水輪發(fā)電機(jī)組推力瓦溫偏高原因分析及處理

王祖飛

(國網(wǎng)浙江省電力公司 緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000)

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水輪發(fā)電機(jī)組推力瓦溫偏高原因分析及處理

王祖飛

(國網(wǎng)浙江省電力公司 緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000)

對某電廠6#水輪發(fā)電機(jī)組推力瓦溫偏高的原因進(jìn)行分析，指出水輪機(jī)頂蓋下壓力增大造成推力瓦溫偏高，同時給出了減壓的解決方案，并于2013年12月在B修期間付諸實(shí)施，通過現(xiàn)場實(shí)際工況數(shù)據(jù)綜合分析，證明處理方案的可行，保證了機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

水輪發(fā)電機(jī)；推力瓦；瓦溫分析；減壓處理

1 設(shè)備概況

某電廠總裝機(jī)容量300 MW(6臺×50 MW)，立式水輪發(fā)電機(jī)組，其水輪機(jī)型號為HL220-LJ-300，發(fā)電機(jī)型號SF-K50-30/6400，制造商為杭州發(fā)電設(shè)備廠，機(jī)組先后于1987-1988年投產(chǎn)。于2006年12月和2013年4月分別對5#及6#機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)容改造，水輪發(fā)電機(jī)組出力增加10%，制造商為哈爾濱電機(jī)廠。更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、接力器，及發(fā)電機(jī)定子鐵芯、線棒。水輪機(jī)型號為HLA835-LJ-305，水導(dǎo)軸承形式為水潤滑筒式橡膠瓦軸承，主軸密封型式為單層平板橡膠密封，補(bǔ)氣裝置形式為頂蓋補(bǔ)氣、軸心孔補(bǔ)氣、尾水管十字架補(bǔ)氣。發(fā)電機(jī)型號為SF-K55-30/6400，彈性金屬塑料推力瓦，推力軸承負(fù)載450噸力，推力瓦單位壓力2.917 MPa；推力瓦溫正常范圍5～50 ℃，事故溫度60 ℃；推力油槽正常油溫5～45 ℃，事故溫度50 ℃；油冷卻器水壓正常范圍0.15～0.2 MPa。

2 推力瓦溫偏高情況

2013年4月8日6#機(jī)組改造后投運(yùn)，將5#與6#機(jī)組改造前后的情況進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，6#機(jī)組改造后推力瓦溫高出8～9 ℃，推力油槽熱油油溫高出7～8 ℃，上導(dǎo)瓦溫高出5～6 ℃，下導(dǎo)瓦溫高出3～4 ℃，而5#機(jī)組改造前后各瓦溫、油溫沒有變化。雖然6#機(jī)組各瓦溫、油溫在允許運(yùn)行的范圍內(nèi)，但從改造前后及與其他相同工況下的機(jī)組相比，明顯出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象，長期運(yùn)行會影響機(jī)組的動態(tài)穩(wěn)定性和設(shè)備壽命。表1為5#及6#機(jī)組改造前后各部瓦溫、推力油槽油溫的情況。

表1 5#及6#機(jī)組改造前后各部瓦溫、推力油槽油溫情況 ℃

3 原因分析

推力軸承承受整個機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量和包括水輪機(jī)不平衡水推力在內(nèi)的組合載荷。推力軸承主要由推力頭、鏡板、推力瓦、抗重螺拴、油槽、冷卻裝置等組成。推力瓦瓦溫主要取決于機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量、軸向水推力、冷卻效果、以及動態(tài)穩(wěn)定性情況。

1)轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量情況

6#機(jī)組改造前后轉(zhuǎn)動慣量沒有變化，因此，機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量不會引起推力瓦瓦溫改變。

2)冷卻效果情況

6#機(jī)組改造前后油槽、冷卻裝置沒有改變。冷卻介質(zhì)為透平油，滿足要求。油冷器冷卻水正常，水壓為0.2 MPa，水流量正常。

3)動態(tài)穩(wěn)定性情況

6#機(jī)組改造前后各導(dǎo)軸承擺度正常，頂蓋水平振動變化不大，垂直振動增大明顯，在0.25 mm左右。運(yùn)行抬機(jī)量增大-0.8 mm，水導(dǎo)潤滑水壓增大0.1 MPa。如果機(jī)組軸向水推力發(fā)生變化，那么勢必引起頂蓋垂直振動、運(yùn)行抬機(jī)量、水導(dǎo)潤滑水壓變化，但反之未必成立。表2為6#機(jī)組改造前后各部擺度、振動的情況。

表2 6#機(jī)組改造前后各部擺度、振動情況 mm

4)軸向水推力情況

根據(jù)混流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)情況可知，頂蓋下壓力升高會造成機(jī)組軸向水推力增大，這也是由立式水輪發(fā)電機(jī)組本身的特點(diǎn)決定的?，F(xiàn)對影響頂蓋下壓力的情況作分析。

