關于軸瓦溫度升高問題的分析研究

張成名，肖維寶，李 濤

（山西西龍池抽水蓄能電站有限責任公司，山西省忻州市 035503）

關于軸瓦溫度升高問題的分析研究

張成名，肖維寶，李 濤

（山西西龍池抽水蓄能電站有限責任公司，山西省忻州市 035503）

本文針對某抽水蓄能電站4號機組C級檢修試驗階段，發(fā)電工況運行過程中軸瓦溫度迅速升高，而相應的油溫和水溫均保持在合理范圍內的問題，推斷出可能存在水導軸瓦磨損和油膜不能很好形成的缺陷，提出打磨軸領和水導瓦、過濾潤滑油的措施，并在此基礎上深入分析了水導軸瓦溫度升高的原因，最終達到消除該缺陷的目的。

水輪機組；水導軸瓦；油膜

0 引言

某抽水蓄能電站的機組為可逆式水輪發(fā)電機組。其中，機組導軸承的作用是限位，可防止機組在運行時產(chǎn)生旋轉擺動，保持軸心穩(wěn)定。

2013年11月9日上午，該電站在完成全部C級檢修例行項目后，4號機組進行修后試驗，在進行發(fā)電工況手動升速試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當轉速升至額定轉速（500r/min）后，水導軸瓦溫度上升速度較快，12塊水導軸瓦溫度均以較快速度上升，約15min后水導軸瓦溫度達到報警值65℃，后手動停機。

在4號機組運行過程中，水導系統(tǒng)油混水裝置無報警；水導冷卻系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)異常；機組在試驗運行中水導擺度值在正常范圍之內；檢查水導冷卻器進出口油流量、壓力、冷卻水流量，結果表明均在正常范圍之內。

2013年11月16日，水導軸瓦處理完成，在進行第一次空載熱運行中仍未成功。當空載運行1h后，水導軸瓦溫度仍然達到65℃達報警值，經(jīng)過調整冷卻水流量、油的流量和進出口油溫差后，試運行成功。

1 事故分析

1.1 油膜的建立

滑動軸承的摩擦系數(shù)f是重要的設計參數(shù)之一，它的大小與潤滑油的黏度η（Pa·s）、軸的轉速n（r/min）和軸承壓強P（MPa）有關，軸承摩擦特性系數(shù)λ見式（1），軸承摩擦特性系數(shù)與滑動摩擦系數(shù)的關系如圖1所示。

圖1 軸承摩擦特性系數(shù)與滑動摩擦系數(shù)關系圖

λkp左邊為非液體摩擦潤滑。軸瓦沒有完全浸沒在油中，在機組啟動過程中，建立油膜以前，軸瓦與軸承間是干摩擦或者說是半干摩擦，所以在這個階段摩擦系數(shù)比較大，隨著油膜的建立，摩擦系數(shù)減小，發(fā)熱量也減少，而后隨著轉速趨于穩(wěn)定；同時，壓強和油的黏度在經(jīng)過一段時間后可以認為是不變的，因此軸承摩擦特性系數(shù)最終趨于穩(wěn)定，對應的滑動摩擦特性系數(shù)也趨于定值，發(fā)熱量與散熱量達到動態(tài)平衡，機組運行趨于穩(wěn)定。

表1 11月9日發(fā)電工況啟動水導瓦溫上升表

1.2 事故過程分析

水導軸瓦上的幾個測溫點溫度有不同程度的升高可能有4方面的原因：

（1）測溫回路本身有問題，監(jiān)控誤報警[1]。

（2）油膜不能很好建立，半干摩擦或干摩擦使軸瓦溫度升高。

（3）水導軸瓦與軸承相互摩擦，產(chǎn)生大量的熱。

（4）冷卻系統(tǒng)有問題，熱量不能很好的傳導出去。

為了進一步查出4號機組軸瓦溫度升高的原因，需要現(xiàn)場檢查機組和分析運行參數(shù)，并依此做出判斷。首先對運行參數(shù)進行了分析比較；其次檢查了測溫回路，并開展相關試驗，具體內容在本文事故處理中具體介紹；最后在分析參數(shù)變化的基礎上，排除造成缺陷的次要原因，找到主要原因，最終達到消除缺陷的結果。分析運行參數(shù)，如表1所示是事件發(fā)生時水導軸瓦溫度變化趨勢。

為了使運行參數(shù)更加直觀明了，利用MATLAB處理，得到如圖2所示結果。

從圖2中可以看出，水導軸瓦溫度升高速度較快且很快達到報警值，而油溫和水溫沒有多大變化，從這一結果來看，很有可能是油膜沒有很好地形成，導致軸瓦干摩擦產(chǎn)生的大量熱量不能經(jīng)由油冷卻系統(tǒng)散熱。而造成油膜不能很好形成的原因主要有以下幾個方面：

