抽水蓄能電站推力軸承安裝調(diào)試中幾項關鍵技術的應用

葛軍強，佟德利，熊 濤，劉同帥，魏春雷，郝 峰

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省靖安縣 330603；3.上海福伊特水電設備有限公司，上海市 201100）

0 引言

推力軸承是抽水蓄能電站發(fā)電電動機的關鍵部件，其性能直接影響到機組的性能和運行可靠性。抽水蓄能機組中使用的雙向推力軸承具有運行速度高、軸承損耗大等特點。根據(jù)《水輪發(fā)電機基本技術條件》（GB/T 7894），推力軸承巴氏合金瓦最高溫度不得超過80℃，冷卻水中斷后，機組無損壞運行不得少于10min。某抽水蓄能電站1號機組安裝調(diào)試過程中，推力瓦溫無法滿足規(guī)范要求，為機組后續(xù)的安全穩(wěn)定運行帶來了一定的質量隱患。

1 該抽水蓄能電站推力軸承結構

該抽水蓄能電站裝機容量為1200MW（4×300MW），安裝4臺單機容量300MW的混流可逆式水泵水輪發(fā)電機組，為周調(diào)節(jié)抽水蓄能電站。電站主要任務是為在電網(wǎng)中承擔調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等任務。發(fā)電電動機為立軸、懸式、三相、50Hz、空冷、可逆式同步發(fā)電電動機，額定轉速500r/min，推力軸承布置于轉子上方，推力軸承與上導共用一個油槽。推力/上導為外循環(huán)冷卻，2臺片式冷卻器為一組，設外循環(huán)油泵2臺，互為備用，主備用關系每次輪換，即前一次剛起動過的泵作為備用泵，另一臺作為主用泵。懸式機組油槽位于轉子上方，考慮拆磁極不拆上機架，油槽的外徑受到限制，推力油槽明顯偏小。因此需要設置外部油槽，導致推力油槽外循環(huán)系統(tǒng)的復雜性。該抽水蓄能電站推力軸承設計參數(shù)見表1、結構見圖1。

表1 某抽水蓄能電站推力軸承設計參數(shù)Tab.1 Design Parameters of thrust bearing for HP pumped storage power station

2 推力軸承冷卻方式

圖1 某抽水蓄能電站推力/上導軸承結構圖Fig.1 Structure of thrust/upper guide bearing for HP pumped storage power station

（1）抽水蓄能電站發(fā)電機組由于轉速高，采用內(nèi)循環(huán)冷卻一般難于達到控制推力油槽潤滑油溫度的要求，因此一般采用外循環(huán)冷卻方式。推力軸承外循環(huán)冷卻方式主要有油泵外循環(huán)及鏡板泵外循環(huán)兩種。油泵外循環(huán)由于油槽小、抽瓦檢查方便、冷卻器熱交換效率高、節(jié)省冷卻水、冷卻器布置在機坑外方便檢修等諸多優(yōu)點，抽水蓄能電站推力軸承冷卻一般采用油泵外循環(huán)方式。國內(nèi)高速機組采用鏡板泵較少，主要是擔心不能建壓、無法滿足油循環(huán)需要，但實際上，由于泵壓過高導致密封失效的情況經(jīng)常發(fā)生。

（2）相較于外加泵外循環(huán)，鏡板泵是在推力軸承轉動部件鏡板或推力頭上開數(shù)個徑向直泵孔或斜泵孔。鏡板外緣裝有集油槽（相當于一般油泵的蝸殼），用以匯集泵出的熱油，然后送入冷卻循環(huán)管路。熱油經(jīng)冷卻器冷卻后送回油槽，完成油槽的熱交換，將油槽油溫穩(wěn)定在一定值，以保證軸承的安全運行。機組轉動之前，鏡板整體浸泡在潤滑油中；機組轉動時，充滿于泵孔中的潤滑液在離心力的作用下，從內(nèi)徑被甩向外徑，經(jīng)集油槽排至外循環(huán)管路中。與此同時，在泵的內(nèi)徑處形成了低壓區(qū)，油在液面大氣壓力的作用下，從油槽內(nèi)徑側流入鏡板泵孔。鏡板不斷轉動，油就不斷地流入，又從泵不斷流出，這樣鏡板泵即可源源不斷地送油了。鏡板泵外循環(huán)具有以下特點：

1）可靠性高。鏡板泵是利用機組轉動部分動力驅動油循環(huán)的結構，與機組運行同步工作：機組轉動，循環(huán)系統(tǒng)開始工作；機組停機，循環(huán)系統(tǒng)停止工作。

