仙游抽水蓄能電站推力軸瓦磨損原因分析及處理

權(quán) 強(qiáng)，余 睿

（1.陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能有限公司，陜西省鎮(zhèn)安縣 711500；2.福建仙游抽水蓄能有限公司，福建省仙游縣 351267）

0 引言

仙游抽水蓄能電站安裝4臺東方電機(jī)有限公司制造的300MW混流可逆式抽水蓄能機(jī)組，額定水頭430m，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速428.6r/min，發(fā)電電動機(jī)為懸式結(jié)構(gòu)，推力軸承支座與上機(jī)架連接，將軸向受力傳遞基礎(chǔ)，推力油槽采用強(qiáng)迫外循環(huán)冷卻方式，推力軸瓦共12塊式巴士合金瓦。推力軸瓦采用彈簧束支撐結(jié)構(gòu)，在每一塊瓦下按照設(shè)定好的分布規(guī)律布置66個彈簧，瓦塊的高程由加工保證，瓦間負(fù)荷通過彈簧自動均衡調(diào)節(jié)，保證12塊瓦受力均勻，安裝維護(hù)簡單方便。

1 事件概括

2016年7月29日，500kV嶺大Ⅰ路及GISⅠ單元檢修工作全部結(jié)束，陪停檢修的2號機(jī)隨之恢復(fù)備用。向省調(diào)申請2號機(jī)試轉(zhuǎn)，單步開機(jī)至開球閥退風(fēng)閘后發(fā)現(xiàn)機(jī)組無蠕動轉(zhuǎn)速，通常此時的導(dǎo)葉漏水量即可使機(jī)組蠕動，遂電手動開導(dǎo)葉至2.6%，機(jī)組仍無轉(zhuǎn)速，隨即將導(dǎo)葉和球閥全關(guān)，申請機(jī)組隔離檢查。陪停期間2號機(jī)未轉(zhuǎn)動過，在陪停前機(jī)組抽水正常，瓦溫和振擺未出現(xiàn)任何異常。

2 現(xiàn)場檢查

機(jī)組隔離后，檢查風(fēng)閘投退正常，主軸密封供水正常，定轉(zhuǎn)子空氣間隙未見異物，判斷轉(zhuǎn)動與固定部分未發(fā)生接觸阻擋。高壓注油系統(tǒng)運(yùn)行正常，測量高壓油泵啟動后機(jī)組抬機(jī)量正常，交、直流高壓注油泵啟動出口壓力分別約7.2MPa，抬機(jī)量0.06mm。此時通過人工盤車仍無法轉(zhuǎn)動機(jī)組，正常機(jī)組檢修時人工盤車能正常轉(zhuǎn)動。

拆除推力油槽+Y和-Y方向側(cè)蓋板進(jìn)行檢查，檢查發(fā)現(xiàn)1、2、7、8、12號五塊推力瓦靠外緣均有不同程度的損傷，磨損的鎢金均堆積在水泵工況進(jìn)油邊（俯視逆時針進(jìn)油邊），如圖1所示。

圖1 推力瓦外緣磨損Fig.1 Radial edge wear of thrust bearing pads

隨即將所有推力瓦拆出，12塊推力瓦均靠外緣側(cè)磨損，鎢金堆積在水泵工況進(jìn)油邊，刮下鎢金成層狀，寬度約80mm，如圖2所示。由于刮下鎢金成層狀，可判斷是由于推力瓦在低速下拉傷造成。將堆積鎢金撥開，可觀察到抽水工況下推力瓦進(jìn)油邊倒角并未破壞，判斷為抽水工況下由鏡板將上塊推力瓦鎢金刮下帶到下塊推力瓦進(jìn)油邊。

圖2 12塊推力瓦外緣全部磨損Fig.2 Radial edge wear of 12 block thrust bearing pads

3 問題查找及分析

此次事故發(fā)生后，機(jī)組隨即轉(zhuǎn)檢修對推力軸承及其高壓注油系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，同時要求東電廠家對設(shè)計進(jìn)行復(fù)核。

