水利樞紐機(jī)組軸瓦保護(hù)措施探討

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摘要:為防止在機(jī)組運(yùn)行過程中軸瓦燒損事故的發(fā)生，避免造成重大損失，針對(duì)造成軸瓦損傷的可能原因，在機(jī)組投產(chǎn)時(shí)及投產(chǎn)后，采取了增加供油流量開關(guān)等多種軸瓦保護(hù)措施，提高了機(jī)組在運(yùn)行過程中軸瓦的可靠性，從而確保了機(jī)組安全運(yùn)行。通過實(shí)踐證明，保護(hù)措施的實(shí)施取得了良好的效果，也為解決類似的問題提供了很好的借鑒。

關(guān)鍵詞:軸瓦;機(jī)組;損傷;保護(hù)措施;長洲水利樞紐

1概述

長洲水利樞紐是一座以發(fā)電和航運(yùn)為主，兼有防洪灌溉等綜合利用功能的大型水利水電工程，樞紐主要建筑物由電站廠房、船閘和泄洪閘等組成。河床式廠房共安裝有15臺(tái)單機(jī)容量為42MW的燈泡貫流式機(jī)組，總裝機(jī)容量630MW。長洲水利樞紐在同類型水電站中，因其大壩最長、船閘規(guī)模巨大、機(jī)組臺(tái)數(shù)最多、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑和容量為世界第一，被業(yè)內(nèi)譽(yù)為燈泡貫流式機(jī)組電站中的“三峽工程”。電站首臺(tái)機(jī)組于2007年10月投產(chǎn)發(fā)電，目前15臺(tái)機(jī)組已全部投產(chǎn)運(yùn)行［1］。電站機(jī)組由天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司(以下簡稱天阿)、哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司(以下簡稱哈電)、東芝水電(杭州)設(shè)備有限公司(以下簡稱東芝)和東方電機(jī)股份有限公司(以下簡稱東電)四個(gè)主機(jī)廠家提供的三種機(jī)型組成。因廠家不同，軸瓦的設(shè)計(jì)制造也不盡相同，傳統(tǒng)的軸瓦保護(hù)措施，已經(jīng)不能滿足實(shí)際的需要，且因燈泡貫流式機(jī)組的特點(diǎn)，如果機(jī)組軸瓦一旦發(fā)生燒損事故，會(huì)增加修復(fù)的成本和檢修的難度，將給企業(yè)造成較大的損失。為解決這個(gè)問題，我們根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況和自身特點(diǎn)，通過不斷的摸索和實(shí)踐，對(duì)軸瓦采取了多種保護(hù)措施，取得了良好的效果，提高了機(jī)組軸瓦的運(yùn)行可靠性。

2電站機(jī)組軸瓦的結(jié)構(gòu)形式

1)電站機(jī)組均是采用雙支點(diǎn)結(jié)構(gòu)的燈泡貫流式機(jī)組［2］。2)發(fā)電機(jī)側(cè)的導(dǎo)軸承與正、反推力軸承組合在一起，承受發(fā)電機(jī)重量和徑向力，同時(shí)又承受軸向正、反推力，稱為組合軸承。電站機(jī)組全部采用發(fā)導(dǎo)前置結(jié)構(gòu)，瓦為鋼襯澆鑄巴氏合金結(jié)構(gòu)，其中東電機(jī)組和天阿機(jī)組以主軸本體作為正、反推力軸承鏡板和臥式軸承軸頸;東芝機(jī)組和哈電機(jī)組采用主軸本體作為臥式軸頸和分瓣式鏡板與大軸把合的結(jié)構(gòu)。3)東電機(jī)組的組合軸承采用瓦面進(jìn)油邊表面開槽入油的潤滑方式，回油管設(shè)在油箱的底部;天阿機(jī)組、東芝機(jī)組和哈電機(jī)組的組合軸承采用小噴管噴油的潤滑方式，回油管設(shè)在油箱上部。4)水輪機(jī)側(cè)的軸瓦全部采用筒式分瓣結(jié)構(gòu)，軸瓦采用錫基合金材料。

3電站機(jī)組軸瓦的潤滑方式

1)電站所有機(jī)組軸瓦均采用N68汽輪機(jī)油潤滑。2)在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，軸瓦為動(dòng)壓運(yùn)行，由安裝在與機(jī)組軸線高差27m的高位油箱采用自流方式提供潤滑油，兩臺(tái)交流軸承油泵通過油冷器和油過濾器不斷為高位油箱重新充油。而在開停機(jī)過程中，機(jī)組處于0．7%～90%額定轉(zhuǎn)速的低轉(zhuǎn)速期內(nèi)，軸瓦為靜壓運(yùn)行，由兩臺(tái)交流高壓油泵直接向軸承的跑合面補(bǔ)充供油，用高壓油將主軸頂起形成油膜;推力軸承不設(shè)高壓油頂起裝置。

