金窩電站水導(dǎo)軸承燒瓦、燒軸事故原因淺析

王志勇，王 勇

（四川川投田灣河開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

1 概述

四川川投田灣河開發(fā)有限責(zé)任公司是亞洲沖擊式機(jī)組裝機(jī)容量最大的水電站，總裝機(jī)容量760MW。梯級電站按“一庫三級”進(jìn)行梯級開發(fā)，自上而下依次為仁宗海水庫電站、金窩水電站、大發(fā)水電站。前兩級電站主機(jī)設(shè)備由東方電機(jī)廠設(shè)計(jì)制造生產(chǎn)，大發(fā)電站由哈爾濱電機(jī)廠設(shè)計(jì)制造生產(chǎn)。

金窩電站裝有國內(nèi)單機(jī)容量最大的沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，容量為140 MW。水輪機(jī)型號為CJ610-L-263/6×24，發(fā)電機(jī)型號為SF140-16/5800，設(shè)計(jì)水頭H=595 m，設(shè)計(jì)流量Q=27 m/s，額定轉(zhuǎn)速n=375 r/min。水輪機(jī)導(dǎo)水系統(tǒng)采用六噴六折結(jié)構(gòu)控制，水導(dǎo)軸承采用自潤滑筒式瓦，瓦面為巴氏合金。

由于金窩、仁宗海電站水導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)為筒式瓦，它不能自調(diào)節(jié)與振動(dòng)較大軸系的充分接觸，所以筒式瓦面局部位置存在受力過大的燒瓦現(xiàn)象，瓦隙隨之逐年增加，機(jī)組振擺度加大。在2015年8月，金窩電站1號機(jī)組在切換負(fù)荷過程中，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)傳出巨大而沉悶的金屬刮蹭聲音，當(dāng)機(jī)組帶90 MW負(fù)荷以上時(shí)，水車室發(fā)出尖銳的補(bǔ)氣鳴叫音，隨后停機(jī)進(jìn)行檢查。

2 故障前機(jī)組運(yùn)行工況

在2015年8月27日09：29前，機(jī)組帶負(fù)荷38 MW，1號、4號噴針開度為53%，水導(dǎo)軸承X向擺度169 um，Y向擺度156 um，X向振動(dòng)6 um，Y向振動(dòng)6 um，Z向振動(dòng)5 um，水導(dǎo)1號瓦溫48.44℃，2號瓦溫48.16℃，油溫43.72℃，水導(dǎo)及各導(dǎo)軸承振擺、瓦溫運(yùn)行工況一切正常。

3 故障經(jīng)過

1）在 2015 年 8 月 27 日 09：31 至 11：35，機(jī)組在切換負(fù)荷過程中，10次報(bào)5號噴針小波動(dòng)隨動(dòng)故障動(dòng)作；

2）機(jī)組出現(xiàn)不對稱運(yùn)行次數(shù)2次，一次是在2015年 8月 27 日 09：48至 09：52，1號噴針開度42%，4號噴針開度37%，5號噴針開度100%，另一次是在2015年8月27日11：27至11：32，1號噴針開度 100%，3號噴針開度 100%，4號噴針開度100%，5號噴針開度從零升至100%后再降到零，6號噴針開度100%；

3）從 2015 年 8 月 27 日 09：31 至 16：20，水導(dǎo)軸承1號瓦溫維持在48.44℃左右運(yùn)行，2號瓦溫從48.16℃升至66.88℃，水導(dǎo)軸承出現(xiàn)單邊受力過大現(xiàn)象；

4）從 2015 年 8 月 27 日 09：38 至 19：30，水導(dǎo)軸承X向振動(dòng)從6 um升至212 um，Y向振動(dòng)從6 um升至327 um，Z向振動(dòng)從5 um升至27 um，振動(dòng)值大幅度增加，詳見圖1《機(jī)組振擺趨勢圖》；

5）從 2015年8月27日23：30至 8月 30日 23:00，水導(dǎo)軸承X向擺度從169 um升至520 um，Y向擺度從156 um升至426 um，擺度值大幅度增加，詳見圖1。

圖1 機(jī)組振擺趨勢圖

4 檢查處理情況

在調(diào)取機(jī)組《調(diào)速器故障一覽表》、《調(diào)速器狀態(tài)一覽表》、《噴針開度歷史曲線》、《機(jī)組振擺趨勢圖》、《機(jī)組瓦溫趨勢圖》及溫度運(yùn)行日志等多項(xiàng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在機(jī)組轉(zhuǎn)輪室內(nèi)傳出巨大而沉悶的金屬刮蹭聲過程中，機(jī)組振擺、瓦溫值發(fā)生了急劇上升變化，機(jī)組帶90 MW負(fù)荷以上時(shí)，水車室還發(fā)出尖銳的補(bǔ)氣鳴叫音，隨后停機(jī)進(jìn)行檢查處理。

