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轴承知识

水利枢纽机组轴瓦保护措施探讨

2021-03-02
蔡斌
(国家电投集团广西长洲水电开发有限公司)
摘 要:为防止在机组运行过程中轴瓦烧损事故的发生,避免造成重大损失,针对造成轴瓦损伤的可能原因,在机组投产时及投产后,采取了增加供油流量开关等多种轴瓦保护措施,提高了机组在运行过程中轴瓦的可靠性,从而确保了机组安全运行。通过实践证明,保护措施的实施取得了良好的效果,也为解决类似的问题提供了很好的借鉴。
关键词:轴瓦;机组;损伤;保护措施;长洲水利枢纽
1 概述
长洲水利枢纽是一座以发电和航运为主,兼有防洪灌溉等综合利用功能的大型水利水电工程,枢纽主要建筑物由电站厂房、船闸和泄洪闸等组成。河床式厂房共安装有15台单机容量为42MW的灯泡贯流式机组,总装机容量630MW。长洲水利枢纽在同类型水电站中,因其大坝最长、船闸规模巨大、机组台数最多、水轮机转轮直径和容量为世界第一,被业内誉为灯泡贯流式机组电站中的“三峡工程”。电站首台机组于2007年10月投产发电,目前15台机组已全部投产运行【1】。电站机组由天津阿尔斯通水电设备有限公司(以下简称天阿)、哈尔滨电机厂有限责任公司(以下简称哈电)、东芝水电(杭州)设备有限公司(以下简称东芝)和东方电机股份有限公司(以下简称东电)四个主机厂家提供的三种机型组成。因厂家不同,轴瓦的设计制造也不尽相同,传统的轴瓦保护措施,已经不能满足实际的需要,且因灯泡贯流式机组的特点,如果机组轴瓦一旦发生烧损事故,会增加修复的成本和检修的难度,将给企业造成较大的损失。为解决这个问题,我们根据设备的实际情况和自身特点,通过不断的摸索和实践,对轴瓦采取了多种保护措施,取得了良好的效果,提高了机组轴瓦的运行可靠性。
2 电站机组轴瓦的结构形式
1)电站机组均是采用双支点结构的灯泡贯流式机组【2】。2)发电机侧的导轴承与正、反推力轴承组合在一起,承受发电机重量和径向力,同时又承受轴向正、反推力,称为组合轴承。电站机组全部采用发导前置结构,瓦为钢衬浇铸巴氏合金结构,其中东电机组和天阿机组以主轴本体作为正、反推力轴承镜板和卧式轴承轴颈;东芝机组和哈电机组采用主轴本体作为卧式轴颈和分瓣式镜板与大轴把合的结构。3)东电机组的组合轴承采用瓦面进油边表面开槽入油的润滑方式,回油管设在油箱的底部;天阿机组、东芝机组和哈电机组的组合轴承采用小喷管喷油的润滑方式,回油管设在油箱上部。4)水轮机侧的轴瓦全部采用筒式分瓣结构,轴瓦采用锡基合金材料。
3 电站机组轴瓦的润滑方式
1)电站所有机组轴瓦均采用N68汽轮机油润滑。2)在机组正常运行时,轴瓦为动压运行,由安装在与机组轴线高差27m的高位油箱采用自流方式提供润滑油,两台交流轴承油泵通过油冷器和油过滤器不断为高位油箱重新充油。而在开停机过程中,机组处于0.7%~90%额定转速的低转速期内,轴瓦为静压运行,由两台交流高压油泵直接向轴承的跑合面补充供油,用高压油将主轴顶起形成油膜;推力轴承不设高压油顶起装置。
4 电站机组轴瓦损伤及其后果
电站机组轴瓦损伤主要有两类:一类是较轻的,即瓦的损伤,主要是瓦面的巴氏合金的碎裂和碾压;一类是较重的,即轴颈和镜板的损伤,主要是在恶劣的条件下对轴颈和镜板的拉伤和灼伤。其带来的后果【3】是:1)受机型的影响,由于灯泡贯流式机组的空间狭小,且轴瓦又处于机组中心位置,检修的难度较立式机组要困难得多,因此检修周期长。2)如果是轴颈损伤,或者是东电机组和天阿机组这种以主轴本体作为正、反推力轴承镜板的损伤,都需要进行机组全部拆除的扩大性大修,才能把主轴吊出进行维修,因此检修成本高。3)电站为低水头、日调节的水电站,如果因为机组轴瓦损伤而停机检修,必然给电站造成弃水电量损失,因此电量损失也大。
5 电站机组轴瓦损伤的原因分析
1)水力、机械和电气三个方面引起的机组振动,尤其是大轴的剧烈摆动,可使轴与瓦的温度升高,进而造成轴瓦烧损。2)机组在运行过程中由于定子、转子之间的气隙不均匀等原因形成的轴电压,在轴系绝缘破坏、油膜被击穿时产生的轴电流,造成轴瓦灼伤,甚至烧瓦事故。3)机组运行过程中由于润滑油中断,使得轴与轴瓦之间产生干摩擦,造成轴瓦损伤事故。4)轴承润滑油变质、油冷却效果差等原因,造成轴瓦损伤事故。5)机组长时间低转速运行,转动部分的重量使得轴颈与瓦之间油膜遭到破坏,并形成固体干摩擦,造成轴瓦烧损事故。
6 在机组投产时采用的轴瓦保护措施
