里底電站水淹水導軸承快速原因查找與處理

祁英明，龔自成，黃偉

（華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 維西 674600）

1 引言

里底水電站位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉(xiāng)境內(nèi)的瀾滄江上游河段，是瀾滄江上游梯級開發(fā)中的第3級電站。電站總裝機容量為420 MW，裝有3臺單機容量為140 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組。水輪機型號為ZZ(460)-LJ-740，發(fā)電機型號為SF140-56/12000。最大設計水頭41.2 m，額定水頭34.0 m，最小水頭28.9 m，設計最大流量455.17 m3/s，年設計發(fā)電量15.79億kW·h。2018年10月31日首臺機組投入商業(yè)運行，2019年4月30日最后一臺機組投入商業(yè)運行。

2018年10月13日，首臺機組啟動試運行。在調(diào)速器事故配壓閥動作停機試驗過程中，當機組轉(zhuǎn)速降低20%額定轉(zhuǎn)速時，頂蓋水位迅速上升，水淹水導軸承。檢查發(fā)現(xiàn)頂蓋排水泵空轉(zhuǎn)，不能正常抽水。經(jīng)過對水淹水導軸承原因分析，制定解決方案，通過改造，未發(fā)生水淹導軸承事件。

2 原因分析

2.1 水輪機主軸密封結(jié)構方面

（1）水輪機工作密封水壓力突然減小，可造成主軸密封漏水量增大。

里底電站水輪機主軸密封裝置布置在水導軸承下方，主要由工作密封和檢修密封組成。工作密封采用端面水壓密封結(jié)構，工作密封主要由轉(zhuǎn)環(huán)、密封環(huán)等部件構成。轉(zhuǎn)環(huán)安裝在主軸上面，密封環(huán)裝在頂蓋上面，結(jié)構見圖1。密封環(huán)為鋼托結(jié)構。工作密封工作原理是機組運行時，主軸密封壓力水一方面推起密封環(huán)靠近轉(zhuǎn)換密封端面起密封作用，另一方面主軸密封壓力水的通過密封環(huán)孔洞進入轉(zhuǎn)環(huán)的密封端面的分水環(huán)槽中，起一定的潤滑作用[1]。機組停機時壓力水變小，是由于鋼托的重力作用，密封環(huán)回落到原始位置，解決了密封環(huán)緊貼轉(zhuǎn)換只上不下的問題，同時減少了運行中主軸密封壓力水中斷干燒密封環(huán)的風險。因此，從結(jié)構上分析可以得出，當主軸密封水的水壓力剛好滿足推起密封環(huán)向下的重力和密封環(huán)端面密封水向下的合力時，主軸密封受力平衡（見圖2）[1]，機組正常運行。當主軸密封水因主軸密封供水濾器堵塞，致水壓不穩(wěn)定，會引起壓力突然減小，平衡破壞，密封環(huán)受重力作用向下運動，可造成主軸密封水漏水量突然增大。

（2）機組抬機、密封環(huán)發(fā)卡，可造成主軸密封漏水量突然增大。

機組停機過程中，導葉迅速關閉，轉(zhuǎn)輪受到反水錘和水泵升力的共同作用，機組向上的軸向水推力大于機組的轉(zhuǎn)動部分重量，造成機組抬機。正常情況下，轉(zhuǎn)環(huán)、密封環(huán)都會隨機組抬機向上運動。但因轉(zhuǎn)環(huán)隨機組向上的加速度比主軸密封水壓力推動密封環(huán)的加速度大，或因泥沙含量大致使密封環(huán)發(fā)卡，又遇到機組抬機，轉(zhuǎn)環(huán)與密封環(huán)間隙將會增大，可造成主軸密封水漏水量突然增大。

圖1 主軸密封結(jié)構

圖2 主軸密封受力簡圖

2.2 頂蓋排水系統(tǒng)方面

里底電站水輪機頂蓋排水系統(tǒng)主要有2臺富蘭克林無密封自吸泵，型號為80WFB-6A1；2臺賽萊默不銹鋼潛水泵，型號為3S27185。自吸泵布置在頂蓋內(nèi)，高程為1 771.89 mm。潛水泵布置在支持蓋內(nèi)，高程為1 768.065 mm。2臺自吸泵出水管分別通過Φ89 mm不銹鋼管獨立排至頂蓋排水總管，2臺潛水泵出水管共用1根Φ89 mm不銹鋼管排至頂蓋排水總管，頂蓋排水總管將水排至油污水集水井。正常情況下，水位上升到380 mm時，頂蓋內(nèi)1臺自吸泵和2臺潛水泵啟動工作。水位上升到1 100 mm時，備用自吸泵啟動工作。當水位降低到75 mm時，自吸泵和潛水泵均停止工作。頂蓋水位達到1 300 mm，機組LCU報警。排水泵水位信號設定值見圖3。