4電站機(jī)組軸瓦損傷及其后果

電站機(jī)組軸瓦損傷主要有兩類:一類是較輕的，即瓦的損傷，主要是瓦面的巴氏合金的碎裂和碾壓;一類是較重的，即軸頸和鏡板的損傷，主要是在惡劣的條件下對(duì)軸頸和鏡板的拉傷和灼傷。其帶來的后果［3］是:1)受機(jī)型的影響，由于燈泡貫流式機(jī)組的空間狹小，且軸瓦又處于機(jī)組中心位置，檢修的難度較立式機(jī)組要困難得多，因此檢修周期長。2)如果是軸頸損傷，或者是東電機(jī)組和天阿機(jī)組這種以主軸本體作為正、反推力軸承鏡板的損傷，都需要進(jìn)行機(jī)組全部拆除的擴(kuò)大性大修，才能把主軸吊出進(jìn)行維修，因此檢修成本高。3)電站為低水頭、日調(diào)節(jié)的水電站，如果因?yàn)闄C(jī)組軸瓦損傷而停機(jī)檢修，必然給電站造成棄水電量損失，因此電量損失也大。

5電站機(jī)組軸瓦損傷的原因分析

1)水力、機(jī)械和電氣三個(gè)方面引起的機(jī)組振動(dòng)，尤其是大軸的劇烈擺動(dòng)，可使軸與瓦的溫度升高，進(jìn)而造成軸瓦燒損。2)機(jī)組在運(yùn)行過程中由于定子、轉(zhuǎn)子之間的氣隙不均勻等原因形成的軸電壓，在軸系絕緣破壞、油膜被擊穿時(shí)產(chǎn)生的軸電流，造成軸瓦灼傷，甚至燒瓦事故。3)機(jī)組運(yùn)行過程中由于潤滑油中斷，使得軸與軸瓦之間產(chǎn)生干摩擦，造成軸瓦損傷事故。4)軸承潤滑油變質(zhì)、油冷卻效果差等原因，造成軸瓦損傷事故。5)機(jī)組長時(shí)間低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量使得軸頸與瓦之間油膜遭到破壞，并形成固體干摩擦，造成軸瓦燒損事故。

6在機(jī)組投產(chǎn)時(shí)采用的軸瓦保護(hù)措施

在機(jī)組投產(chǎn)時(shí)，借鑒行業(yè)內(nèi)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)機(jī)組軸瓦采取了以下保護(hù)措施:1)在上游側(cè)受油器底座與基礎(chǔ)接觸面采用環(huán)氧樹脂板、連接螺栓加裝絕緣套管的方式，提高軸承上端的絕緣;在軸承的下端設(shè)置接地碳刷，用以限制轉(zhuǎn)子下部軸電壓，從而限制軸電流對(duì)軸瓦造成損傷。同時(shí)在上端軸加裝了一個(gè)軸電流互感器，用以預(yù)控軸電流產(chǎn)生后損傷軸瓦的情況發(fā)生。2)為防止機(jī)組運(yùn)行過程中軸承潤滑油中斷而造成軸瓦損傷事故，我們?cè)跈C(jī)組組合軸承和水導(dǎo)軸承的回油管近端各裝了一個(gè)回油流量開關(guān)，用以監(jiān)視軸承供油情況，并接入機(jī)組事故停機(jī)流程，確保在潤滑油中斷的情況下能夠第一時(shí)間啟動(dòng)停機(jī)回路停機(jī)。另外，我們?cè)谳S承供油的高位油箱上設(shè)置了一套液位開關(guān)保護(hù)，在發(fā)生交流軸承油泵停止等一系列無法保證油循環(huán)的情況下，在高位油箱滿足持續(xù)5min供油前啟動(dòng)事故停機(jī)流程，確保機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下不會(huì)斷油燒瓦。3)我們?cè)谳S承供油系統(tǒng)的各個(gè)油箱底部安裝了一套油混水報(bào)警裝置，用以監(jiān)視軸承供油系統(tǒng)是否存在含水量超標(biāo);在油循環(huán)回路中裝設(shè)油過濾器濾清雜質(zhì)、裝設(shè)油冷器控制潤滑油溫度。上述措施都是為了確保軸承潤滑油品質(zhì)，防止由于油質(zhì)劣化造成軸瓦損傷。4)交流高壓油泵在機(jī)組開停機(jī)過程中直接把油打入水軸瓦和徑向軸承跑合面強(qiáng)行建立油膜，以及在停機(jī)過程中，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速下降至25%額定轉(zhuǎn)速時(shí)投入制動(dòng)風(fēng)閘縮短停機(jī)時(shí)間，是防止長時(shí)間低轉(zhuǎn)速運(yùn)行造成軸瓦燒損的主要措施。