在机组投产时,借鉴行业内的先进经验,对机组轴瓦采取了以下保护措施:1)在上游侧受油器底座与基础接触面采用环氧树脂板、连接螺栓加装绝缘套管的方式,提高轴承上端的绝缘;在轴承的下端设置接地碳刷,用以限制转子下部轴电压,从而限制轴电流对轴瓦造成损伤。同时在上端轴加装了一个轴电流互感器,用以预控轴电流产生后损伤轴瓦的情况发生。2)为防止机组运行过程中轴承润滑油中断而造成轴瓦损伤事故,我们在机组组合轴承和水导轴承的回油管近端各装了一个回油流量开关,用以监视轴承供油情况,并接入机组事故停机流程,确保在润滑油中断的情况下能够第一时间启动停机回路停机。另外,我们在轴承供油的高位油箱上设置了一套液位开关保护,在发生交流轴承油泵停止等一系列无法保证油循环的情况下,在高位油箱满足持续5min供油前启动事故停机流程,确保机组运行状态下不会断油烧瓦。3)我们在轴承供油系统的各个油箱底部安装了一套油混水报警装置,用以监视轴承供油系统是否存在含水量超标;在油循环回路中装设油过滤器滤清杂质、装设油冷器控制润滑油温度。上述措施都是为了确保轴承润滑油品质,防止由于油质劣化造成轴瓦损伤。4)交流高压油泵在机组开停机过程中直接把油打入水轴瓦和径向轴承跑合面强行建立油膜,以及在停机过程中,当机组转速下降至25%额定转速时投入制动风闸缩短停机时间,是防止长时间低转速运行造成轴瓦烧损的主要措施。
7 在机组投产后结合实际增加的轴瓦保护措施
由于在设计之初对轴瓦运行过程中可能出现的问题考虑得不够充分,因此,在总结以往经验的基础上,对轴瓦增加了一些保护措施:1)对于机组振动可能带来的轴瓦损伤,除了在机组安装过程中的质量把控和在运行过程中的人工现场监视外,在设计上未采取更好的办法。针对质量把控可能出现的遗漏和人工现场监视不能做到的实时监控,长洲水电公司给每台机组装设了一套在线监测系统,对机组运行过程中的组合轴承摆度等16个机械量、尾水管压力脉动等2个水力量以及机组有功功率等10个电气量进行实时在线监测,并在进行综合分析计算后,根据国标设定的报警阈值进行报警,提醒值班人员注意调整机组实时工况,避免在振动区域运行,防止机组由于振动超标而带来的轴瓦损伤。2)在机组运行过程中,我们发现回油流量开关装在轴承油箱的出口处,当轴承供油中断时,由于管路内和轴承油箱内的残油,使得流量计不能很快启动机组保护停机流程,无形增加了轴瓦损伤的风险,尤其是对东电这种油箱底部回油的机组,风险更加明显。为此,我们在所有机组的轴承油箱的进口增加了一个轴承供油流量开关,使之与原有出口回油流量开关并联,从而保证在轴承供油中断时能够第一时间启动保护轴瓦事故的停机流程。3)在对机组长时间低转速运行保护验证过程中,我们发现有两种特殊情况属于设计保护措施的盲点:一种是在机组正常停机过程中,如果高压油顶起装置突然不能正常工作,无法在轴瓦跑合面强行建立油膜,且机组停机过程不可逆的情况下,必然形成轴瓦干摩擦,进而损伤轴瓦;另一种也是在机组停机过程中,如果制动风闸压力消失,在机组转动部分的惯性作用下,会使得机组停机时间过长,增加了轴瓦发生干摩擦的风险。为此,我们在机组监控的开停机流程中做文章:首先,是将交流高压油泵出口压力正常接点和风闸制动系统压力正常接点分别接入机组的正常停机流程,确保只有在监控、识别两个系统正常后才能发出机组停机令;其次,是我们设计了一条机组二次开机回路,即机组正常停机时,在停机令发出后,流程执行过程中,如果发生以上两个系统不正常状态,则在机组转速下降至25%额定转速前,立即由监控系统中断停机流程、发出开机令,二次开机把机组重新开启至空转状态,等待系统的恢复,从而避免长时间低转速停机事件的发生;最后,为避免机组在加闸状态下开机和保证事故停机流程的执行,我们在机组转速低于25%额定转速和机组事故停机时,不启动该二次开机回路。
8 结语
本文通过理论和实际相结合的方式,总结并应用了多项机组轴瓦保护措施,且通过实践证明取得了良好的效果,为灯泡贯流式机组轴瓦保护方面的发展提供了参考,也为解决类似的问题提供了很好的借鉴。
参考文献:
[1]广西电力工业勘察设计研究院.长洲水利枢纽可行性研究报告[R].南宁:广西电力工业勘察设计研究院,2005.
[2]刘国选.灯泡贯流式水轮发电机组运行与检修[M].北京:中国水利水电出版社,2006.
[3]王永亮,霍凤仙.电厂发电机轴瓦损坏原因分析及无损检测方法的探讨[J].内蒙古科技与经济,2012(6):115-116.

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