2）結構簡單。鏡板泵油槽外結構僅有管路、閥門、冷卻器，而無外加泵結構電動機、油泵、控制柜等輔助設施。

3）自適應性強。鏡板泵流量與機組轉速自動匹配。機組轉速高，損耗大，鏡板泵壓頭高、流量大；機組轉速低，軸承損耗小，鏡板泵壓頭低，流量小。

3 處理措施

推力瓦溫度高主要有以下幾方面原因：結構設計不合理，單位面積承受負荷超標；推力軸承進油孔徑小，冷卻油量不足，摩擦產(chǎn)生的熱量無法全部帶出；潤滑油中帶水或其他雜質，推力瓦不能形成完整的液體潤滑；軸承進油溫度過高，推力瓦工作環(huán)境不良等。

3.1 增大推力瓦直徑

將推力瓦外徑增加到2120mm，將內(nèi)徑增加到890mm，推力瓦寬度增加到325.7mm。改造后與改造前的推力瓦外形尺寸分別見圖2、圖3。

圖2 增大尺寸后的推力瓦及支撐Fig.2 Enlarged thrust bearing pads layout

3.2 將橡膠彈簧墊換成金屬彈簧簇支撐

圖3 現(xiàn)有的推力瓦及支撐Fig.3 Original thrust bearing layout

圖4 彈簧簇支撐結構Fig.4 Structure of steel spring column

單個彈簧簇的結構如圖4所示，每塊推力瓦布置有47個彈簧簇支撐，工作時，每個彈簧簇將承受11.2kN的工作載荷。與橡膠彈簧墊相比，金屬彈簧更軟，更有利于載荷在各個瓦之間平均分配。但由于金屬彈簧剛度更低，變形更具有線性特征，運行時的壓縮量將有微小的增加，該增量可通過增大推力頭高度來補償。表2給出了金屬彈簧與橡膠彈簧的參數(shù)。

表2 金屬彈簧和橡膠彈簧壓縮量的比較Tab.2 Deflection of steel spring column and rubber spring

3.3 增加推力頭的外形尺寸

將推力頭外徑由現(xiàn)在的2015mm增加到2125mm，優(yōu)化后的推力頭，應力水平低于許用靜應力的推薦值，滑動工作面產(chǎn)生的傾斜和彎曲變形可以被推力瓦和彈簧簇支撐的組合體柔度補償?，F(xiàn)有推力頭與改造的推力頭外形輪廓見圖5。

圖5 現(xiàn)有推力頭（藍色輪廓線）與改造的推力頭Fig.5 Original and new（with blue outline）thrust runner design

4 優(yōu)化后的推力瓦性能

4.1 額定工況

表3給出了額定載荷下推力軸承的性能參數(shù)，由于實際安裝中各塊瓦高低不齊，計算載荷選用額定載荷的1.1倍。另外，考慮到設計測量和理論計算的結果可能出現(xiàn)誤差，所有溫度結果增加了4%的安全值。圖6反映了單塊瓦壓力、溫度和油膜厚度的三維分布。

表3 推力軸承主要參數(shù)Tab.3 Main layout numbers of shrust bearing

4.2 特殊工況

某抽水蓄能電站推力軸承油的容積為12500L，內(nèi)部有約800L的空間被金屬部件占據(jù)，這些金屬部件直接與油接觸，熱容量為油的2倍以上，保守計算，推力軸承有效的油容量達13300L。

圖6 推力瓦計算結果分布圖(a)瓦表面壓力;(b)油膜厚度;(c)瓦表面溫度Fig.6 Results plots of thrust bearing pad

（1）額定工況下冷卻水中斷。根據(jù)合同要求，冷卻水中斷推力瓦應能無損壞運行15min，經(jīng)計算，冷卻水中斷15min后，油膜厚度44μm，大于合同規(guī)定的22μm，瓦溫達89.5℃，小于合同規(guī)定跳機值90℃。圖7反映了額定轉速下，斷水運行時軸承的性能曲線。

圖7 額定轉速下，斷水運行時軸承的性能曲線Fig.7 Bearing performance at rated speed，no cooling

（2）飛逸工況下有冷卻水運行。機組飛逸時，摩擦生熱的速度遠大于冷卻的速度，摩擦生熱和冷卻水帶走的熱量，兩者之間差值的部分將使?jié)櫥蜏囟瘸掷m(xù)升高。經(jīng)計算，機組飛逸5min后，油膜厚度59μm，大于合同規(guī)定的22μm，瓦溫達77℃，小于合同規(guī)定跳機值90℃。圖8反映了飛逸工況時有冷卻水情況下推力軸承的性能曲線。

