取消傳統(tǒng)冷卻器的水導(dǎo)軸承在改造電站中的應(yīng)用

沈 丹，楊希華，李國慧

(浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311121)

1 電站簡介

格拉夫納亞水電站位于塔吉克斯坦南部哈特隆州境內(nèi)，距離首都杜尚別、哈特隆州府庫爾干秋別約110、11 km，是瓦赫什河流域上9座梯級水電站的第7級，裝機240 MW。1964年由前蘇聯(lián)建成投運，經(jīng)過50多年的運行，機組、電氣、閘門、起重等設(shè)備以及土建、監(jiān)測等設(shè)施已經(jīng)大量老化、損壞，運行極不穩(wěn)定，局部功能失效，急需整體全面的技術(shù)改造。

該電站1、2、5號機組于2016年底開始改造，至2018年10月28日，首臺機組(5號機)順利完成72 h試運行，正式投入商業(yè)運行。改造后，該電站的主要參數(shù)如下所示(見表1)。

表1 電站改造后主要參數(shù)

2 水導(dǎo)軸承設(shè)計方案

改造前，該電站水導(dǎo)軸承采用抗重螺栓支撐的分塊瓦水導(dǎo)軸承[1](見圖1)。這種結(jié)構(gòu)對安裝要求較高，安裝不細致或機組不穩(wěn)定運行時間過長，會造成支撐螺栓頭部損壞及支持座變形。同時，頂瓦螺栓與軸承體之間用螺母固定，運行中易松動，致使軸瓦間隙變化，影響主軸擺度。檢修時抱瓦及間隙調(diào)整均需要采用大錘作業(yè)的方式，工作量大且存在一定的安全隱患。上述問題會造成主軸擺度過大及軸承瓦溫過高，影響機組安全穩(wěn)定運行，并增加了檢修和維護成本[2]。冷卻方式采用內(nèi)置油冷器冷卻和自然循環(huán)冷卻相結(jié)合的方式[3]。機組運行時，軸承體內(nèi)熱油被旋轉(zhuǎn)的主軸軸領(lǐng)泵出并沿回油管流入外油箱。該油箱設(shè)置在支持蓋中，外油箱中內(nèi)置油冷卻器，通過油冷卻器交換熱量，降低潤滑油溫度；同時外油箱與支持蓋設(shè)計為一體，熱油亦可與流道內(nèi)水實現(xiàn)熱交換，使熱油冷卻。

塔吉克斯坦是一個多山國家，高山常年被積雪和冰覆蓋。電站控制室室內(nèi)最高氣溫不超過30 ℃，瓦赫什河水溫最高不超過17.6 ℃，改造時可以利用環(huán)境溫度優(yōu)勢，考慮自然循環(huán)冷卻。該電站推力軸承采用頂蓋支撐方式[4]，改造時充分考慮水導(dǎo)軸承、主軸密封檢修的空間需要，必要時主軸結(jié)構(gòu)可不設(shè)軸頸。

改造后，水導(dǎo)軸承采用不帶冷卻器的畢托管筒式瓦結(jié)構(gòu)，由軸承蓋、軸承座、軸瓦、轉(zhuǎn)動油盆、畢托管等主要部件組成。軸瓦基體材料采用ZG270—500，瓦表面離心澆鑄巴氏合金(見圖2)，冷卻方式為自然循環(huán)。主軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)動油盆中的潤滑油在離心力的作用下形成邊緣高、中心低的狀態(tài)，即旋轉(zhuǎn)的下油盆使軸承體的進油口(畢托管進口)處獲得靜壓力，油便通過畢托管到達上油盆，進入水導(dǎo)軸承瓦與主軸的間隙流回到旋轉(zhuǎn)油盆，循環(huán)往復(fù)。水輪機運行時，油槽中的熱油通過轉(zhuǎn)動油盆、軸承座、軸承蓋等與軸承周圍空氣實現(xiàn)熱交換，軸承周圍空氣通過支持蓋與流道中冷水實現(xiàn)熱交換，這樣使油槽中的熱油與流道中的冷水間接實現(xiàn)了熱交換，使油溫維持在合理的溫度。