3.1 推力軸瓦設(shè)計復(fù)核

推力軸承采用彈簧束支撐巴氏合金瓦結(jié)構(gòu)及外加泵外循環(huán)潤滑冷卻方式。為了降低推力瓦上下表面溫差和熱變形，進(jìn)而降低推力瓦總體變形和運(yùn)行瓦溫，獲得更好的油膜厚度分布，推力軸承采用雙層瓦結(jié)構(gòu)，在托瓦圓周方向開有冷卻槽。推力軸承設(shè)計參數(shù)見表1。經(jīng)主機(jī)設(shè)備廠家重新復(fù)核計算，機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的軸承性能計算結(jié)果見表2。計算結(jié)果表明，最小油膜厚度0.0694mm，軸承瓦溫小于75℃，彈簧束支撐結(jié)構(gòu)的推力軸承能滿足額定工況的安全運(yùn)行要求。

表1 推力軸承設(shè)計數(shù)據(jù)Tab.1 Thrust bearing design data

表2 推力軸承性能復(fù)核計算結(jié)果Tab.2 The recomputation result of thrust bearing

3.2 軸瓦存在凹變形

仙游抽水蓄能電站推力瓦設(shè)置兩個高壓注油室。機(jī)組靜態(tài)時機(jī)組推力負(fù)荷即為機(jī)組轉(zhuǎn)動部件重量521t，且單瓦供油流量為額定值2.5L/min時。高壓注油系統(tǒng)投入后，瓦最小油膜厚度為0.063mm，位于外徑中部，其油室油壓力為4.15MPa、管路總壓力7.16MPa，油膜厚度及油膜壓力分布示意圖如圖3和圖4所示。

圖3 推力軸瓦油膜厚度云圖（μm）Fig.3 Thickness nephogram of thrust bearing oil film

由表2可看出，機(jī)組穩(wěn)態(tài)正常運(yùn)行時，隨著軸瓦溫度升高，軸瓦受熱后發(fā)生凸變形，導(dǎo)致推力瓦受力不均，軸瓦局部受力過大，從而引起溫度過高甚至出現(xiàn)燒瓦現(xiàn)象[1]。為了降低機(jī)組正常運(yùn)行期間推力軸瓦的凸變形量，在設(shè)計時軸瓦采用微量凹形設(shè)計，以中和軸瓦受熱后的凸變形，以控制機(jī)組運(yùn)行推力瓦受熱后變形量為微量凸變形，這樣冷卻油可順利經(jīng)軸瓦倒角進(jìn)入瓦面冷卻軸瓦，降低機(jī)組運(yùn)行推力瓦溫度。

圖4 推力軸瓦油膜壓力云圖（MPa）Fig.4 Pressure nephogram of thrust bearing oil film

推力瓦采用微量凹形設(shè)計后，隨之帶來問題就是在機(jī)組啟動初期，軸瓦溫度還未升起，軸瓦實(shí)際呈凹變形，即軸瓦邊緣翹起。由圖3和圖4可看出，高壓注油泵啟動后，推力瓦外緣油膜壓力低，油膜厚度最小，在機(jī)組啟動低速運(yùn)行時，若推力瓦高壓注油系統(tǒng)油壓波動或無法正常建壓時，引起軸瓦與鏡板之間油膜不能正常建立，最終造成軸瓦磨損拉傷，推力瓦設(shè)計時考慮不夠全面。

3.3 高壓注油系統(tǒng)

推力軸承高壓油頂起系統(tǒng)原理見圖5。直流高壓注油泵與交流高壓注油泵互為備用。油從油槽內(nèi)引出，經(jīng)過初濾油器供給高壓泵。高壓泵打出的油經(jīng)過精濾油器到高壓環(huán)管。過濾器配有堵塞報警裝置。經(jīng)過高壓環(huán)管的高壓油再經(jīng)節(jié)流器、單向閥分配到各瓦的高壓油孔。安全閥控制系統(tǒng)中的壓力不超過規(guī)定值（20MPa）。當(dāng)系統(tǒng)壓力超過規(guī)定值時，安全閥動作，部分高壓油流向回油管。節(jié)流器使各瓦上的高壓油均衡分配，提高頂起油膜剛度。各瓦前都連有一單向閥，在機(jī)組運(yùn)行和高壓油頂起系統(tǒng)關(guān)閉時，這些單向閥可防止?jié)櫥突亓鳌?/p>

