劉家峽水電廠新投機組推力軸承燒損原因分析

趙 煒，閔占奎，沈渭程，劉秀良，陳柏旭，甄文喜

（國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州730070）

0 前言

推力軸承是水輪發(fā)電機組最重要的部件之一，它承受著發(fā)電機組轉動部分重量和軸向水推力等荷載，其運行好壞直接影響到機組的安全穩(wěn)定運行。引起推力軸承損壞的原因很多[1]，如機組振動故障造成的不穩(wěn)定性[2]，結構設計及加工質量的影響，安裝和運行管理的影響[3]、水推力[4]和電磁力[5]的影響等。同時，所使用推力瓦的材質[6-7]以及推力軸承的油膜特性[8]也對推力軸承的運行穩(wěn)定性有著較大影響。本文針對劉家峽水電廠7號、8號機組出現(xiàn)的推力軸承損壞問題，通過從上述多個方面進行研究，分析了造成此事故的原因，并總結出解決此類問題的基本方法以及一般過程。

劉家峽水電廠7號、8號機位于劉家峽水電廠左岸，安裝在“穿黃排沙”洞出口處，單機容量150 MW。該排沙洞是截排洮河泥沙，解決洮河泥沙對劉家峽水庫、大壩安全運行和現(xiàn)有電站機組安全經(jīng)濟運行的威脅而建的。工程由西北水電勘測設計研究院設計，發(fā)電設備由哈爾濱電機廠有限責任公司制造，機電安裝由中國水利水電第六工程局安裝分局安裝，中水東北勘測設計研究有限責任公司監(jiān)理，中國水利水電建設工程咨詢西北有限公司監(jiān)造。2015年4月開始機組安裝、調試工作，2018年7月6日和7月8日，8號機、7號機相繼并網(wǎng)發(fā)電運行。

1 機組和推力軸承主要參數(shù)

表1 水輪機主要技術參數(shù)

表2 推力軸承主要技術參數(shù)

彈性金屬塑料瓦相對于傳統(tǒng)的烏金瓦有如下幾個優(yōu)點：性能優(yōu)，單位壓力低，運行溫度低，承載力大；運行工況靈活；安裝檢修方便；可取消頂起裝置；壽命長久耐用等等，正因為有以上優(yōu)點，現(xiàn)在世界上許多水電站都使用彈性金屬塑料瓦。

2 事故過程

2018年7月8日21：00，7號機完成變負荷能量特性和穩(wěn)定性特性試驗后，啟動8號機準備做2臺機同時運行條件下的能量特性和穩(wěn)定性特性試驗，并帶額定負荷運行至約21：50后，發(fā)生了推力軸承溫度達55℃報警、并很快升至60℃停機、推力軸承損壞事故。

2018年7月20日凌晨2：40，7號機在排沙洞排完沙后自動開機帶額定負荷運行后不久，又發(fā)生推力瓦溫度升高機組停機事故，推力軸承損壞，而且規(guī)律現(xiàn)象與8號機情況十分相似。

3 事故原因分析

推力軸承要能夠正常運行，在推力瓦面與鏡板之間的油膜質量至關重要。7號機、8號機推力軸承損壞，主要是鏡板與彈性塑料推力瓦面油膜減少或消失所致，這里機組啟動初期推力油膜未形成或油膜厚度未達設計要求、且頂蓋壓力大是關鍵，具體原因分析如下。

3.1 可以排除的因素

（1）機組穩(wěn)定性

劉家峽水電廠7號機、8號機空載啟動調試完成后，機組各部位的振動擺度值滿足相關要求，而且并網(wǎng)帶負荷試驗也證明，除8號機在振動區(qū)振動值稍大外，其他負荷工況運行穩(wěn)定性良好，試驗數(shù)據(jù)見表3、表4。從振動方面講，2臺機具備安全運行的條件。查看了發(fā)生事故前后機組振動數(shù)據(jù)變化情況，發(fā)現(xiàn)機組振動狀態(tài)無異常，事故原因與振動關系甚微。

表3 劉家峽水電廠7號機變負荷試驗數(shù)據(jù) 單位：μm、kPa

（2）轉子高程

查閱了該機組（8號機組）安裝數(shù)據(jù)，如轉子高程是否偏差過大，引起發(fā)電機勵磁后軸向力增大所致，但經(jīng)查轉子安裝高程差在標準允許范圍內(nèi)，不會引起此次事故。

（3）軸承冷卻供水

分析了軸承冷卻水變化對軸承溫度影響，認為機組啟動過程中雖然冷卻水壓力有變化，甚至出現(xiàn)短時中斷現(xiàn)象，但也不會造成如此后果。標準DL/T 622《立式水輪發(fā)電機彈性金屬塑料推力軸瓦技術條件》規(guī)定“新設計的塑料推力瓦，一般允許斷水運行時間不少于20 min”，8號機事故過程中，軸承冷卻水出現(xiàn)間斷約5 min在允許范圍內(nèi)。