7在機(jī)組投產(chǎn)后結(jié)合實(shí)際增加的軸瓦保護(hù)措施

由于在設(shè)計(jì)之初對(duì)軸瓦運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的問題考慮得不夠充分，因此，在總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)軸瓦增加了一些保護(hù)措施:1)對(duì)于機(jī)組振動(dòng)可能帶來的軸瓦損傷，除了在機(jī)組安裝過程中的質(zhì)量把控和在運(yùn)行過程中的人工現(xiàn)場監(jiān)視外，在設(shè)計(jì)上未采取更好的辦法。針對(duì)質(zhì)量把控可能出現(xiàn)的遺漏和人工現(xiàn)場監(jiān)視不能做到的實(shí)時(shí)監(jiān)控，長洲水電公司給每臺(tái)機(jī)組裝設(shè)了一套在線監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)機(jī)組運(yùn)行過程中的組合軸承擺度等16個(gè)機(jī)械量、尾水管壓力脈動(dòng)等2個(gè)水力量以及機(jī)組有功功率等10個(gè)電氣量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，并在進(jìn)行綜合分析計(jì)算后，根據(jù)國標(biāo)設(shè)定的報(bào)警閾值進(jìn)行報(bào)警，提醒值班人員注意調(diào)整機(jī)組實(shí)時(shí)工況，避免在振動(dòng)區(qū)域運(yùn)行，防止機(jī)組由于振動(dòng)超標(biāo)而帶來的軸瓦損傷。2)在機(jī)組運(yùn)行過程中，我們發(fā)現(xiàn)回油流量開關(guān)裝在軸承油箱的出口處，當(dāng)軸承供油中斷時(shí)，由于管路內(nèi)和軸承油箱內(nèi)的殘油，使得流量計(jì)不能很快啟動(dòng)機(jī)組保護(hù)停機(jī)流程，無形增加了軸瓦損傷的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是對(duì)東電這種油箱底部回油的機(jī)組，風(fēng)險(xiǎn)更加明顯。為此，我們?cè)谒袡C(jī)組的軸承油箱的進(jìn)口增加了一個(gè)軸承供油流量開關(guān)，使之與原有出口回油流量開關(guān)并聯(lián)，從而保證在軸承供油中斷時(shí)能夠第一時(shí)間啟動(dòng)保護(hù)軸瓦事故的停機(jī)流程。3)在對(duì)機(jī)組長時(shí)間低轉(zhuǎn)速運(yùn)行保護(hù)驗(yàn)證過程中，我們發(fā)現(xiàn)有兩種特殊情況屬于設(shè)計(jì)保護(hù)措施的盲點(diǎn):一種是在機(jī)組正常停機(jī)過程中，如果高壓油頂起裝置突然不能正常工作，無法在軸瓦跑合面強(qiáng)行建立油膜，且機(jī)組停機(jī)過程不可逆的情況下，必然形成軸瓦干摩擦，進(jìn)而損傷軸瓦;另一種也是在機(jī)組停機(jī)過程中，如果制動(dòng)風(fēng)閘壓力消失，在機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性作用下，會(huì)使得機(jī)組停機(jī)時(shí)間過長，增加了軸瓦發(fā)生干摩擦的風(fēng)險(xiǎn)。為此，我們?cè)跈C(jī)組監(jiān)控的開停機(jī)流程中做文章:首先，是將交流高壓油泵出口壓力正常接點(diǎn)和風(fēng)閘制動(dòng)系統(tǒng)壓力正常接點(diǎn)分別接入機(jī)組的正常停機(jī)流程，確保只有在監(jiān)控、識(shí)別兩個(gè)系統(tǒng)正常后才能發(fā)出機(jī)組停機(jī)令;其次，是我們?cè)O(shè)計(jì)了一條機(jī)組二次開機(jī)回路，即機(jī)組正常停機(jī)時(shí)，在停機(jī)令發(fā)出后，流程執(zhí)行過程中，如果發(fā)生以上兩個(gè)系統(tǒng)不正常狀態(tài)，則在機(jī)組轉(zhuǎn)速下降至25%額定轉(zhuǎn)速前，立即由監(jiān)控系統(tǒng)中斷停機(jī)流程、發(fā)出開機(jī)令，二次開機(jī)把機(jī)組重新開啟至空轉(zhuǎn)狀態(tài)，等待系統(tǒng)的恢復(fù)，從而避免長時(shí)間低轉(zhuǎn)速停機(jī)事件的發(fā)生;最后，為避免機(jī)組在加閘狀態(tài)下開機(jī)和保證事故停機(jī)流程的執(zhí)行，我們?cè)跈C(jī)組轉(zhuǎn)速低于25%額定轉(zhuǎn)速和機(jī)組事故停機(jī)時(shí)，不啟動(dòng)該二次開機(jī)回路。

8結(jié)語

本文通過理論和實(shí)際相結(jié)合的方式，總結(jié)并應(yīng)用了多項(xiàng)機(jī)組軸瓦保護(hù)措施，且通過實(shí)踐證明取得了良好的效果，為燈泡貫流式機(jī)組軸瓦保護(hù)方面的發(fā)展提供了參考，也為解決類似的問題提供了很好的借鑒。

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［3］王永亮，霍鳳仙．電廠發(fā)電機(jī)軸瓦損壞原因分析及無損檢測方法的探討［J］．內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2012(6):115－116．

作者：蔡斌 單位：國家電投集團(tuán)廣西長洲水電開發(fā)有限公司