試論如何提高水輪機(jī)運(yùn)行的可靠性

摘 要 本公司一期工程循環(huán)水系統(tǒng)采用以海水為水源的直流供水系統(tǒng)，冷卻水取自電廠北側(cè)的萊州灣海水。夏季、春秋季循環(huán)冷卻水量為59.30m3/s，冬季循環(huán)冷卻水量為44.98m3/s。循環(huán)水系統(tǒng)流程為：取水設(shè)施→泵房前池→攔污柵（移動(dòng)式清污機(jī)）→旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)→循環(huán)水泵→液控蝶閥→循環(huán)水壓力進(jìn)水管→凝汽器及輔機(jī)→循環(huán)水壓力回水管→虹吸井→排水溝→前池→排水發(fā)電機(jī)組→大海。水輪機(jī)利用的是循環(huán)水最后的是能進(jìn)行發(fā)電，其形式為軸伸貫流式水輪機(jī)。

關(guān)鍵詞 循環(huán)水系統(tǒng);循環(huán)冷卻水;軸伸貫流式水輪機(jī)

1水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

水輪機(jī)由進(jìn)水裝配、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)、前徑向軸承、主軸密封、轉(zhuǎn)動(dòng)部分、轉(zhuǎn)輪室與直錐管、肘管部分、后徑向推力軸承，油水氣自動(dòng)化等幾部分組成。

1.1 進(jìn)水裝配

進(jìn)水部分是水輪機(jī)過流通道，它是采用鋼板焊接及螺栓拉合結(jié)構(gòu)，設(shè)有吊物進(jìn)人孔、固定座環(huán)、燈泡頭、地腳拉鉤等組成，它是水輪機(jī)前軸承的支撐點(diǎn)，它的剛度對(duì)整個(gè)水輪機(jī)的振動(dòng)、噪音起決定作用。

1.2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的作用有三點(diǎn)：第一是起支撐作用，形成一定的水流空間，支撐控制環(huán);第二是形成轉(zhuǎn)輪前的水流環(huán)量，為水流順利進(jìn)入轉(zhuǎn)輪作準(zhǔn)備;第三是通過導(dǎo)葉的開啟與關(guān)閉調(diào)節(jié)流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)有功的輸出。此部分是水輪機(jī)的重要部件，它由導(dǎo)水內(nèi)環(huán)、導(dǎo)水外環(huán)、導(dǎo)葉、導(dǎo)葉臂、連板和控制環(huán)等組成，由于導(dǎo)葉的運(yùn)動(dòng)是錐形的空間運(yùn)動(dòng)，故與其相連的軸承都是特制的關(guān)節(jié)軸承，連板與導(dǎo)葉臂之間設(shè)有剪斷銷，以便導(dǎo)葉卡死時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，保護(hù)調(diào)速器，導(dǎo)葉是運(yùn)動(dòng)件又處于水流中，故上、下軸頸處都設(shè)有密封。

1.3 調(diào)速機(jī)構(gòu)

調(diào)速機(jī)構(gòu)由接力器、軸套、叉頭、銷等組成，整個(gè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠。

1.4 主軸密封

轉(zhuǎn)動(dòng)部分的前、后各設(shè)一道密封。前主軸密封采用橡膠活塞密封和空氣圍帶的停機(jī)密封，橡膠活塞密封是靠壓力水壓迫活塞下移壓緊平板起密封作用，活塞和平板之間也是靠清潔水保證潤滑的。后主軸密封采用盤根填料密封，這種密封形式是靠盤根擠壓大軸起密封作用，盤根中間設(shè)有水環(huán)靠清潔水保證盤根潤滑。

1.5 轉(zhuǎn)動(dòng)部分

轉(zhuǎn)動(dòng)部分是整個(gè)水輪機(jī)的心臟，水輪機(jī)性能好壞決定于轉(zhuǎn)動(dòng)部分，它有前小軸、轉(zhuǎn)輪、大軸和小主軸組成。大軸是采用20SiMn整鍛而成，轉(zhuǎn)輪采用鑄鋼葉片和鑄鋼轉(zhuǎn)輪體組焊而成。在最大飛逸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的任一轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生有害的震動(dòng)和變形。

1.6 轉(zhuǎn)輪室和直錐管及肘管部分

轉(zhuǎn)輪室內(nèi)徑與轉(zhuǎn)輪葉片配合，配合間隙符合國家規(guī)定，以使水流漏水量最小，水流最大限度做功于葉片上，定漿轉(zhuǎn)輪室是圓柱面。轉(zhuǎn)輪室和直錐管都是分半的鋼板焊接結(jié)構(gòu)，其間設(shè)一伸縮節(jié)，直錐管上設(shè)有進(jìn)人孔。

油水氣自動(dòng)化部分：

此部分對(duì)確保機(jī)組安全運(yùn)行起關(guān)鍵的作用，它主要包括增速器的潤滑設(shè)備稀油站、前后主軸密封的水管路、后徑向推力軸承、發(fā)電機(jī)徑向軸承及稀油站的冷卻水管路，空氣圍帶和制動(dòng)剎車的氣管路，以及各軸承部位用以檢測(cè)信號(hào)的鉑熱電阻、示流信號(hào)器等檢測(cè)元件[1]。