3.2 可能因素

（1）推力軸瓦質量

檢查了損壞軸承實物表面形態(tài)，外表檢查發(fā)現(xiàn)16塊瓦面損壞程度不同，可能存在某塊瓦性能質量有問題，比如：某塊瓦受力調整偏差大、推力瓦瓦面彈性層邊緣的焊錫與彈性體焊接點存在脫粒、推力瓦材質本身存在缺陷、或塑料推力瓦實際許用單位壓力不滿足設計等，某塊瓦先行損壞后引起連鎖反應，最后全部損壞。

（2）軸承潤滑油

由于機組從第一次啟動調試至事故發(fā)生時，軸承潤滑油未更換，也未過濾過，可能油中含有導致影響油膜和損傷瓦面的雜質，在運行過程中帶入軸瓦與鏡板之間，引起事故發(fā)生（7號機排油后現(xiàn)場檢查時確實發(fā)現(xiàn)油槽中有雜物），但這種機率很小。

表4 劉家峽水電廠8號機變負荷試驗數(shù)據(jù) 單位：μm、kPa

3.3 主要因素

（1）推力軸瓦進油邊設計

推力軸承設計制造進油邊深度和坡度時是否考慮了過機沙量大、水推力相對大的特殊因素。如果推力軸承進油邊深度和坡度不滿足此機組工況特殊的要求，就難以形成滿足需求的油膜。從損壞軸承面瓦狀態(tài)看，進油邊深度偏小，如圖1所示。圖中左側為進油邊。

圖1 推力軸承進油邊圖

（2）推力軸承變形問題

2臺機推力軸承損壞后的表面狀態(tài)，顯示半徑方向明顯出現(xiàn)中間損壞嚴重，內(nèi)外側損傷較輕現(xiàn)象，如圖2所示。這說明推力瓦受力中間大、內(nèi)外側小，而造成這種情況的原因，一是推力瓦面制造時可能中間高、內(nèi)外側低，二是由于軸承性能質量有問題導致溫度升高后變形不均勻所致，其后果是推力軸承受力狀態(tài)發(fā)生變化，使軸瓦中部受力過大油膜破壞，干摩擦損壞。

圖2 推力軸承損壞表面形態(tài)

（3）水推力過大

從2臺機發(fā)生事故的全過程現(xiàn)象規(guī)律分析，機組剛啟動不久推力軸承油膜未完全形成或油膜在轉動體重量和大含沙量水推力共同作用下被破壞，應該是事故的主要原因。7號、8號機水輪機頂蓋壓力比其他機組大的多，如表5所示。其中除7號、8號機外，5號機頂蓋壓力相對較大，而5號機為了避免開機過程損壞推力軸承，設計有高壓油頂起裝置，每次啟機時自動投入，強行形成油膜。7號、8號機推力軸承設計制造時可能已經(jīng)考慮了頂蓋壓力大問題，但如果沒有考慮泥沙含量劇增、水推力顯著增大的特殊情況，那泥沙含量大增時水推力也將大增，使推力瓦的受力特性發(fā)生顯著變化，很容易引發(fā)巨大水推力損壞推力油膜、造成干摩擦損壞事故。

表5 劉家峽水電廠機組水輪機頂蓋壓力值比較

據(jù)了解，排沙洞岔口至調壓井距離300 m以上，而排沙洞岔口處無閘門，故排沙時泥沙會不斷進入并淤積在發(fā)電引水洞內(nèi)。因排沙時機組停機，進入洞內(nèi)的泥沙隨著時間延長淤積越來越多。當發(fā)電引水洞內(nèi)淤積了大量泥沙后開機運行，洞內(nèi)淤積的大量泥沙就會進入機組，并隨著機組負荷增加、流速增大，大量積沙將翻起，過機沙量不斷增大。如2臺機同時運行，洞內(nèi)流速顯著加快，勢必將淤積在洞內(nèi)的泥沙雪崩式的帶入機組，造成機組水推力劇增，超過推力軸承設計安全受力極限，造成油膜破壞損壞軸承。因該推力軸承是按含沙量30 kg/m3設計的，而現(xiàn)在每次排完沙后啟機時，實際最大過機泥沙含量遠遠超過此值。

從7號、8號機發(fā)生事故的條件看，都是在排沙洞排完沙后啟動帶滿負荷不久出現(xiàn)的，這與剛排完沙后啟動機組時淤積在發(fā)電引水洞內(nèi)的大量泥沙短時間內(nèi)集中通過機組、水推力劇增關系密切，之所以運行一段時間后未發(fā)生事故，是淤積在發(fā)電引水洞內(nèi)的泥沙減少直至流走，水推力正常。

