水利樞紐機組軸瓦保護措施探討
2021-03-02蔡斌
（國家電投集團廣西長洲水電開發(fā)有限公司）
摘 要：為防止在機組運行過程中軸瓦燒損事故的發(fā)生，避免造成重大損失，針對造成軸瓦損傷的可能原因，在機組投產(chǎn)時及投產(chǎn)后，采取了增加供油流量開關(guān)等多種軸瓦保護措施，提高了機組在運行過程中軸瓦的可靠性，從而確保了機組安全運行。通過實踐證明，保護措施的實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。（國家電投集團廣西長洲水電開發(fā)有限公司）
關(guān)鍵詞：軸瓦；機組；損傷；保護措施；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臺單機容量為42MW的燈泡貫流式機組，總裝機容量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、機組臺數(shù)最多、水輪機轉(zhuǎn)輪直徑和容量為世界第一，被業(yè)內(nèi)譽為燈泡貫流式機組電站中的“三峽工程”。電站首臺機組于2007年10月投產(chǎn)發(fā)電，目前15臺機組已全部投產(chǎn)運行【1】。電站機組由天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司(以下簡稱天阿)、哈爾濱電機廠有限責任公司(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)和東方電機股份有限公司(以下簡稱東電)四個主機廠家提供的三種機型組成。因廠家不同，軸瓦的設(shè)計制造也不盡相同，傳統(tǒng)的軸瓦保護措施，已經(jīng)不能滿足實際的需要，且因燈泡貫流式機組的特點，如果機組軸瓦一旦發(fā)生燒損事故，會增加修復的成本和檢修的難度，將給企業(yè)造成較大的損失。為解決這個問題，我們根據(jù)設(shè)備的實際情況和自身特點，通過不斷的摸索和實踐，對軸瓦采取了多種保護措施，取得了良好的效果，提高了機組軸瓦的運行可靠性。
2 電站機組軸瓦的結(jié)構(gòu)形式
1)電站機組均是采用雙支點結(jié)構(gòu)的燈泡貫流式機組【2】。2)發(fā)電機側(cè)的導軸承與正、反推力軸承組合在一起，承受發(fā)電機重量和徑向力，同時又承受軸向正、反推力，稱為組合軸承。電站機組全部采用發(fā)導前置結(jié)構(gòu)，瓦為鋼襯澆鑄巴氏合金結(jié)構(gòu)，其中東電機組和天阿機組以主軸本體作為正、反推力軸承鏡板和臥式軸承軸頸;東芝機組和哈電機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)東電機組的組合軸承采用瓦面進油邊表面開槽入油的潤滑方式，回油管設(shè)在油箱的底部;天阿機組、東芝機組和哈電機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 電站機組軸瓦的潤滑方式
1)電站所有機組軸瓦均采用N68汽輪機油潤滑。2)在機組正常運行時，軸瓦為動壓運行，由安裝在與機組軸線高差27m的高位油箱采用自流方式提供潤滑油，兩臺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。而在開停機過程中，機組處于0.7%～90%額定轉(zhuǎn)速的低轉(zhuǎn)速期內(nèi)，軸瓦為靜壓運行，由兩臺交流高壓油泵直接向軸承的跑合面補充供油，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 電站機組軸瓦損傷及其后果
電站機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軸頸和鏡板的拉傷和灼傷。其帶來的后果【3】是：1)受機型的影響，由于燈泡貫流式機組的空間狹小，且軸瓦又處于機組中心位置，檢修的難度較立式機組要困難得多，因此檢修周期長。2)如果是軸頸損傷，或者是東電機組和天阿機組這種以主軸本體作為正、反推力軸承鏡板的損傷，都需要進行機組全部拆除的擴大性大修，才能把主軸吊出進行維修，因此檢修成本高。3)電站為低水頭、日調(diào)節(jié)的水電站，如果因為機組軸瓦損傷而停機檢修，必然給電站造成棄水電量損失，因此電量損失也大。
5 電站機組軸瓦損傷的原因分析
1)水力、機械和電氣三個方面引起的機組振動，尤其是大軸的劇烈擺動，可使軸與瓦的溫度升高，進而造成軸瓦燒損。2)機組在運行過程中由于定子、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、油膜被擊穿時產(chǎn)生的軸電流，造成軸瓦灼傷，甚至燒瓦事故。3)機組運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)機組長時間低轉(zhuǎn)速運行，轉(zhuǎn)動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 在機組投產(chǎn)時采用的軸瓦保護措施