圖2 水導軸瓦溫度變化曲線圖

(1)冷卻油系統(tǒng)中水分超標使油的黏度等性能發(fā)生變化，最終導致油膜不能很好的形成。

(2)軸瓦間隙發(fā)生變化，導致油膜不能很好的形成。

(3)水導油中顆粒度超標導致瓦面受損，不利于油膜的建立。

(4)水導油盆內油溫過低，黏性增大油膜建立困難，導致瓦溫升高。

從圖2中，還可以看出水導軸瓦溫度由高到底排列次序依次是 ：T4-11、T5-10、T11-9、T10-8、T6-2、T8-5、T9-4、T7-3。其中，Tn-m表示編號為m的軸瓦上所裝的編號為n的測溫點所測的溫度。

結合圖2所示的軸瓦溫度曲線圖和圖3所示的水導軸瓦示意圖，由溫度變化推斷出，編號為T4-11、T5-10、T11-9、T10-8的這幾塊軸瓦劃痕較大，處理時需要更加留意。

圖3 軸瓦編號與測溫點示意圖

圖4 水導軸領表面和水導瓦面

從理論上找到問題后，技術組研究決定，拆卸水導軸瓦進行檢查。

從圖4中明顯可以看出，水導瓦面有明顯的劃痕和黑點，軸領表面用手摸可感覺到局部區(qū)域存在高點，編號為12、11、10、9、8的軸瓦劃痕明顯比其他的嚴重，打磨時需要注意。

另外，化驗水導冷卻油發(fā)現(xiàn)，油的顆粒度為12級以上，不滿足要求，需要進行油處理和管道系統(tǒng)全面清洗工作。

2 解決對策

停機后，針對事故分析中，提出造成軸瓦溫度升高的原因（1），對測溫回路進行檢查，利用信號發(fā)生器對水導瓦和油溫的RTD進行檢查，發(fā)現(xiàn)元件參數(shù)均正常，這樣就排除了測溫回路的問題，具體數(shù)值如表2所示。

針對事故分析中，提出造成軸瓦溫度升高的原因（2）和參數(shù)分析中油膜不能很好形成的原因，做了如下處理：

（1）對水導油進行了過濾，過濾后油品取樣化驗顆為6級合格。

表2 4號機組水導瓦溫、油溫RTD測試記錄

（2）對水導瓦間隙進行測量，測量數(shù)據(jù)見表3，從表3中可以看出，水導瓦間隙在允許范圍之內之內，和安裝記錄比較為正常。

表3 水導瓦間隙測量數(shù)據(jù)

（3）考慮到電站冬季冷卻水溫度低，曾經(jīng)發(fā)生過“冷卻水溫低且水流量相對較大，導致油溫較低，而無法形成油膜，導致瓦溫上升”現(xiàn)象。在再次啟動機組過程中，將水導冷卻水流量進行多次調節(jié)，控制進出口油溫差在6℃左右，并利用手持式測溫儀測油盆、冷卻水和循環(huán)油進出口溫度，均正常。

通過以上的處理方法，消除了因油的問題導致油膜不能很好形成的原因。

針對事故分析中，提出造成軸瓦溫度升高的原因（3），做了如下處理：

（1）對軸瓦和軸承進行了打磨，消除了凸點，并經(jīng)測驗滿足運行條件。

（2）對水導軸承擺度進行了試驗，經(jīng)統(tǒng)計各個導軸承擺度均正常，各個導軸承的擺度峰峰值見表4。

通過對比表4中的數(shù)據(jù)，證明該次運行各導軸承擺度未發(fā)現(xiàn)異常，可排除軸承擺度異常導致瓦溫高的因素。

通過以上兩種處理方法，消除了因水導軸瓦與軸承相互摩擦，致使產(chǎn)生大量的熱的缺陷。

針對事故分析中，提出造成軸瓦溫度升高的原因（4），做了如下處理：對水導冷卻器管路解體檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，對水導冷卻器進行打壓試驗，判斷水導冷卻系統(tǒng)運行正常，可排除因水冷卻造成水導瓦溫升高的原因。

表4 4號機組各導軸承擺度最大峰峰值對比數(shù)據(jù)