試驗數(shù)據(jù)表明，7號、8號機從空載到額定負荷變化時，頂蓋腔內(nèi)壓力變化較大，如表6所示。2臺機在正常啟動和排完沙啟動后，在空載工況運行多次都正常，推力軸承損壞事故都是在額定負荷工況下發(fā)生的，也就是說，都是在頂蓋壓力大、即水推力大時發(fā)生的。在排完沙過機沙量大的情況下機組空載運行時，由于頂蓋壓力值較小，在來水含沙量一樣的情況下，推力軸承受力就小。而額定負荷時頂蓋壓力顯著提高（空載時的2倍多），推力軸承受力大增，這就是2臺機推力軸承都是在額定負荷狀態(tài)下?lián)p壞的原因。如果推力軸承設計制作時充分考慮到機組的這種特殊情況，這類事故也就不會發(fā)生。7號、8號機頂蓋壓力大，一是設計迷宮間隙值大（7號機達到5 mm），二是轉輪無減壓泄水孔。

表6 劉家峽水電廠7號、8號機不同負荷時頂蓋腔壓力值

4 預防措施

（1）推力軸承制造廠家應該提供推力瓦面與測溫計之間的溫差值和溫度傳遞時間，以便電廠設置軸承安全溫度報警值。

（2）根據(jù)機組頂蓋壓力大和汛期過機沙量短時內(nèi)巨增的特點，廠家應重新優(yōu)化設計制造符合實際情況的推力軸承，并嚴格按要求安裝。廠家在機組不同負荷和不同過機沙量條件下測量了下機架變形情況，據(jù)此算出推力軸承載荷，為優(yōu)化軸承提供依據(jù)。

（3）考慮到隨著機組運行時間延長，水輪機上迷宮間隙會因泥沙磨損逐漸增大，屆時頂蓋腔壓力將會進一步增大，對推力軸承安全的危害也將進一步增大。如果頂蓋結構條件允許，可以考慮在頂蓋上安裝2個減壓排水管（對稱方向），在汛期過機泥沙含量大時開閥排水降低頂蓋壓力，以降低推力軸承載荷，泥沙含量小時關閥門不排水。汛期以安全為主，效率為輔，而且頂蓋排水減壓對效率影響很小。機組A修時，也可以通過補焊和噴涂抗磨層的辦法減小水輪機上迷宮間隙，以降低頂蓋腔壓力。

（4）排沙洞與發(fā)電引水洞岔口處，在發(fā)電引水洞側只有攔污柵、無閘門，考慮在此處設計安裝閘門，在停機排沙時落下閘門擋住排沙期間泥沙進入發(fā)電引水洞淤積，避免每次排完沙啟機時淤積在洞內(nèi)的大量泥沙進入機組引起過流部件磨損和增加機組水推力，減輕推力軸承載荷。

（5）在目前條件下，排沙洞排完沙后機組啟動時應先頂轉子，以便啟動前形成自然油膜，并在額定轉速空載運行一段時間（約30 min）后再逐漸增加負荷?？紤]到每次開機頂轉子麻煩，以后有條件時考慮加裝高壓油頂起裝置，并在啟動流程中加入，以改善機組啟動初期推力軸承油膜形成的條件。

以上（2）、（3）、（4）、（5）措施，如果實施一條，推力軸承的安全性就基本能得到保證，多一條措施，安全系數(shù)加大。

（6）在汛期泥沙含量大時，尤其在排沙洞排完沙啟動機組初期，從蝸殼取水管每隔5 min或小于5 min取水樣測定含沙量，繪制以時間為橫坐標的含沙量曲線，并與機組轉動體軸向位移曲線比較，找出含沙量與推力軸承受力情況關系。

（7）目前，當黃河來水泥沙增大和主河道流量變小時，機組循環(huán)冷卻水水溫有5℃以上升溫情況，這對機組來說也是一種危險因素。根據(jù)觀察分析，這與泥沙含量大、流速小時，循環(huán)水池尾水冷卻器表面被泥沙覆蓋包裹有關，應考慮對尾水冷卻器進行完善改造。

（8）該機組振動在線檢測裝置裝有測量抬機量的傳感器，但安裝在下機架上，忽略了下機架平衡位置隨機組軸向推力的變化而變化的問題。所以要把該傳感器移到上機架上，在監(jiān)測抬機量的同時，測量機組水推力增大時推力彈性油箱和下機架變形量，間接觀測過機泥沙量增大時推力軸承受力變化情況。

5 結論

劉家峽水電廠7號、8號機發(fā)生推力軸承損壞事故，是推力軸瓦進油邊設計不滿足要求、推力軸承變形、水推力過大等多種因素共同作用造成的，進而導致油膜建立不充分，推力瓦與鏡板干摩擦損壞。推力軸承損壞還與推力軸瓦質量存在缺陷、軸承潤滑油中含有雜質有關，但這不是決定性因素。通過優(yōu)化推力軸承設計、在頂蓋安裝減壓排水管、在發(fā)電引水洞口增設閘門、研究水流含沙量與推力軸承受力關系、對技術供水尾水冷卻器進行完善改造等方法，可以預防推力軸承出現(xiàn)本文所描述的損壞問題。在目前條件下，最直接的方法是排沙洞排完沙后機組啟動時先頂轉子，以便啟動前形成自然油膜，并在額定轉速空載運行一段時間（約30 min）后再逐漸增加負荷，即可防止此類事故發(fā)生。