抽水蓄能機(jī)組導(dǎo)軸承油霧治理實(shí)踐

王 琪，陳晶晶，蔣 璆，劉少偉，楊季松

(1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司檢修試驗(yàn)分公司，廣州 511400；2.惠州經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 惠州 516057；3.惠州蓄能水電廠，廣東 惠州 516100)

0 引 言

惠州蓄能水電廠(以下簡稱惠蓄)位于廣東省博羅縣羅陽鎮(zhèn)，距深圳市77 km，距廣州市112 km，共安裝8臺(tái)可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量300 MW，額定轉(zhuǎn)速500 r/min，為高水頭大容量純抽水蓄能電站[1]，是中國南方電網(wǎng)公司成立后興建的第一個(gè)特大型水電工程項(xiàng)目。惠蓄作為電網(wǎng)中重要的調(diào)峰調(diào)頻及事故備用電源，機(jī)組可靠運(yùn)行為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定提供了保證。

自電站投入運(yùn)行以來，8臺(tái)機(jī)組導(dǎo)軸承均存在嚴(yán)重的油霧問題，在機(jī)組運(yùn)行期間油霧隨著機(jī)組的旋轉(zhuǎn)造成上導(dǎo)油盆、發(fā)電機(jī)定子線棒、下導(dǎo)油盆、水導(dǎo)油盆等諸多設(shè)備和生產(chǎn)區(qū)域存在油滴、油污積聚的現(xiàn)象，導(dǎo)軸承油霧不僅要消耗大量的潤滑油，而且還嚴(yán)重影響環(huán)境，降低傳感器等自動(dòng)化設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重危及機(jī)組的安全可靠運(yùn)行[2]。

1 導(dǎo)軸承抽油霧裝置組成及作用

惠蓄機(jī)組抽油霧系統(tǒng)由抽油霧裝置(包括電機(jī)、葉輪、濾芯、油霧收集裝置等)、抽油霧管路、閥門、氣密封腔和氣密封塊等組成。抽油霧裝置是在軸承蓋上部和內(nèi)檔油圈下部安裝的雙槽形圓環(huán)，每個(gè)雙槽形圓環(huán)包含兩個(gè)環(huán)狀密封腔，即內(nèi)外兩腔，外腔接轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板，與轉(zhuǎn)子內(nèi)部接通，內(nèi)腔與油盆內(nèi)部相通(其中油盆下部氣密封腔在內(nèi)油盆和軸領(lǐng)之后)，且內(nèi)腔接管路至抽油霧裝置。機(jī)組運(yùn)行過程中，氣密封腔外腔進(jìn)轉(zhuǎn)子循環(huán)風(fēng)，內(nèi)腔則充滿從油盆溢出的油霧，利用轉(zhuǎn)子循環(huán)風(fēng)氣壓大于所產(chǎn)生的油霧氣壓的特點(diǎn)，達(dá)到密封的目的。抽油霧裝置電機(jī)啟動(dòng)，將內(nèi)腔的油霧沿管路抽至濾芯進(jìn)行收集。如圖1所示。

圖1 導(dǎo)軸承油霧裝置原理圖Fig.1 Principle diagram of oil mist pumping device for guide bearing

2 運(yùn)行中的問題

惠蓄電廠自2011年8月機(jī)組全面投產(chǎn)以來，設(shè)備運(yùn)行基本穩(wěn)定，各運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)良好。但在機(jī)組年度檢修期間，檢查均能發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)油盆蓋、上導(dǎo)油盆底、發(fā)電機(jī)定子線棒、下導(dǎo)油盆蓋、水導(dǎo)油盆蓋等諸多設(shè)備和生產(chǎn)區(qū)域存在油滴、油污積聚的現(xiàn)象，如圖2所示。油霧對(duì)機(jī)組尤其是發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行帶來了較大的安全隱患。油霧與碳粉混合在一起，污染集電環(huán)和碳刷，也會(huì)造成轉(zhuǎn)子、定子絕緣性能下降，同時(shí)油霧與灰塵在定子鐵芯及磁極通風(fēng)槽內(nèi)堆積，造成發(fā)電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)循環(huán)受阻，影響發(fā)電機(jī)散熱效果，多重因素的作用造成發(fā)電機(jī)整體性能下降，降低發(fā)電機(jī)運(yùn)行壽命。部分發(fā)電廠由于油霧污染嚴(yán)重，造成轉(zhuǎn)子絕緣下降、回路接地故障，被迫停機(jī)處理，為此帶來的經(jīng)濟(jì)損失和電網(wǎng)影響巨大。頻繁的滲漏也使檢修工作任務(wù)加重，積聚后造成地面濕滑，威脅運(yùn)維人員行走時(shí)的安全。同時(shí)油霧彌漫在空氣中，給廠房環(huán)境帶來一定的影響，如果被人體較長時(shí)間吸入，還會(huì)影響身體健康。