①帶不同負(fù)荷的頂蓋下壓力。6#機(jī)組改造后，帶額定負(fù)荷的頂蓋下壓力相對5#機(jī)組及其他機(jī)組明顯偏高，其中頂蓋下迷宮后壓力增大0.13 MPa，頂蓋下水導(dǎo)軸承旁壓力增大0.13 MPa。表3 為5#及6#機(jī)組改造后帶額定負(fù)荷的頂蓋下各部壓力的情況。在帶不同負(fù)荷時發(fā)現(xiàn)頂蓋下壓力隨負(fù)荷增加而升高，改造前沒有這種現(xiàn)象。由于頂蓋下壓力上升，造成推力軸承載荷增加，帶負(fù)荷試驗(yàn)推力瓦溫為38.5～39.7 ℃，改造前同期為32.0～33.5 ℃，其他機(jī)組的推力瓦溫為32.5～34.4 ℃。負(fù)荷對應(yīng)壓力如表4。

表3 5#及6#機(jī)組改造后帶額定負(fù)荷的頂蓋下各部壓力 MPa

②調(diào)相管與尾水管十字架補(bǔ)氣管連通時的頂蓋下壓力。為了減小頂蓋下壓力，將頂蓋調(diào)相管與尾水管十字架補(bǔ)氣管用閥門連通，運(yùn)行中連通閥門全開，頂蓋壓力有所下降，但仍較高。減壓效果如表5所示。

表4 6#機(jī)不同負(fù)荷對應(yīng)的頂蓋下壓力 MPa

表5 6#機(jī)連通頂蓋與尾水管十字架補(bǔ)氣管后不同負(fù)荷的對應(yīng)頂蓋下壓力 MPa

③轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)不同時的頂蓋下壓力。從轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行分析如下，原6#機(jī)組、改造5#機(jī)組、改造6#機(jī)組轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 原6#機(jī)組、改造后5#機(jī)組、改造后6#機(jī)組轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)形式對比圖

原6#機(jī)組轉(zhuǎn)輪上冠葉片出水邊較短，泄水孔布置在上冠葉片出水邊位置，泄水通道面積大，排水順暢，頂蓋減壓效果甚佳。泄水通道與補(bǔ)氣通道相分離。

相對于原6#機(jī)組，改造后的5#機(jī)組轉(zhuǎn)輪上冠葉片出水邊較長，泄水錐內(nèi)泄流通道加長，泄水通道面積減少，頂蓋減壓效果較好。泄水通道與補(bǔ)氣通道相分離。

相對于改造后的5#機(jī)組，改造后的6#機(jī)組轉(zhuǎn)輪上冠葉片出水邊再次加長，泄水錐內(nèi)通道再次加長，且泄水錐末端出口偏小，導(dǎo)致泄流量小。由于結(jié)構(gòu)空間限制，泄水通道與補(bǔ)氣通道均布置在泄水錐出口位置，導(dǎo)致泄水通道的水流和通過補(bǔ)氣閥的氣流交匯，在泄水錐出口形成一定的阻力，進(jìn)而導(dǎo)致頂蓋減壓效果不明顯；轉(zhuǎn)輪泄壓孔為徑向孔，沒有與旋轉(zhuǎn)方向形成斜度，沒有形成使頂蓋水流下排的水泵效應(yīng)，且泄水錐內(nèi)通道的再次加長，導(dǎo)致泄水錐內(nèi)的離心水泵效應(yīng)高，抬高了頂蓋壓力。

從上述分析可知：6#機(jī)組改造后轉(zhuǎn)輪泄水錐相對改造前及5#機(jī)組而言，泄流不暢，導(dǎo)致頂蓋下壓力增大，自然造成軸向水推力增大，使推力瓦溫升高；同時，也造成頂蓋垂直振動加劇、運(yùn)行抬機(jī)量增大、水導(dǎo)潤滑水壓過高、水輪機(jī)主軸密封磨損加快等影響。[1]

4 處理方案及效果檢查

4.1 處理方案

基于上述對推力瓦溫升高的原因分析，現(xiàn)從泄水錐增加泄流量和加大頂蓋下排壓考慮，提出以下方案進(jìn)行頂蓋下減壓處理。

減壓處理步驟1：截短泄水錐，增加泄水面積；加長補(bǔ)氣導(dǎo)流罩，實(shí)現(xiàn)水氣分離。如圖2所示。

圖2 減壓處理步驟1(截短泄水錐，在原泄水錐位置增加圓筒形導(dǎo)流罩)

減壓處理步驟2：在泄水腔內(nèi)增設(shè)排水螺旋泵體，使其產(chǎn)生排水水泵效應(yīng)，增加泄流量。如圖3所示。

圖3 減壓處理步驟2(上冠內(nèi)增加轉(zhuǎn)輪泄壓泵)

減壓處理步驟3：在內(nèi)頂蓋垂直對稱增設(shè)4個排壓口，與原2個調(diào)相口合成環(huán)路，沿機(jī)坑外壁匯成一個總管與蝸殼排水管相連接，使頂蓋產(chǎn)生排壓效應(yīng)。如圖4所示。

