水輪發(fā)電機軸承甩油原因分析及處理

史恩澤，陸 波

(國網(wǎng)東北分部綠源水力發(fā)電公司太平灣發(fā)電廠，遼寧 丹東 118000)

1 概況

某電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣鴨綠江流域，距丹東市82 km，距寬甸滿族自治縣48 km。廠區(qū)內(nèi)有兩座引水式地面廠房，其中A 站廠房內(nèi)安裝1，2 號水輪發(fā)電機組，單機容量75 MW，1989 年兩臺機組相繼投產(chǎn)發(fā)電;B 站廠房內(nèi)安裝3，4 號水輪發(fā)電機組，單機容量100 MW，2014 年兩臺機組相繼投產(chǎn)發(fā)電。

2 問題簡述

B 站廠房內(nèi)的3，4 號機組在投產(chǎn)發(fā)電不足兩年時間后，其水輪發(fā)電機的推力軸承和下導(dǎo)軸承就開始出現(xiàn)甩油問題。2018 年10 月以后，甩油問題開始加重，尤其是推力軸承，油霧從油擋的密封齒與轉(zhuǎn)動部件的縫隙逸出，在發(fā)電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)鼓風作用下，吹入定子、轉(zhuǎn)子、機架、油槽和水車室等部件的表面。推力頭與推力油擋的密封齒之間的間隙由安裝時幾乎為0，到2019 年4 月測量時間隙呈不均勻狀態(tài)，最大的部位達到0.30 mm，個別部位無間隙。油擋的密封齒與轉(zhuǎn)動部件接觸部位磨損嚴重，推力頭外緣和下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子與密封齒的接觸部位普遍被研磨出0.5 ～1 mm 深的溝痕。

3 軸承甩油的原因分析

3.1 水輪發(fā)電機軸承的密封結(jié)構(gòu)形式

B 站廠房內(nèi)的3，4 號機組：水輪發(fā)電機型號為SF100-40/9200，額定轉(zhuǎn)速150 r/min，設(shè)有上導(dǎo)、下導(dǎo)和推力三部軸承，推力軸承安裝在轉(zhuǎn)子下方。軸承的密封結(jié)構(gòu)形式均為接觸式密封油擋。推力軸承的油擋密封齒為上下腔結(jié)構(gòu)，上下腔各設(shè)兩個擋油管，其中上腔的兩個擋油管和下腔的一個擋油管用法蘭封堵，下腔的另一個擋油管連接吸油霧裝置。上導(dǎo)軸承和下導(dǎo)軸承的油擋密封齒為單腔結(jié)構(gòu)，各設(shè)兩個擋油管，一個擋油管用法蘭封堵，另一個擋油管連接吸油霧裝置，油霧收集裝置全部安裝在水輪機層地面上，機組運行時自動投入，機組停機時，自動停止。油擋的密封蓋上未設(shè)計呼吸器或油霧分離器。

3.2 軸承甩油的原因分析

3.2.1 油霧產(chǎn)生的原理

(1) 由于透平油使用過程中混入了一定量的水分和空氣，隨著機組運行中油溫度的升高，透平油中的水分產(chǎn)生了汽化現(xiàn)象，汽化時帶走一定量的透平油，從而形成油霧。

(2) 隨著機組的轉(zhuǎn)動，透平油跟隨轉(zhuǎn)動部件(推力軸承的鏡板或?qū)лS承的滑轉(zhuǎn)子)流動，使透平油與機組的動、靜部件產(chǎn)生碰磨，產(chǎn)生大量的泡沫，加大了透平油與空氣的接觸面積，使透平油自身的汽化加劇，形成了大量油霧。機組轉(zhuǎn)速愈大，轉(zhuǎn)動件直徑愈大，產(chǎn)生的汽化效應(yīng)愈強[1]。

(3) 由于受機組運行中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的鼓風作用影響，在推力頭或滑轉(zhuǎn)子內(nèi)下側(cè)至油面之間容易形成局部負壓，這也加劇了透平油的汽化速度，從而形成油霧。

3.2.2 甩油的原因

由于油擋的密封齒與轉(zhuǎn)動部件的摩擦損耗，當磨損量大于彈簧的可調(diào)節(jié)量時，密封齒與轉(zhuǎn)動的結(jié)合部位就產(chǎn)生間隙，間隙越來越大，油霧逸出量也隨之變得更加嚴重。盡管電站設(shè)有吸油霧裝置，但因裝置與油槽距離較遠，且吸油管有多處彎頭，吸油霧效果有限，不僅沒能起到較好的疏導(dǎo)作用，而且由于裝置投入過程中產(chǎn)生的負壓作用，還會加速油槽內(nèi)油霧的產(chǎn)生。油霧在發(fā)電機旋轉(zhuǎn)負壓和油槽內(nèi)油霧膨脹壓力的雙重作用下，沿著油擋密封齒縫隙和油槽密封結(jié)合不良的部位溢出，形成了機組甩油問題[2]。

4 甩油問題的危害及處理方法

4.1 危害

(1) 造成透平油大量損失，油槽內(nèi)需要不斷補充損失的透平油，增加了運行成本，也給日常維護帶來不必要的負擔。

(2) 妨礙油的循環(huán)，造成供油不足，影響散熱；油霧飄落到定子線棒和轉(zhuǎn)子線圈等絕緣部件的表面，會使絕緣阻值降低，可能發(fā)生嚴重的事故。

(3) 透平油外逸導(dǎo)致運行環(huán)境惡化，使機組內(nèi)部地面光滑難行，極易造成運維人員滑倒或磕碰事件，存在導(dǎo)致人身安全受損的風險隱患。