圖3 排水泵原水位信號設定值

自吸泵是不需在吸入管路內(nèi)充滿水就能把水抽上來的一種離心泵。泵運轉(zhuǎn)前，泵腔內(nèi)存有一定量的液體和氣體。當泵啟動后，由于葉輪的旋轉(zhuǎn)作用，使管路的空氣和液體充分混合，并排到氣液分離室，氣液分離室上部的氣體溢出，下部液體返回葉輪，重新和吸入管路的剩余氣體混合，直到把自吸泵管路內(nèi)氣體全部排盡，完成自吸，使自吸泵進入正常工作狀態(tài)。根據(jù)水泵的工作原理，頂蓋排水泵空轉(zhuǎn)，不能正常抽水的問題，最有可能的原因是水泵進水管的管口潛水深度不夠，離水面太近。對其原因分析如下。

（1）自吸泵進口浸水深度降低，排水可靠性降低。檢查發(fā)現(xiàn)自吸泵進水管管口高程偏高，與設計圖紙要求不符。為了保護水泵，在自吸泵的進口增加了過濾器裝置，過濾裝置見圖4。由于設計未考慮到過濾裝置，排水泵啟、停泵水位未做相應修改，致使自吸泵進口浸水深度不夠，抽水可靠性降低。自吸泵安裝后實際浸水深度為100 mm，而設計圖紙要求自吸泵浸水深度至少200 mm。

圖4 自吸泵進水口過濾器

（2）自吸泵排水管存在虹吸現(xiàn)象，頂蓋水位繼續(xù)降低，自吸泵進口進氣，降低泵抽水的可靠性。排水泵啟停水位值重新設置后，發(fā)現(xiàn)頂蓋排水系統(tǒng)抽水至310 mm左右，自吸泵及潛水泵均停止工作，頂蓋內(nèi)水位會繼續(xù)下降，下降高度距檢修密封座約為150 mm。初步分析是自吸泵停止工作的瞬間，泵腔內(nèi)壓力突然消失，因泵的出口管路高程低于頂蓋排水總管高程，泵出口管路中的水會在慣性和重力作用下繼續(xù)向前移動，管路出現(xiàn)真空，自吸泵管路瞬間存在虹吸現(xiàn)象，頂蓋水位降低。自吸泵濾水器露出水面，進水口進氣，泵再次啟動后，排氣時間延長，降低泵抽水的可靠性。

3 解決方案

針對上述原因分析，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，重新調(diào)整主軸密封水壓力設定值、排水系統(tǒng)水泵啟停水位設定值、潛水泵進口高程，增加浮球閥等措施。

（1）調(diào)高主軸密封水壓力設定值。將主軸密封水壓力由0.2 MPa設定值調(diào)整為0.3 MPa。在設計技術要求中，主軸密封水壓力值為0.2～0.3 MPa，滿足設計的要求。通過調(diào)高主軸密封水壓力，提高密封環(huán)向上的推力，減小了主軸密封漏水量。

（2）調(diào)整頂蓋排水系統(tǒng)水泵啟停水位設定值。將停泵水位75 mm調(diào)整至310 mm。啟泵水位380 mm調(diào)整至500 mm。提高了啟停泵水位，避免了虹吸現(xiàn)象。

（3）排水管增設不銹鋼底閥，確保自吸泵充水排氣。在自吸泵管路進水口處設置一套不銹鋼底閥，當頂蓋排水系統(tǒng)停止工作，底閥關閉，自吸泵進水管路充水，具備下一次啟動排氣的準備條件。當排水系統(tǒng)啟動，自吸泵排氣抽水，底閥打開，進水管路進水。

（4）調(diào)高潛水泵進水管口高程。為確保自吸泵正常工作，調(diào)高潛水泵安裝高程，距檢修密封座距離300 mm，比自吸泵管路進水口高度略高。當泵啟動后，支持蓋內(nèi)的存水量滿足自吸泵正常要求，首先開始排水，然后潛水泵工作。

（5）增加浮球式透氣閥，破壞自吸泵排水管虹吸條件。在自吸泵出口增設一套浮球式透氣閥，破壞自吸泵排水管路中的真空度。當排水系統(tǒng)停止工作，透氣閥打開，空氣進入自吸泵出水管，破壞自吸泵產(chǎn)生虹吸的條件。當排水系統(tǒng)啟動，透氣閥關閉。

4 結(jié)語

通過以上方案改造后，里底電站3臺機頂蓋排水系統(tǒng)運行正常，未再發(fā)生水淹導軸承的事件。實踐證明，里底電站水淹導軸承快速原因查找的工作思路及方案處理是可行的，這可為國內(nèi)軸流轉(zhuǎn)槳式機組主軸密封及排水系統(tǒng)的設計、安裝、運維檢提供借鑒。