2水輪機(jī)運(yùn)行目前存在的缺陷

缺陷1：水輪機(jī)主軸密封跟隨性差造成前導(dǎo)軸承室進(jìn)水。

兩臺(tái)水輪機(jī)經(jīng)過運(yùn)行后，因前導(dǎo)軸承室進(jìn)水造成前導(dǎo)軸承溫度高（75℃跳機(jī)）。跳機(jī)的原因分析為水輪機(jī)主軸密封為活塞密封，使用密封水作為動(dòng)力源，密封一側(cè)為抗磨板（材質(zhì)為321不銹鋼），當(dāng)機(jī)組運(yùn)行過程中，在密封水（0.32MPa）的工作壓力下將活塞推向抗磨板，利用橡膠與鋼板之間的壓緊力作為軸向密封，防止海水漏量增大充滿腔室，繼而倒灌至前導(dǎo)軸承室內(nèi)部。其次，經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行由于活塞密封為橡膠材質(zhì)，與鋼結(jié)構(gòu)摩擦造成活塞表面破損，無法有效起到密封作用;第三，機(jī)組在導(dǎo)葉突然開關(guān)過程中，軸向推力瞬間增大，密封水壓力較低，無法有效保證活塞及時(shí)與抗磨板接觸起到密封作用，導(dǎo)致海水瞬間倒流至軸承箱內(nèi)。腐蝕加劇密封不嚴(yán)造成前導(dǎo)軸承室進(jìn)水問題;以上三條原因是造成主軸密封不嚴(yán)繼而漏水的主要原因。

缺陷2：工業(yè)冷卻水材質(zhì)為碳鋼，造成管壁堵塞，通流面積減少，潤滑油冷卻效果差。

原機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，各個(gè)軸承以及后密封盤根冷卻水管道為碳鋼材質(zhì)，由于使用工業(yè)水冷卻且此位置在全廠最末端，易導(dǎo)致管道內(nèi)壁堵塞，減少通流面積，降低潤滑油的冷卻性能。

缺陷3：水輪機(jī)導(dǎo)葉材質(zhì)為碳鋼件，在海水浸泡腐蝕下導(dǎo)致葉片表面修飾，內(nèi)部卡澀，活動(dòng)不靈活。

設(shè)計(jì)時(shí)，水輪機(jī)導(dǎo)葉片為碳鋼材質(zhì)，碳鋼對(duì)海水的耐腐蝕性很差，運(yùn)行過程中常常出現(xiàn)導(dǎo)葉片卡到某一角度無法正常全部關(guān)閉的情況，易導(dǎo)致機(jī)組無法正常停機(jī)和發(fā)生超速的危險(xiǎn)。

3提高水輪機(jī)運(yùn)行可靠性的方法

3.1 更換主軸密封形式的方法

針對(duì)水輪機(jī)主軸密封跟隨性差造成前導(dǎo)軸承室進(jìn)水缺陷，采用更換主軸密封形式的方法?？紤]到泵上運(yùn)用的機(jī)械密封形式，思考將主軸活塞密封更換為集裝式機(jī)械密封，機(jī)械密封采用316L不銹鋼材質(zhì)，動(dòng)靜環(huán)密封面材料采用特殊熱處理的碳化鎢硬質(zhì)合金（硬度接近金剛石），海水中的細(xì)小泥沙不會(huì)造成密封鏡面磨損。機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)是彈簧外置在遠(yuǎn)離海水的位置，不直接和海水接觸，使機(jī)械密封的使用壽命有保證。

主軸密封更換成機(jī)械密封后，因機(jī)械密封為鏡面密封，依靠彈簧力對(duì)其進(jìn)行推動(dòng)，能夠保證密封不漏水;機(jī)械密封替代了主軸密封和空氣圍帶兩密封的功能，避免了啟停機(jī)兩道密封切換造成油室進(jìn)水風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備可靠性。

3.2 提高潤滑油冷卻效果

針對(duì)工業(yè)冷卻水材質(zhì)為碳鋼，造成管壁堵塞，通流面積減少，潤滑油冷卻效果差的問題。采用將原先的碳鋼冷卻水管道全部拆除，重新布置新的冷卻水管道，管道采用316L不銹鋼材質(zhì)，全氬弧焊接，保證焊接質(zhì)量和通流面積，提高潤滑油冷卻效果。

3.3 提高導(dǎo)葉的耐腐蝕性

針對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)葉材質(zhì)為碳鋼件，在海水浸泡腐蝕下導(dǎo)致葉片表面修飾，內(nèi)部卡澀，活動(dòng)不靈活的缺陷。由于水輪機(jī)內(nèi)腔室在海水中運(yùn)行，考慮金屬特性和防護(hù)性能，將水輪機(jī)導(dǎo)葉材質(zhì)更換為雙相不銹鋼2205，提高導(dǎo)葉的耐腐蝕性，同時(shí)在水輪機(jī)外殼體上加裝防護(hù)陰極塊，防止殼體腐蝕加劇，保證水輪機(jī)運(yùn)行的可靠性。

4結(jié)束語

水輪機(jī)的安全運(yùn)行一直是華電萊州發(fā)電有限公司的一個(gè)難題，但是通過近幾年的改造優(yōu)化，水輪機(jī)能夠長周期穩(wěn)定安全運(yùn)行。特別是將水輪機(jī)主軸密封改造為機(jī)械密封后，前導(dǎo)軸承進(jìn)水危害機(jī)組安全運(yùn)行的問題得到徹底解決。當(dāng)前我國水電早期設(shè)計(jì)的機(jī)組有很多存在類似的問題，建議借鑒此方法進(jìn)行改造。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁武科.水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行可靠性問題研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2006.

作者簡介

秦福鵬（1990-），男，山東省煙臺(tái)市招遠(yuǎn)市人;學(xué)歷：本科，職稱：助理工程師，現(xiàn)就職單位：華電萊州發(fā)電有限公司，研究方向：汽輪機(jī)檢修。