4.2 處理方法

4.2.1 處理方案的論證

針對水電機組甩油的問題，目前的處理方法按原理可劃分為三類。一類是采用阻擋法，即“堵”的方法，在轉(zhuǎn)動部件的結(jié)合部位安裝密封齒或毛氈等，阻止油霧的逸出。二類是采用均壓法，通過自然補氣或強制補氣，破壞機組運行時油槽內(nèi)形成的負壓區(qū)，減少油霧的形成，如密封蓋加裝呼吸器或油霧分離器，推力頭或滑轉(zhuǎn)子再加工通孔等。三類是采用“疏”的方法，即加裝吸油霧裝置，將產(chǎn)生的油霧收集到裝置中，防止發(fā)生油污染[3]。

除上述三種方法之外，在滿足推力軸承和導(dǎo)軸承的安全溫度的情況下，適當降低油位，也可以減輕甩油。

4.2.2 方案確定

根據(jù)水輪發(fā)電機軸承油霧產(chǎn)生的原理及甩油處理方案的論證結(jié)果，考慮到機組的運行條件和現(xiàn)場的實際情況，確定如下處理方案。

(1) 保留原油槽密封蓋、原吸油霧裝置，在其余的擋油管上加裝呼吸器，在推力軸承上加裝三個，下導(dǎo)軸承加裝一個，更換密封齒。

(2) 密封齒的選材。原密封齒在應(yīng)用較短的時間后就產(chǎn)生了較大的磨損，對主軸產(chǎn)生了較大的損害，說明電站安裝時應(yīng)用的接觸式密封存在產(chǎn)品質(zhì)量問題或在安裝過程中存在偏心的問題。推力頭和滑轉(zhuǎn)子的磨損，說明密封齒與轉(zhuǎn)動部件接觸部位滑動摩擦力大，或者密封齒材質(zhì)過于堅硬等?？梢姮F(xiàn)場存在上述環(huán)節(jié)中的一個或多個問題，因此必須做好新密封齒的選材、安裝工作。

密封齒與轉(zhuǎn)動部件接觸越緊密，擋油霧效果越好，但如果接觸過于緊密，會使接觸部位溫度升高，且摩擦損耗大，對主軸和密封都有損害作用。最理想的狀況是密封齒后面的彈簧不受力時，密封齒與主軸接觸處間隙為零，但由于主軸在運行中產(chǎn)生擺度，所以摩擦不可避免。在密封齒的選材上，材料的特性應(yīng)是摩擦系數(shù)小、硬度低且抗磨好、耐高溫，運行中不產(chǎn)生粉塵。

經(jīng)過調(diào)研，最后選擇了哈爾濱仟兆電力有限公司生產(chǎn)的極限間隙密封(專利號：CN101648330A)，該產(chǎn)品使用的密封齒材質(zhì)為一種有機高分子復(fù)合材料[4]，具有上述特點，產(chǎn)品在國內(nèi)許多水電站應(yīng)用，客戶反響較好。

5 處理效果

按照事先制定的處理方案進行處理，該電站的推力密封和下導(dǎo)油擋密封于2019 年6 月改造完成。經(jīng)過近兩年時間的運行，期間又經(jīng)歷了2019 年和2020 年兩個年度的汛期長時間大發(fā)電，風洞、軸承部件表面及附近檢查均未發(fā)現(xiàn)任何油跡，密封齒也未發(fā)現(xiàn)明顯磨損，吸油霧裝置未有大量油吸出；目前機組運行穩(wěn)定，瓦溫正常，這說明該電站水輪發(fā)電機軸承的甩油問題處理是成功的，并且效果良好，消除了設(shè)備隱患，確保了機組的安穩(wěn)運行。

6 下一步建議

6.1 現(xiàn)行改造方案存在的問題

該電站水輪發(fā)電機軸承甩油霧問題處理雖然取得了較好的效果，但受條件限制，仍有一些不足的地方，包括:

(1) 由于現(xiàn)主軸與密封齒結(jié)合的部位磨損較為嚴重，改造方案僅更換密封齒，新密封齒仍與磨損部位重合，影響了密封效果。

(2) 加裝的呼吸器安裝位置在原有擋油管上，擋油管設(shè)置在兩道密封之間，不能及時將油槽內(nèi)油霧平衡掉，影響均壓效果。

6.2 改進建議

(1) 結(jié)合水輪發(fā)電機組B 級及以上檢修時機，對軸承的密封油擋進行整體更換，將密封齒與轉(zhuǎn)動部件磨損的部位錯開，獲得更好的密封效果。

(2) 呼吸器設(shè)計在軸承蓋上，根據(jù)產(chǎn)生的油霧量設(shè)計多個呼吸器，增加補氣效果，更好地平衡油槽內(nèi)油霧產(chǎn)生的壓力，減少油霧的產(chǎn)生。

(3) 在運行一個機組大修周期后，如果吸油霧裝置無油霧吸出，可將吸油霧裝置拆除，這樣不僅可以節(jié)約能源，還可以減輕設(shè)備維護的工作量，使發(fā)電機內(nèi)部騰出更多的空間，便于運維作業(yè)。

7 結(jié)束語

水輪發(fā)電機組軸承的甩油問題是水電站常見問題之一，其治理方法也沒有統(tǒng)一的標準，各個水電站需要根據(jù)水輪發(fā)電機組、軸承結(jié)構(gòu)形式以及運行工況，選擇合適的密封結(jié)構(gòu)。該電站水輪發(fā)電機軸承甩油的治理經(jīng)驗，為水電行業(yè)治理同類問題提供了借鑒。