圖1 改造前的水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)

3 相關(guān)計算

3.1 軸承基本參數(shù)

主軸直徑D為975 mm，轉(zhuǎn)速nr為125 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速nf為340 r/min，環(huán)境溫度T環(huán)為30 ℃，軸承損耗P1(正常運行)為2.85 kW，軸承損耗Pf(飛逸)為11.7 kW，飛逸時間t為3 600 s，轉(zhuǎn)動油盆外側(cè)盆壁直徑D1為1 750 mm。

3.2 自然循環(huán)的水導(dǎo)軸承油溫計算

水導(dǎo)軸承的溫度狀況是從熱平衡計算得到的。熱量產(chǎn)生于軸承損耗P，并通過對流的方式耗散，即先通過熱傳導(dǎo)和軸承座內(nèi)潤滑油的循環(huán)，然后通過軸承座的表面以輻射和對流的方式傳遞到環(huán)境中[5]。

(1)正常運行時

根據(jù)公式：P1=kA1×A1×ΔT1/103+kA2×A2×ΔT1/103

由公式變形可得：ΔT1=P1×103/[(kA1×A1)+(kA2×A2)]

經(jīng)計算：ΔT1=16 ℃，油溫為：T=T環(huán)+ΔT1=46 ℃<55 ℃，滿足要求。由此可知，在沒有冷卻器的情況下，機組可以安全運行。

(2)飛逸工況

假定飛逸后油溫為Tf，則：

軸承摩擦損失(kJ)：Ebear=Pf*t

油吸收熱量(kJ)：Eoil=Cpoil×ρoil×Voil×(Tf-T)

金屬部分吸收熱量(kJ)：Esteel=Cpsteel×ρsteel×Vsteel×(Tf-T)

自然對流散熱Eth,amb(kJ)：Eth,amb=[kA1×A1×(Tf-T環(huán))×t+kA2′×A2×(Tf-T環(huán))×t]/103

式中，Cp為比熱容；ρ為密度；Voil為油的體積；Vsteel為導(dǎo)熱金屬的體積；kA2′為轉(zhuǎn)動部件平均對流換熱系數(shù)。

根據(jù)能量守恒定律可知：Ebear=Eoil+Esteel+Eth,amb

經(jīng)計算：Tf=62 ℃<65 ℃，滿足要求。由此可知，在沒有冷卻器的情況下，機組飛逸時，軸承仍可以安全運行。

4 水導(dǎo)軸承取消油冷卻器的優(yōu)點

改造后的水導(dǎo)軸承不設(shè)置油冷器，不需要冷卻水，整個油循環(huán)在單一環(huán)境中完成，避免油中出現(xiàn)過多水份或其他酸性物質(zhì)，使油品乳化，影響潤滑性能，造成燒瓦事故。

冷卻器裝置的取消，不僅省去了1套冷卻水銅管裝置，而且省去了1套冷卻水系統(tǒng)，包括管路、壓力表、壓力開關(guān)、示流信號器、水力旋流器及相應(yīng)的機組在線監(jiān)測系統(tǒng)和設(shè)備，及上述設(shè)備日后的維護費用等。

5 結(jié) 語

格拉夫納亞水電站5號機自投入運行至今，經(jīng)過近2年的運行和觀察，水導(dǎo)軸承瓦溫長期穩(wěn)定在42～45 ℃，與計算相近，瓦溫十分理想，得到了業(yè)主和監(jiān)理的一致好評。此次水導(dǎo)軸承取消傳統(tǒng)冷油器的成功實例，既降低了制造和維護成本，取得了良好的經(jīng)濟效益，又為日后其他類似電站改造提供了一定的借鑒和依據(jù)。