1）更換調(diào)速器比例伺服閥后，5號噴針開關(guān)正常，不再報(bào)噴針小波動(dòng)隨動(dòng)故障；

2）發(fā)現(xiàn)擋水桶與轉(zhuǎn)輪縫隙之間充滿融化的金屬鐵渣，大約50 kg，將鐵渣清除，詳見圖2；

3）用工業(yè)內(nèi)窺鏡檢查擋水桶與大軸法蘭整圈間隙，通過拍攝視頻能看見上端轉(zhuǎn)輪連接螺母，因此判斷大軸法蘭磨損為整體貫通，詳見圖3；

4）水輪機(jī)大軸下法蘭與擋水桶設(shè)計(jì)單邊間隙為2.5 mm，實(shí)測值30 mm，200 mm厚的大軸下法蘭整體磨損28 mm，法蘭外沿磨損至與轉(zhuǎn)輪聯(lián)接螺母齊平，大軸法蘭強(qiáng)度大大降低，可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪聯(lián)接螺栓松動(dòng)的重大安全風(fēng)險(xiǎn)。

5）水輪機(jī)大軸下法蘭與轉(zhuǎn)輪接觸面減少，摩擦力降下，轉(zhuǎn)輪在強(qiáng)大的水力沖擊下，很可能發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)。

6）由于擋水桶與水輪機(jī)大軸下法蘭間隙加大，補(bǔ)氣量隨之增加，機(jī)組在帶90 MW負(fù)荷以上時(shí)，高流速的補(bǔ)氣量在通過水導(dǎo)油槽梳齒密封蓋與主軸狹窄的縫隙時(shí)，發(fā)出尖銳的補(bǔ)氣鳴叫音。

7）由于轉(zhuǎn)輪室補(bǔ)氣量加大，水導(dǎo)油槽的油霧被吸入尾水，油位隨之下降，需定時(shí)補(bǔ)油維持機(jī)組正常運(yùn)行。

8）水導(dǎo)油槽內(nèi)有巴氏合金瓦屑塊，因此判斷有燒瓦現(xiàn)象，測量水導(dǎo)瓦總間隙為0.65 mm，對比歷史數(shù)據(jù)瓦隙增大0.15 mm。

9）清除瓦渣，排除污油，加注新油，經(jīng)啟動(dòng)試運(yùn)行，機(jī)組各軸承瓦溫，振擺度基本恢復(fù)正常。

圖2 水輪機(jī)大軸與擋水桶刮蹭磨出的鐵渣

圖3 磨損后的水輪機(jī)大軸下法蘭

5 原因分析

（1）直接原因

機(jī)組在切換負(fù)荷過程中，調(diào)速器報(bào)5號噴針小波動(dòng)隨動(dòng)故障動(dòng)作，5號噴針開度不受給定負(fù)荷控制，造成調(diào)速器噴針不對稱運(yùn)行，強(qiáng)大的不平衡水力使水導(dǎo)軸承2號瓦方向受力過大而燒瓦。當(dāng)瓦隙增大后，就發(fā)生了水輪機(jī)大軸下法蘭與擋水桶內(nèi)壁相互刮蹭而燒軸。

（2）間接原因

1）水導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)為筒式瓦結(jié)構(gòu)，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，瓦隙逐年加大，水導(dǎo)軸承不能承受主軸傳來的徑向負(fù)荷而使機(jī)組振擺在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)運(yùn)行。

2）擋水筒與水輪機(jī)大軸下法蘭設(shè)計(jì)間隙為2.5 mm，設(shè)計(jì)值偏小，在除去加工誤差和安裝偏差后，實(shí)測值只有1.5 mm左右。當(dāng)機(jī)組在低負(fù)荷單噴針運(yùn)行或調(diào)整負(fù)荷不對稱運(yùn)行時(shí)，極易發(fā)生接觸刮蹭，而燒軸。

6 防范措施

1）盡量定期安排對水輪機(jī)大軸及轉(zhuǎn)輪進(jìn)行檢查；

2）機(jī)組盡量避免在低負(fù)荷和高負(fù)荷下運(yùn)行，所帶負(fù)荷在90 MW以下，采用三噴針或四噴針方式運(yùn)行；

3）杜絕機(jī)組噴針不對稱運(yùn)行，或開度大小不一致不對稱運(yùn)行；

4）加強(qiáng)機(jī)組振擺度、瓦溫及水導(dǎo)軸承油位等運(yùn)行工況參數(shù)的監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)停機(jī)；