3 處理結果

事故分析過程中提出的原因（2）和原因（3），即油膜不能很好建立和軸承與軸瓦的相互摩擦，確是造成該事故的主要原因，但是機組軸瓦溫度還不能長時間穩(wěn)定運行。

但值得注意的是，在一系列的處理以后，機組再次運行過程中，軸瓦溫度升高有明顯放緩趨勢，試驗結果顯示正常，同時考慮到水導油流量及冷卻水流量均處于正常范圍，且水導油溫升高較慢，可與型號一致的2號機相比，運行參數(shù)還是有很大差距，經(jīng)檢測油溫發(fā)現(xiàn)2號機油盆內外油溫差為6℃，而4號機組相應的油溫差為10℃。這是由于軸瓦間隙、摩擦系數(shù)、油的黏度發(fā)生了輕微的變化，影響了建膜效果，后提高油位、調節(jié)油的流速和冷卻水流量，油盆內外油溫差降至6℃左右，滿足了油膜建立的最優(yōu)條件，最終機組能夠穩(wěn)定運行。運行參數(shù)如表利用MATLAB處理，得到如圖6所示結果。

圖5 缺陷消除后水導軸瓦的溫度變化曲線

從圖5中可以明顯看出，經(jīng)處理后軸瓦溫度保持在合理運行范圍內運行。

4 總結

4.1 軸瓦打磨前機組不能正常啟動原因

分析水導軸瓦打磨前機組不能順利啟動的原因。該電站4號機組C級檢修為定期檢修，檢修前機組可以正常運行，在檢修過程中水導油盆中僅進行了正常的濾油工作，在修后試驗階段，發(fā)現(xiàn)12塊軸瓦溫度全部升高，對應的油溫和冷卻水水溫都沒有明顯變化，依缺陷消除過程得出如下結論：原油回路管道中尚存的焊渣雜質、雜物，由于本次檢修濾油擾動原因，相關顆粒物進入到了軸瓦和軸領的摩擦中，而摩擦又使顆粒物進一步增多，在這周而復始滾雪球的過程中，破壞了潤滑油的油膜[2，3]，軸瓦和軸領的摩擦產(chǎn)生了大量的熱，致使機組軸瓦溫度迅速升高，后手動停機。

4.2 油、水流量調整前機組不能正常啟動原因

分析水導軸瓦打磨后機組不能順利啟動的原因。經(jīng)過對水導軸瓦、軸領的打磨和油的過濾后，進行試運行，1h后水導軸瓦溫度仍然達到65℃，在這種情況下，調整冷卻水流量，增大油盆中油的流量[3]，維持了進出口油盆的油溫差為6℃左右，試運行正常。在這過程中，經(jīng)分析研究得出如下結論：在機組運行中，潤滑油的流速和流量固定的情況下，油膜的建立需滿足在一定轉速、一定壓強下，油的黏度與滑動摩擦力達到某種平衡才能更好形成油膜，而油的黏度又與溫度強相關。機組此次啟動過程中，油的流速和流量沒有調節(jié)，影響油溫的冷卻水流量也沒有調節(jié)，軸瓦和軸領經(jīng)過打磨后摩擦系數(shù)發(fā)生了變化，同時長期使用中油的黏度也發(fā)生了改變，因而建立油膜需滿足的平衡條件沒有達到，故通過調節(jié)油的流速和流量，達到了建立滿足條件的油膜的條件，實現(xiàn)了消除缺陷的目標。

[1] 徐剛．龍灘電站 6 號機組水導瓦溫升高原因分析及處理[J]．水電站機電術，2011，34（4）：51-53．

[2] 席靖．水輪機軸瓦溫度過高的原因分析．科技論壇．

[3] 徐彬，張兆雪．探尋水導軸瓦溫度偏高的原因[J]．中國農(nóng)村水利水電，2013，2：56-59．

張成名（1985—2015），男，研究生，助理工程師，主要從事生產(chǎn)運行。

肖維寶（1969—），男，本科，工程師，主要從事安全生產(chǎn)管理。

李 濤（1982—），男，本科，工程師，主要從事生產(chǎn)技術管理。

Analysis about Temperature Emergent Rising of Guide Bearing

ZHANG Chengming, XIAO Weibao， LI Tao
（Xilongchi pumped storage power station， xinzhou 035503，China）

There was a problem happened in unit 4 of a pumped storage power station when maintainance:the guide bearing temperature was rising rapidly，but the temperature of oil and cooling water was normal at the same. We deduced the reason preliminary was abrasive wear of guide bearing pads and decrease of oil film，applied the treatment :polishing of the bearing collar and pads，purification of turbine oil.based on the analysis，we found the reason of temperature emergent rising of guide bearing at last，and solved it.

hydro generator；guide bearing pad of turbine；oil film