圖2 水導(dǎo)油盆蓋及頂蓋上油污Fig.2 Oil contamination on oil basin cover and top cover of hydraulic bearing

3 原因分析[3-10]

根據(jù)導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，機(jī)組運(yùn)行過程中甩油一般分為兩種情況。一是透平油從機(jī)組大軸軸領(lǐng)內(nèi)側(cè)的內(nèi)油盆溢出，這種甩油稱之為內(nèi)甩油。另一種情況是透平油通過大軸與油盆蓋之間的間隙或油盆蓋板密封甩向油盆外部，稱為外甩油。

軸承內(nèi)甩油一般原因?yàn)闄C(jī)組運(yùn)行時(shí)，內(nèi)油盆形成局部負(fù)壓，使油吸入或內(nèi)油盆由于制造、安裝原因產(chǎn)生不同程度的偏心，形成油泵效應(yīng)，造成透平油上溢。而對(duì)于惠蓄，由于平壓孔和密封擋圈的合理設(shè)計(jì)，基本不存在導(dǎo)軸承油盆內(nèi)甩油現(xiàn)象。

軸承外甩油的主要原因是由于主軸軸領(lǐng)的高速旋轉(zhuǎn)，造成軸承油槽內(nèi)油面波動(dòng)加劇，從而產(chǎn)生許多油泡。當(dāng)這些油泡破裂時(shí)，也會(huì)形成很多油霧。另外，隨著軸承溫度的升高，使油槽內(nèi)的油和空氣體積逐漸膨脹，從而產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)壓，在內(nèi)壓的作用下，油槽內(nèi)的油霧隨氣體從軸承蓋板縫隙處溢出，導(dǎo)致水導(dǎo)油盆蓋上有細(xì)小的油滴。

3.1 水導(dǎo)油盆蓋與大軸非接觸式密封甩油

惠蓄水導(dǎo)軸承油盆蓋與大軸間迷宮式非接觸密封，密封裝配在油盆上，與大軸的設(shè)計(jì)間隙為0.685 mm。該處密封表現(xiàn)不盡人意，所有機(jī)組均不同程度的發(fā)生油霧從該間隙處甩出，油霧長時(shí)間積聚成油滴在水導(dǎo)油盆蓋等區(qū)域，污染水導(dǎo)油盆及頂蓋，導(dǎo)致水導(dǎo)軸承油盆存在外甩油現(xiàn)象。

3.2 上下導(dǎo)軸承非接觸式密封油霧逸出

惠蓄上下導(dǎo)軸承油盆氣密封塊與大軸的設(shè)計(jì)間隙為0.5 mm，部分氣密封塊間隙明顯大于設(shè)計(jì)間隙；同時(shí)部分位置氣密封塊圓弧度不好，即若按照設(shè)計(jì)間隙安裝，不能保證所有間隙都能達(dá)到0.50 mm，個(gè)別區(qū)域存在間隙明顯超標(biāo)。檢修時(shí)檢查了氣密封塊與軸的間隙，發(fā)現(xiàn)油霧甩出與氣密封塊接觸狀況、氣密封塊與軸之間的間隙有一定的因果關(guān)系。導(dǎo)致上下導(dǎo)軸承油盆存在外甩油現(xiàn)象。

4 改造方案[11-17]

原抽油霧系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中存在以下幾個(gè)問題：①氣密封塊難以與大軸保持相同弧度，兩者之間間隙不均勻且易發(fā)生變化。氣密封塊與大軸為非接觸式密封，難以避免油霧的溢出；②轉(zhuǎn)子循環(huán)風(fēng)從管路接縫和氣密封塊間隙發(fā)生泄漏，造成壓力不足，密封效果不佳。針對(duì)發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承與水輪機(jī)導(dǎo)軸承進(jìn)行了相應(yīng)的改造。