5）盡快聯(lián)系東電廠家修復(fù)或購買水輪機(jī)大軸和擋水桶；

6）聯(lián)系廠家是否可以將水輪機(jī)大軸下法蘭與擋水桶間隙從設(shè)計(jì)值2.5 mm放大至4 mm；

7）將水導(dǎo)軸承筒式瓦技改為楔板式分塊瓦，并在2016年汛前及時(shí)安排大修技術(shù)改造。

7 大修技術(shù)改造效果

（1）將循環(huán)水池與備用水池之間隔墻開鑿一個(gè)直徑1 000 mm的圓洞，使尾水與循環(huán)水池相貫通。當(dāng)技術(shù)供水泵啟動(dòng)向機(jī)組供水后，轉(zhuǎn)輪室的低溫水源源不斷的補(bǔ)入循環(huán)水池，致使機(jī)組供水總管水溫下降9℃，機(jī)組各導(dǎo)軸承瓦溫相應(yīng)下降6℃，上導(dǎo)軸承瓦溫一直偏高問題得以解決。

（2）擋水桶與水輪機(jī)大軸下法蘭單邊間隙從2.5 mm加大至4 mm，機(jī)組盤車旋轉(zhuǎn)時(shí)，不再出現(xiàn)掛靠現(xiàn)象。機(jī)組在單噴針或切換負(fù)荷不對稱運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)水輪機(jī)大軸下法蘭與擋水桶刮蹭的風(fēng)險(xiǎn)大大降低，燒軸問題得以根治。適當(dāng)加大的間隙，并沒有使補(bǔ)氣量加大，水車室補(bǔ)氣鳴叫音消失，水導(dǎo)軸承油位不再下降。

（3）將水導(dǎo)軸承筒式瓦技改為楔板式分塊瓦后，安裝、調(diào)整和檢修更為方便。分塊瓦可以根據(jù)軸系找擺情況，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)對每塊瓦的間隙進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而在一定程度上補(bǔ)償因軸系軸線不好帶來的影響。分塊瓦導(dǎo)軸承的每塊瓦可繞支點(diǎn)產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)，因此對運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大的軸系有一定的自適應(yīng)能力，提高了軸承的運(yùn)行的可靠性。機(jī)組大修技改完畢帶滿負(fù)荷試運(yùn)行時(shí)，各導(dǎo)軸承振擺、瓦溫明顯下降，燒瓦問題得以根治。

（4）將水導(dǎo)軸承油溫度計(jì)、油混水信號器、液位傳感器等自動(dòng)化元件由原先的投入式技改為插入式結(jié)構(gòu)，將其從油槽內(nèi)移出安裝在油槽蓋上。當(dāng)自動(dòng)化元件本體出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)組在不停機(jī)態(tài)下也可以進(jìn)行更換處理，提高了機(jī)組的運(yùn)行可靠性，水導(dǎo)軸承自動(dòng)化元件技改安裝圖詳見圖4。

（5）由于原設(shè)計(jì)將水導(dǎo)軸承液位浮子信號器安裝在靠近軸領(lǐng)側(cè)，當(dāng)機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)，透平油受離心力作用向外甩，造成內(nèi)側(cè)油位極低，浮球落入底部而不能顯示油位。大修時(shí)將液位浮子信號器移至安裝在油槽蓋外側(cè)，垂直位置在冷卻器頂部。在軸承支架其中一個(gè)翻油孔周向相隔120°位置焊接3根導(dǎo)向滑塊，將浮球放入其中，然后加大浮球直徑，減小浮球沉入透平油的深度，使其油位在發(fā)生較大變化時(shí)，也不與冷卻器頂部接觸，能正確顯示油位變化，解決了水導(dǎo)軸承一直以來無油位顯示的問題。

8 結(jié)語

由于大型的沖擊式機(jī)組在我國裝機(jī)數(shù)量還很少，金窩電站的燒瓦、燒軸現(xiàn)象，在同類型機(jī)組的鴨嘴河電站也同樣發(fā)生過，此類機(jī)型存在共同設(shè)計(jì)缺陷。通過金窩電站成功的大修技術(shù)改造得出如下結(jié)論：對高水頭、高轉(zhuǎn)速的沖擊式機(jī)組，由于自身存在水力不平衡，機(jī)組振擺度比其它機(jī)型偏大，所以水導(dǎo)軸承不宜采用兩瓣組合式的剛性筒式瓦，最佳選擇是楔板式的偏心非同心分塊瓦，它可以很好地適應(yīng)振擺度較大的軸系；其次，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件的最小間隙值時(shí)，特別是在遠(yuǎn)離導(dǎo)軸承的部位，應(yīng)充分考慮設(shè)備制造偏差、設(shè)備安裝誤差、軸線垂直度和瓦隙大小等各項(xiàng)數(shù)據(jù)累積差值，不宜設(shè)計(jì)過小，以防發(fā)生刮蹭而燒瓦、燒軸。

[1]GB/T 8564-2003水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范[S].

[2]DL/T817-2002立式水輪發(fā)電機(jī)檢修技術(shù)規(guī)程[S].

[3]林亞一.水輪發(fā)電機(jī)組的安裝與檢修[M].北京：中國水利水電出版社，2007.