在機組投產(chǎn)時，借鑒行業(yè)內(nèi)的先進經(jīng)驗，對機組軸瓦采取了以下保護措施: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，從而限制軸電流對軸瓦造成損傷。同時在上端軸加裝了一個軸電流互感器，用以預控軸電流產(chǎn)生后損傷軸瓦的情況發(fā)生。2)為防止機組運行過程中軸承潤滑油中斷而造成軸瓦損傷事故，我們在機組組合軸承和水導軸承的回油管近端各裝了一個回油流量開關(guān)，用以監(jiān)視軸承供油情況，并接入機組事故停機流程，確保在潤滑油中斷的情況下能夠第一時間啟動停機回路停機。另外，我們在軸承供油的高位油箱上設(shè)置了一套液位開關(guān)保護，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供油前啟動事故停機流程，確保機組運行狀態(tài)下不會斷油燒瓦。3)我們在軸承供油系統(tǒng)的各個油箱底部安裝了一套油混水報警裝置，用以監(jiān)視軸承供油系統(tǒng)是否存在含水量超標;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)交流高壓油泵在機組開停機過程中直接把油打入水軸瓦和徑向軸承跑合面強行建立油膜，以及在停機過程中，當機組轉(zhuǎn)速下降至25%額定轉(zhuǎn)速時投入制動風閘縮短停機時間，是防止長時間低轉(zhuǎn)速運行造成軸瓦燒損的主要措施。
7 在機組投產(chǎn)后結(jié)合實際增加的軸瓦保護措施
由于在設(shè)計之初對軸瓦運行過程中可能出現(xiàn)的問題考慮得不夠充分，因此，在總結(jié)以往經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對軸瓦增加了一些保護措施:1)對于機組振動可能帶來的軸瓦損傷，除了在機組安裝過程中的質(zhì)量把控和在運行過程中的人工現(xiàn)場監(jiān)視外，在設(shè)計上未采取更好的辦法。針對質(zhì)量把控可能出現(xiàn)的遺漏和人工現(xiàn)場監(jiān)視不能做到的實時監(jiān)控，長洲水電公司給每臺機組裝設(shè)了一套在線監(jiān)測系統(tǒng)，對機組運行過程中的組合軸承擺度等16個機械量、尾水管壓力脈動等2個水力量以及機組有功功率等10個電氣量進行實時在線監(jiān)測，并在進行綜合分析計算后，根據(jù)國標設(shè)定的報警閾值進行報警，提醒值班人員注意調(diào)整機組實時工況，避免在振動區(qū)域運行，防止機組由于振動超標而帶來的軸瓦損傷。2)在機組運行過程中，我們發(fā)現(xiàn)回油流量開關(guān)裝在軸承油箱的出口處，當軸承供油中斷時，由于管路內(nèi)和軸承油箱內(nèi)的殘油，使得流量計不能很快啟動機組保護停機流程，無形增加了軸瓦損傷的風險，尤其是對東電這種油箱底部回油的機組，風險更加明顯。為此，我們在所有機組的軸承油箱的進口增加了一個軸承供油流量開關(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能夠第一時間啟動保護軸瓦事故的停機流程。3)在對機組長時間低轉(zhuǎn)速運行保護驗證過程中，我們發(fā)現(xiàn)有兩種特殊情況屬于設(shè)計保護措施的盲點:一種是在機組正常停機過程中，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行建立油膜，且機組停機過程不可逆的情況下，必然形成軸瓦干摩擦，進而損傷軸瓦;另一種也是在機組停機過程中，如果制動風閘壓力消失，在機組轉(zhuǎn)動部分的慣性作用下，會使得機組停機時間過長，增加了軸瓦發(fā)生干摩擦的風險。為此，我們在機組監(jiān)控的開停機流程中做文章:首先，是將交流高壓油泵出口壓力正常接點和風閘制動系統(tǒng)壓力正常接點分別接入機組的正常停機流程，確保只有在監(jiān)控、識別兩個系統(tǒng)正常后才能發(fā)出機組停機令;其次，是我們設(shè)計了一條機組二次開機回路，即機組正常停機時，在停機令發(fā)出后，流程執(zhí)行過程中，如果發(fā)生以上兩個系統(tǒng)不正常狀態(tài)，則在機組轉(zhuǎn)速下降至25%額定轉(zhuǎn)速前，立即由監(jiān)控系統(tǒng)中斷停機流程、發(fā)出開機令，二次開機把機組重新開啟至空轉(zhuǎn)狀態(tài)，等待系統(tǒng)的恢復，從而避免長時間低轉(zhuǎn)速停機事件的發(fā)生;最后，為避免機組在加閘狀態(tài)下開機和保證事故停機流程的執(zhí)行，我們在機組轉(zhuǎn)速低于25%額定轉(zhuǎn)速和機組事故停機時，不啟動該二次開機回路。
8 結(jié)語
本文通過理論和實際相結(jié)合的方式，總結(jié)并應用了多項機組軸瓦保護措施，且通過實踐證明取得了良好的效果，為燈泡貫流式機組軸瓦保護方面的發(fā)展提供了參考，也為解決類似的問題提供了很好的借鑒。
參考文獻:
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