減壓處理后，上冠內(nèi)流體經(jīng)過泄流孔后直接進(jìn)入導(dǎo)流槽，并沿導(dǎo)流槽向下游泄水錐出口方向流動，不會在上冠內(nèi)形成繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的相對流動。在上冠內(nèi)增加泄壓泵后，有效地將上冠內(nèi)流體導(dǎo)入下游，起到了疏導(dǎo)排水的作用。增加4個內(nèi)頂蓋排壓口，使頂蓋下壓力通過6個排壓口加大釋放。

圖4 減壓處理步驟3(頂蓋排壓環(huán)管與蝸殼排水管連通)

減壓處理前后的數(shù)值計算效率及出力偏差為0.1%～0.2%，說明對轉(zhuǎn)輪的效率、出力等主要水力性能影響很小。同時，由于導(dǎo)葉轉(zhuǎn)輪區(qū)的流場流態(tài)、表面壓力等變化很小，因此，也不會影響水輪機(jī)的穩(wěn)定性、空化性能。[2]

4.2 效果檢查

2013年12月6#機(jī)通過B修將處理方案付諸實(shí)施，并對機(jī)組狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行頂蓋下減壓處理后的效果檢查。

1)頂蓋下壓力情況。經(jīng)過減壓處理，在各個水頭下，頂蓋下迷宮后測點(diǎn)壓力下降了0.03～0.1 MPa，頂蓋下水導(dǎo)軸承旁測點(diǎn)壓力下降了0.02～0.09 MPa，頂蓋下迷宮后測點(diǎn)壓力降低到0.12～0.19 MPa，頂蓋下水導(dǎo)軸承旁測點(diǎn)壓力降低到0.16～0.20 MPa。在額定出力或大于額定出力的工況下壓力下降最明顯。

2)推力、導(dǎo)軸承瓦溫情況。長時間運(yùn)行推力軸承瓦溫在31 ℃左右，最高溫度較處理前下降約9 ℃；冷油溫度25.8 ℃，較檢修前下降8 ℃；熱油溫度26.1 ℃，較處理前下降8.2 ℃。上導(dǎo)軸承瓦溫較處理前有普遍下降，下降幅度在4～8 ℃；下導(dǎo)軸承瓦溫較處理前有普遍下降，下降幅度在8 ℃左右。

3)機(jī)組狀態(tài)情況。各導(dǎo)軸承擺度正常，頂蓋水平振動在0.005 mm左右，垂直振動在0.008 mm左右，運(yùn)行抬機(jī)量穩(wěn)定在-0.5 mm左右，水導(dǎo)潤滑水壓穩(wěn)定在0.2 MPa左右，基本恢復(fù)6#機(jī)組改造前的狀態(tài)。表6為6#機(jī)組減壓處理前后水導(dǎo)水壓、運(yùn)行抬機(jī)量情況。

表6 6#機(jī)組減壓處理前后水導(dǎo)水壓、運(yùn)行抬機(jī)量情況

綜上所述，6#機(jī)通過B修實(shí)施頂蓋減壓處理方案后，解決了2013年4月6#機(jī)組改造后的主要遺留問題：頂蓋下水壓過高，造成推力軸承瓦溫、油溫升高。隨著頂蓋下壓力過高這一根本問題的解決，機(jī)組各部軸瓦運(yùn)行溫度過高、抬機(jī)量過大、水導(dǎo)運(yùn)行水壓過高所伴生的問題也隨之消除。目前，6#機(jī)運(yùn)行工況與其他機(jī)組已基本相同。

5 結(jié)論

通過分析，我們認(rèn)為推力瓦溫升高的主要原因是，頂蓋壓力過高引起。經(jīng)過頂蓋下減壓處理方案的實(shí)施，有效確保6#機(jī)組在正常工況下安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。隨著其他4臺機(jī)組擴(kuò)容改造的陸續(xù)進(jìn)行，可以進(jìn)一步驗(yàn)證該方案的有效性和可行性。

[1] 袁蕊，田子勤．水輪機(jī)檢修[M]．北京：中國電力出版社，2004.

[2] 陳錫芳．水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行監(jiān)測與維修[M]．北京：中國水利水電出版社，2008.

Cause Analysis of the High Temperature of the Thrust Pad of the Hydro-Generator Unit and Relevant Solutions

WANG Zufei

(Jinshuitan Hydroelectric Power Plant of State Grid Zhejiang Electric Power Company，Lishui Zhejiang 323000，P.R.China)

This paper analyzes the causes of the high temperature of the thrust pad of the 6# hydro-generator unit of a power plant．It points out that the high temperature was caused by the increased pressure under the header of the hydro-turbine as well as giving relevant solutions which were carried out during the B-level maintenance in December of 2013．The data analysis of its working condition has proved the feasibility of the solutions which can also ensure the secure and economical operation of the unit．

hydro-generator；thrust pad；analysis of the temperature of the thrust pad；pressure reduction

2016-03-31

王祖飛(1968-)，工程師，主要從事水電站運(yùn)維管理工作。

TV738

A

1008- 8032(2016)05- 0050- 05