事故發(fā)生后現(xiàn)場檢查，手動啟動高壓注油泵后，系統(tǒng)壓力7.2MPa，檢查系統(tǒng)無泄漏點(diǎn)。檢查12塊推力瓦邊緣出油情況，其中8塊瓦徑向外側(cè)有少量油溢出，4塊瓦徑向外側(cè)無油溢出。將轉(zhuǎn)子頂起距推力瓦約5mm，啟動高壓注油泵后系統(tǒng)壓力為4MPa，觀察每塊推力瓦出油情況基本均勻。檢查12塊推力瓦高壓油進(jìn)口單向閥動作靈活，節(jié)流閥未堵塞；做節(jié)流閥流量試驗(yàn)，目測12個支路流量均勻，對其中12號機(jī)4號節(jié)流閥進(jìn)行測量，結(jié)果分別為2.8L/min和3.1L/min，均大于額定值2.5L/min，分支流量正常。對高壓油系統(tǒng)中的溢流閥進(jìn)行了開啟壓力整定值測試，測試結(jié)果為11MPa，整定值明顯小于設(shè)計值20MPa。

圖5 高壓注油系統(tǒng)圖Fig.5 High pressure oiling system diagram

分析認(rèn)為，高壓油泵啟動后，只有在推力瓦面高壓油室形成的瞬時沖擊壓力足夠大且油流量充足時，才能使推力軸承鏡板和推力瓦完全脫開。當(dāng)瓦邊緣有油溢出后，油泵出口壓力才逐步下降達(dá)到穩(wěn)態(tài)，瞬時沖擊壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)工作壓力。溢流閥（安全閥）的開啟壓力整定值偏低，高壓油泵啟動后，溢流閥動作，將不能形成足夠的沖擊壓力，造成鏡板和瓦不能完全脫開，局部不能形成油膜[2]。

根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)動部分靜態(tài)重量約521t計算，高壓油泵總流量選取15L/min就滿足機(jī)組頂起需求，實(shí)際油泵總流量選取為30L/min，此時的最小油膜厚度為0.063mm。但這僅按常規(guī)設(shè)計方法考慮，仙游機(jī)組投運(yùn)三年來，啟停次數(shù)相當(dāng)于常規(guī)機(jī)組運(yùn)行十幾年的水平，按照常規(guī)設(shè)計考慮難免安全裕度不足。高頂系統(tǒng)油泵前端設(shè)精濾器，后端設(shè)粗濾器，當(dāng)濾油器出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象后靜態(tài)頂起時表現(xiàn)正常，但當(dāng)管路中出現(xiàn)動壓干擾時流量就會大幅波動，導(dǎo)致供油不足。分析認(rèn)為，高壓注油系統(tǒng)油泵流量、供油管路節(jié)流片尺寸安全裕度不足，導(dǎo)致供油壓力和流量不足，在機(jī)組低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時造成推力軸承瓦表面局部磨損，經(jīng)長期積累，致使瓦面磨損不斷加劇。

4 優(yōu)化改進(jìn)

通過對推力軸承重新復(fù)核計算，推力軸承設(shè)計基本滿足機(jī)組的各種運(yùn)行工況要求，但推力瓦在冷態(tài)時存在微量凹變形，在高壓注油系統(tǒng)存在故障，油膜無法正常建立時可引起推力瓦磨損。軸瓦設(shè)計已成定型，因此重點(diǎn)優(yōu)化改善推力軸瓦高壓注油系統(tǒng)，保證推力瓦在機(jī)組低速運(yùn)行時油膜正常建立，防止瓦磨損拉傷。