4.1 上下導(dǎo)軸承接觸式密封改造

對(duì)發(fā)電機(jī)上下導(dǎo)軸承，在原有氣密封裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，采用接觸式密封刷與原氣密封裝置相結(jié)合的方式解決油霧溢出問題。在上、下導(dǎo)軸承氣密封裝置上增加接觸式密封，防止油霧從氣密封裝置再次溢出，最終改造方案如圖3所示。

圖3 上下導(dǎo)軸承接觸式密封及刷座示意圖(單位：mm)Fig.3 Drawing of contact seal and brush base for upper and lower guide bearings

綜上所述，發(fā)電機(jī)上、下導(dǎo)軸承抽油霧裝置改造原則為：

(1)保留原氣密封裝置的作用，最大程度地提高設(shè)備利用率；密封刷支座簡便且實(shí)用，零部件數(shù)量少、重量輕，便于安裝。

(2)增加的接觸式密封刷選用尼龍作為接觸式密封材料，其特點(diǎn)是：①徑向力小，對(duì)軸無損傷；②安裝維護(hù)簡單，便于更換；③密封材料無腐蝕性，對(duì)人體接觸無較大風(fēng)險(xiǎn)；④密封刷具有柔順、耐磨等優(yōu)良性能；

4.2 水導(dǎo)軸承防油霧腔及接觸式密封改造

對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)軸承，采用防油霧罩與接觸式密封刷相結(jié)合的方式解決油霧溢出問題。在水導(dǎo)油盆蓋上增加防油霧腔，通過螺栓連接固定在水導(dǎo)油盆蓋內(nèi)圓上，防油霧腔頂部與大軸相結(jié)合的部位采用接觸式密封，防止油霧再次溢出。防油霧腔用于收集從水導(dǎo)軸承油盆蓋與大軸間迷宮式非接觸密封溢出的油霧，待油霧冷卻集聚成油滴后在重力的作用下從非接觸式密封處流回水導(dǎo)油盆，避免油的浪費(fèi)。

水導(dǎo)接觸式密封設(shè)計(jì)原則與發(fā)電機(jī)導(dǎo)軸承相同。

防油霧腔的按如下原則設(shè)計(jì)：①內(nèi)環(huán)方向與水輪機(jī)軸有足夠空間，同時(shí)校核各機(jī)組水導(dǎo)軸承擺度傳感器支架高度，確保與刷座罩子合理搭配；②水導(dǎo)油盆密封腔重量不能影響油盆蓋架的穩(wěn)定。水導(dǎo)防油霧腔最終改造終結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 水導(dǎo)油盆蓋接觸式密封及刷座示意圖Fig.4 Drawing of contact seal and brush seat for oil pot cover of hydraulic bearing注：1-罩子；2-刷座，固定密封刷，承載徑向力；3-密封刷墊；4-密封板；5-壓板。

5 實(shí)施效果

改造完成后，惠蓄機(jī)組上導(dǎo)油盆蓋、上導(dǎo)油盆底、發(fā)電機(jī)定子線棒、下導(dǎo)油盆蓋、水導(dǎo)油盆蓋油污明顯減少，機(jī)組運(yùn)行過程中風(fēng)洞內(nèi)及水車室油霧濃度明顯降低，機(jī)組設(shè)備整體運(yùn)行環(huán)境得到較大改善，一定程度上提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性。同時(shí)，導(dǎo)軸承甩油現(xiàn)象的解決使透平油消耗量有所降低，檢修維護(hù)工作量減少，提高了自動(dòng)化元器件的使用壽命。

6 結(jié) 語

針對(duì)惠蓄上下導(dǎo)抽油霧裝置效果差、水導(dǎo)軸承油盆多點(diǎn)滲漏及水車室內(nèi)油污現(xiàn)象嚴(yán)重的問題，通過對(duì)導(dǎo)軸承甩油的理論研究和各導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)特點(diǎn)的實(shí)際分析，多項(xiàng)改造措施并舉，有效地解決了導(dǎo)軸承甩油和抽油霧裝置效率低等問題。消除了機(jī)組運(yùn)行的重大安全隱患，保證了電站安全穩(wěn)定運(yùn)行，為抽水蓄能機(jī)組導(dǎo)軸承油霧治理提供了一定的借鑒和參考。