5 現(xiàn)場驗證試驗

某抽水蓄能電站對推力軸承進行了優(yōu)化，并對瓦溫進行了現(xiàn)場驗證試驗。

圖8 飛逸時，有冷卻水情況下推力軸承的性能曲線Fig.8 Bearing performance at runaway with cooling

5.1 設備拆除

（1）依次拆除碳粉吸收裝置及割除安裝支架（碳刷及刷握，根據(jù)安裝位置進行標記）、在線監(jiān)測元件及電纜、碳粉吸收管路及支撐、油霧吸收管路、勵磁電纜與碳刷架的連接（拆除前標記電纜連接位置號）、氣密封蓋（使用彩條布對集電環(huán)包裹防護），所有拆除設備需在固定區(qū)域擺放，記錄并設置標識牌。

（2）拆除推力油槽蓋固定螺栓，安裝4-M16吊耳在推力油槽蓋上，使用導鏈將油槽蓋整體拉高至集電環(huán)罩頂部，并可靠固定。

（3）推力瓦拆除。對所有推力瓦RTD進行拆卸，并對RTD進行編號標記，臨時固定于油槽內(nèi)RTD電纜固定支架上，拆除過程中按照要求對RTD電纜進行相應防護，防止損壞；拆卸高壓油管路，并進行管口封堵防護，拆出的高壓油管路按照規(guī)定區(qū)域擺放；拆除穩(wěn)油板和推力瓦徑向限位銷釘，根據(jù)原安裝位置進行標記，規(guī)定區(qū)域擺放；使用拆瓦工具將集電環(huán)罩進人門相對區(qū)域位置的推力瓦拉出至油槽內(nèi)臨時平臺上；使用2-M24吊耳和吊帶利用活動式單臂吊將推力瓦吊出油槽，吊出前對推力瓦進行防護，避免推力瓦受損。

5.2 主要設備回裝

割除油槽內(nèi)4個回油方箱，配裝新的回油管；重新配鉆推力軸承瓦固定銷釘孔以及推力瓦支撐固定螺栓孔；復測推力軸承支撐座每塊推力瓦安裝水平（0.02mm/m），安裝推力瓦彈性支撐組件；根據(jù)推力瓦測量計算表進行推力瓦安裝；采用橋機將推力頭吊至加溫制定區(qū)域；調(diào)整推力頭水平至符合要求后開始加溫，推力頭脹量滿足要求后進行推力頭熱套安裝，待推力頭冷卻至室溫后進行推力頭與轉軸配合間隙檢查，合格后安裝推力卡環(huán)。

5.3 整體盤車

推力頭安裝完畢后進行受力轉換，使用頂轉子油泵頂起轉軸2mm，拆除絕緣墊板，解除制動器機械鎖定，緩慢釋放油壓直至推力頭鏡板完全落在推力軸承上；進行機組整體盤車，檢查各部導軸承及主軸密封滑環(huán)軸向跳動。

5.4 試驗

設備回裝完成后，進行發(fā)電空載熱穩(wěn)定、發(fā)電100%負荷熱穩(wěn)定、發(fā)電調(diào)相SCT工況軸承熱穩(wěn)定、SCP工況軸承熱穩(wěn)定、水泵工況軸承熱穩(wěn)定等試驗，試驗過程中，推力瓦最高溫度出現(xiàn)在抽水工況軸承熱穩(wěn)定試驗，1號瓦達到75.6℃，滿足合同及規(guī)范要求。表4給出了各種工況試驗時推力瓦的實測溫度。

表4 推力瓦溫統(tǒng)計表Tab.4 Temperature of thrust bearing pads 單位 ：℃

6 結束語

在抽水蓄能電站運行過程中，推力瓦是比較容易產(chǎn)生問題的部件，比如溫度高、合金層脫離、移位等，因此，在推力瓦的設計制造環(huán)節(jié)，應充分考慮軸瓦外形及結構設計、軸承潤滑油路、油槽內(nèi)部結構、軸承油冷卻器冷卻效率等因素。本文通過對某抽水蓄能電站瓦溫高的原因分析，以及增大推力瓦直徑、將橡膠彈簧墊換成金屬彈簧簇支撐、增加推力頭的外形尺寸等處理措施的介紹，對其他抽水蓄能電站在今后的設計、制造過程中有一定的借鑒意義。

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