4.1 增大高壓注油系統(tǒng)流量

經(jīng)過現(xiàn)場排查及復(fù)核計算，雖然滿足常規(guī)設(shè)計要求，但抽水蓄能機(jī)組啟停頻繁，其高壓注油泵安全裕度不足。根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)動部分靜態(tài)重量約521t計算，當(dāng)油泵總流量達(dá)37.78L/min時，每支路流量為3.14L/min，最小油膜厚度為0.07mm，出油邊平均油膜厚度為0.091mm，管路系統(tǒng)壓力7.94MPa，大大增加了油膜的安全裕度。更換交、直流高壓注油泵，將其流量提高一檔，由30L/min提高至45L/min，油泵額定壓力25MPa，即使管路中出現(xiàn)動壓干擾時，其壓力、流量也能滿足運(yùn)行要求。同時更換清洗簡便的濾過器，以方便在日常維護(hù)和檢修時進(jìn)行清洗檢查，保證油路運(yùn)行暢通。

對新更換的油泵進(jìn)行試驗(yàn)，以5MPa為單位逐級升高油泵出口壓力直到25MPa，每升高一個壓力等級，運(yùn)行5～10min，檢查確認(rèn)無滲漏和異常噪聲，油泵及裝置應(yīng)運(yùn)行平穩(wěn)，輸出壓力、油量穩(wěn)定。

4.2 提高溢流閥整定值

重新對高壓注油系統(tǒng)管路進(jìn)行打壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力25MPa，保持10min，檢查確保系統(tǒng)無滲漏。重新調(diào)整高壓注油泵出口溢流閥（安全閥）動作壓力整定值，由原來11MPa提高至20MPa，保證在高壓注油泵啟動時可以形成足夠大的沖擊壓力使鏡板和推力瓦完全脫開，避免發(fā)生推力瓦損傷事件。溢流閥調(diào)整完成后，機(jī)組停機(jī)穩(wěn)態(tài)時，啟動油泵后檢查系統(tǒng)壓力為8.5MPa，比原來高1.3MPa。

4.3 優(yōu)化高壓注油控制

對高壓注油系統(tǒng)的壓力開關(guān)配置、現(xiàn)地PLC邏輯及監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，監(jiān)控確保高壓注油系統(tǒng)運(yùn)行正常。在機(jī)組停機(jī)至靜止暫態(tài)時，將SEQ TR1S-1步序“高壓注油系統(tǒng)流量正?！毙盘柡汀案邏鹤⒂拖到y(tǒng)壓力正?！毙盘栍伞盎颉标P(guān)系改為“與”關(guān)系；在SEQ TR1S-2步序中，在“球閥緊停閥復(fù)歸”與上“調(diào)速器緊停閥復(fù)歸”后增加30s的TON延時模塊，使高壓注油泵比之前多運(yùn)行30s，油膜充分建立；將壓力開關(guān)報警整定值由原來的5.7MPa提高至8MPa，當(dāng)系統(tǒng)壓力低于8MPa并延時6s報警，同時啟動直流高壓注油泵，交、直流高壓注油泵同時運(yùn)行，確保系統(tǒng)建壓正常；在原僅有的一個流量開關(guān)旁邊新增一個流量開關(guān)，接線采用并接至原流量開關(guān)接點(diǎn)的接法，即送至監(jiān)控的流量正常信號由兩副接點(diǎn)并接，增加元件動作可靠性。

5 結(jié)束語

對2號機(jī)組推力軸瓦磨損原因分析，認(rèn)為主要有兩個原因：一是高壓注油泵出口溢流閥（安全閥）動作壓力現(xiàn)場整定值11MPa，明顯低于設(shè)計值20MPa，致使在高壓注油泵啟動后，溢流閥動作，無法形成足夠的瞬時沖擊壓力，導(dǎo)致鏡板和推力瓦不能完全脫開；二是高壓注油系統(tǒng)油泵流量安全裕度不足，在管路中出現(xiàn)動壓干擾時流量就會大幅波動，導(dǎo)致供油壓力和流量不足，在機(jī)組低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時造成推力瓦表面局部磨損，經(jīng)長期積累，致使瓦面磨損不斷加劇。通過對高壓注油泵的更換，增加油泵流量，將高壓注油泵出口溢流閥（安全閥）動作壓力整定至20MPa，確保高壓注油系統(tǒng)壓力、流量滿足運(yùn)行要求，使鏡板和推力瓦完全脫開，油膜正常建立，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行?；谠撌鹿实姆治龈倪M(jìn)，為同類型機(jī)組結(jié)構(gòu)提供借鑒及經(jīng)驗(yàn)。