。究其原因，在于上述方法無法避免主軸與密封材料的摩擦，高速旋轉的主軸使得后者易磨損，漏油情況不可避免。一方面，密封材料壓得太緊將導致摩擦溫度升高，加快材料老化，縮短運行時間與檢修周期；另一方面，密封材料壓得太輕則將導致漏油量增多，或者直接失去密封效果。

若不考慮改進密封材料、工藝，而是改造主軸結構和軸承座內部結構，則面臨機組大小、主軸直徑、轉速、生產廠家不同等各種問題，實際經驗不充足，改造難以推進。

2 基于負壓方式的軸承座防漏油方法

遵循“堵不如疏”的指導思想，結合現有密封技術所面臨困境，提出了一種基于負壓方式［11，12］的軸承座防漏油方法。首先，采用真空抽氣設備將軸承座內部設置成負壓狀態，以切斷油霧自由無序流向外部的路徑，破壞漏油的產生條件；其次，構造負壓通道令油霧通過給定管道有序流動；最后，將油霧過濾分離實現再利用，從而解決機組漏油問題。

針對所提方法，設計了配套負壓抽真空智能調控裝置，其工作流程如圖1所示，步驟如下所述，具體設計研發細節及應用成效見后闡述：

圖1 基于負壓方式的軸承座防漏油配套裝置工作流程圖Fig.1 Working flow chart of supporting device for oil leakage prevention of bearing pedestal based on negative pressure mode

（1）在軸承上蓋安裝負壓抽真空設備，并加裝前置過濾裝置，以濾掉大量油滴。

（2）設計現地負壓自動控制單元，通過壓力監測與流量控制調節負壓大小。負壓過大，會帶走過量油滴，影響潤滑效果；負壓過小則無法有效防止漏油。

（3）將通過負壓裝置抽取的油霧送入油氣分離系統，分離后的氣體經凈化排入周圍環境中，而油液則回收于下軸承座再利用。

3 負壓抽真空智能調控裝置設計研發及應用

3.1 硬件設計

3.1.1 負壓抽真空設備設計應用

針對該水電站機組實際情況，一臺機組配備一臺油霧前置過濾裝置、真空抽氣設備及若干軸承座油水狀態測量元件，并通過一條不銹鋼主管道和3 條支管將3 個軸承座大蓋互聯。具體步驟為：

（1）在每臺機組的3個軸承座大蓋上加工一個孔徑?25 mm且為水管螺紋的圓孔以用于連接管道。

（2）輸氣管道采用?32 mm 不銹管作為主管，?25 mm 不銹管作為支管連接各軸承座，其中推力軸承上管道需采取絕緣隔離措施。

（3）在位于軸承座管道連接處安裝高精度差壓計，精確測量軸承座負壓值且帶模擬量信號輸出，為后續自動控制單元測量、調節壓力提供數據支持。

（4）在每條支管上配置一個電動調節型不銹鋼球閥以調整負壓值，該閥具有結構簡單、開閉迅速以及便于遠距離控制的優點。球閥型號根據漏油量數據統計給出。

（5）在每條支管上配置一個壓力傳感器監測負壓工作情況，精度小于±0.05%，具有報警輸出功能。

（6）每條管道的分支處使用活動連接以便于拆卸檢修。

以水電站中某一臺機組為例，對應負壓抽真空設備裝設運行現場如圖2所示。

圖2 負壓抽真空設備實際裝設運行圖Fig.2 Actual installation and operation diagram of negative pressure vacuum equipment

一臺機組配備一臺機械式油霧凈化器以過濾回收真空抽出的空氣油霧。其中，分離后的油液將被收集并自動添加至軸承座再利用，而凈化后的氣體則排入大氣。排放滿足國標要求，過濾效果≥99%，噪音≤55±2 dB，過濾級數5 級，最大流量600 m3∕h。

3.1.2 現地負壓自動控制單元設計應用

水電站內一臺機組配備一套現地負壓自動控制單元，負責軸承座及管道壓力、油位、漏油量等信號的實時測量和監視，并根據測量信號調整球閥開度和集油箱抽油泵電機運行狀態。通過現場試驗整定，負壓下限控制在-400 Pa，可以滿足機組運行要求，其絕對值太低容易產生輕微漏油現象，太高則會帶走過量的油霧，縮短油量補充周期。基于此，自動控制單元采用采用西門子新型S7-1200PLC，可實現1 Pa 步長下±500 Pa 穩定調節，且實際值與設定值誤差小于0.05%。

自動控制單元結構設計平面圖如圖3 所示，可通過液晶顯示面板進行交互操作。其具有手動、自動兩種工作模式：

（1）手動工作模式。需將面板上油霧凈化裝置控制把手切換至“手動”，機組轉速不為0 時，待負壓抽真空設備啟動，3 個軸承座球閥開度將被調整至手動設定值。

（2）自動工作模式。需將面板上油霧凈化裝置控制把手切換至“自動”，機組轉速超過35%時，待負壓抽真空設備啟動，3個軸承座球閥開度將按照所設定“軸承座給定壓力”、“軸承座壓力調整死區”、“球閥自動開度調整步長”3個參數自動進行調整，使機組的3個軸承座負壓值持續跟蹤給定壓力。

而在兩種工作模式下，當機組轉速為0 時，3 個軸承座球閥開度皆將自動關至0。針對集油箱抽油泵，其按照集油箱液位啟泵、停泵開關運行。自動控制單元設定了運行超時接點，一旦超時，觸摸屏和水電站上位機將報警。

同時，為保證前述設備與機組同步啟停，考慮到手動開啟水輪機電氣部分無法完全確認機組已啟動，故基于機組轉速和頻率判斷機組啟停狀態。首先通過頻率模式下的轉速信號裝置采集數據；其次將數據傳輸至自動控制單元以獲取機組狀態；最后基于PLC向3.1.1節所述負壓抽真空設備傳輸機組工作信號，實現其與機組的同步啟停。所設計自動控制單元具備完善的保護裝置，能在不影響機組正常運行前提下手動緊急停止負壓去油霧工作。

3.2 軟件研發

采用面向對象、數據庫等軟件設計技術，在該水電站計算機監控上位機系統中開發負壓抽真空智能統計分析系統，可實時統計現地負壓自動控制單元監測的各項數據，生成報表和曲線圖，并根據統計數據推薦最優調節參數，實現各設備運行狀態調整。同時，工作人員可通過上位機監視和控制整個負壓去油霧流程。

3.3 裝置應用成效

整套裝置應用于湖北某水電站2 臺3.2 MW 水電機組。機組連續運行時未發現軸承座漏油情況，密封效果良好，油溫正常，油氣泡減少，成功解決該水電站機組漏油問題，有效提升其運行經濟性。且裝置布局合理，所增設管道、設備未影響機組正常發電功能。

4 結論

本文針對湖北某水電站機組軸承座漏油案例進行了研究，剖析了其漏油原因，并基于負壓方式提出了一種防漏油方法。進而設計研發了相應的智能調控裝置，包括負壓抽真空設備、現地負壓自動控制單元等硬件裝置以及智能統計分析系統。應用實踐表明，疏導油霧并凈化的處理方式雖然增加了工序，但也有效突破了傳統密封方法所難以解決的密封材料磨損難題。經過現場應用，機組漏油現象得到遏止，為國內小型水電站應對類似問題提供了工程經驗。