小型水電站機組軸承油霧問題研究與治理

黃德建

(四川水利職業(yè)技術學院，四川 都江堰，611830)

1 引言

水輪發(fā)電機組軸承油霧外溢是機組運行過程中出現(xiàn)的一種較為普遍現(xiàn)象，從早期的三門峽水電站，容量大一點的葛洲壩水電站、二灘水電站、瀑布溝水電站、溪洛渡水電站等，容量小一點的福建華安水電站，江西羅灣水電站等都出現(xiàn)了不同程度的油霧問題。發(fā)電機組油霧問題給機組安全穩(wěn)定運行帶來巨大的隱患和危害。由于各個水電廠布置和結(jié)構(gòu)形式不一樣，軸承油霧產(chǎn)生的位置和嚴重程度也不一樣，因而，各個水電廠解決機組軸承油霧外溢的方法也各有不同。本文主要介紹四川阿壩州LT水電站機組軸承油霧問題及處理措施。

2 水電站情況介紹

四川阿壩州LT水電站裝有3臺立式混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量3×8MW。水輪機型號：HLA 296-LJ-160，發(fā)電機型號：SF8000-16/3250，額定轉(zhuǎn)速：375r/min，發(fā)電機為懸式結(jié)構(gòu)，推力軸承為內(nèi)循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)。自投運以來，3臺機組軸承油槽均出現(xiàn)了不同程度油霧外溢現(xiàn)象，其中以3號機組最為突出。該電站的油霧是上導推力組合軸承油槽產(chǎn)生的，油霧主要是通過密封蓋上的通氣罩外溢。外溢的大量油霧充斥在滑環(huán)罩中，冷凝后與碳粉一同附著在集電環(huán)摩擦面上，產(chǎn)生油性碳粉污垢。一方面影響碳刷散熱，另一方面過多的積炭造成電刷與集電環(huán)接觸不良，接觸電阻增大，以至于碳刷與集電環(huán)接觸面產(chǎn)生火花?；鸹óa(chǎn)生后，又使碳刷工作環(huán)境更加惡劣，從而惡性循環(huán)，使碳刷冒火更嚴重，更加劇碳刷磨損。只要3號機組運行，隨時都看得到碳刷與集電環(huán)接觸面產(chǎn)生火花的情況，嚴重時3號機組每天都得更換新碳刷，即使更換各種牌子的碳刷也無濟于事。油霧問題已嚴重地影響到電站安全運行和經(jīng)濟效益，對此，必須對軸承油霧問題進行分析，提出具體的防治對策。

3 發(fā)電機推力軸承及導軸承油槽油霧產(chǎn)生的機理及影響因素

3.1 發(fā)電機推力軸承及導軸承油槽油霧產(chǎn)生的機理

機組在運行時，大軸帶動軸承上的鏡板、推力頭等其他旋轉(zhuǎn)部件在油槽里運動，這些旋轉(zhuǎn)部件隨之帶動靜止油運動，油槽內(nèi)的油在離心力作用下向油槽外壁等固定部件飛濺，同時，軸承動、靜部件在工作中摩擦生熱，從而導致油溫升高，在周期性循環(huán)作用下，推力軸承等部件不斷攪動透平油，油槽內(nèi)的油持續(xù)飛濺，從而產(chǎn)生大量油霧。

3.2 機組軸承油霧的影響因素

3.2.1 與機組的結(jié)構(gòu)形式和轉(zhuǎn)速有關

軸承動、靜部件尺寸越大，轉(zhuǎn)速越高、攪動速度就越快，產(chǎn)生的溫度就越高，因此產(chǎn)生油霧就越嚴重?？梢姡S承油霧與機組的結(jié)構(gòu)形式和轉(zhuǎn)速有關。

3.2.2 與軸承油槽容積有關

機組運行時大軸帶動軸承的鏡板、推力頭、軸領等部分不斷轉(zhuǎn)動，機組動、靜部件在工作中相互摩擦生熱，導致油槽內(nèi)油溫升高，使?jié)櫥褪軣崤蛎?；加之油槽?nèi)的劇烈擾動使油面上的空氣混入油中，油內(nèi)大量充氣，不僅使油的體積增加，更主要的是在油內(nèi)形成大量氣泡，造成了油槽內(nèi)油面升高，使得油槽內(nèi)部油霧混合空氣壓力高于油槽外部氣壓，高壓力油霧會從油槽各縫隙處溢出。油槽容積越小，內(nèi)部壓力就越大，油霧外溢就越嚴重。

另一方面，油霧的凝結(jié)需要一定空間，過多的油霧如果在狹小油槽內(nèi)沒有及時凝聚成油滴，一旦產(chǎn)生油霧飽和，造成油霧從油槽各縫隙處逸出。油槽容積越小，凝結(jié)時間就越短，油霧外溢就越嚴重。因此，軸承油霧與軸承油槽容積有關。

3.2.3 與發(fā)電機軸承油槽密封有關

發(fā)電機軸承油槽密封不好，容易形成油霧的主泄漏通道

3.2.4 與發(fā)電機軸承油槽油霧防止裝置有關

發(fā)電機軸承油槽油霧防止裝置不理想，防油霧效果不佳，油霧溢出也會很嚴重。

4 油霧溢出的危害

(1)大量油霧外溢，嚴重地影響了碳刷與集電環(huán)的接觸性能，加劇了碳刷磨損，頻繁地更換新碳刷，增加了消耗，增加了現(xiàn)場人員日常維護工作量，增加了機組運行成本。

(2)大量油霧外溢還會導致滑環(huán)罩周圍形成油污，影響散熱和導體的絕緣。另外，外溢的油霧還會在發(fā)電機附近地面形成一定積油面，極易使人滑倒。特別是對電站運行人員和檢修人員來說，如果在日常工作中沒有注意到地面的情況，則極易滑倒，給工作人員帶來傷害的風險。同時還影響美觀，給電站運行環(huán)境帶來一些影響。也增加了維護人員對環(huán)境和設備衛(wèi)生打掃的工作量。

(3)運行人員還必須關注油槽的油位變化，油位下降至最低油位時應及時向油槽內(nèi)加油，增加了透平油的浪費。

5 目前常用油霧治理措施

油霧治理措施通常有下面三大類。

5.1 第一大類為“圍堵”油霧

目前國內(nèi)外絕大多發(fā)電機軸承油槽油霧的防治措施是“圍堵”油霧于軸承油槽內(nèi)。其方法主要采用以下幾種密封方式進行“圍堵”。

5.1.1 接觸式密封

接觸式密封在運行時與大軸基本無間隙。密封環(huán)的作用類似于汽車上的雨刷，經(jīng)過兩道密封后，油基本上不會從此甩出。由于耐磨密封環(huán)為隨動結(jié)構(gòu)，它與支撐裝置之間無法做到完全無間隙，因此在油霧內(nèi)外壓差過大的情況下，仍會有一定的油霧泄漏。接觸齒材料為碳晶材質(zhì)，易磨損，磨損后產(chǎn)生的黑色粉塵一部分散落在機組油槽里，對油槽里的油造成污染。同時該粉塵也會滯留在接觸齒與轉(zhuǎn)軸的接觸處，導致接觸齒存在卡、澀情況，影響密封效果。

5.1.2 梳齒式密封

密封截面是梳齒形，一方面起迷宮作用，增加阻力減少泄漏，另一方面是利用梳齒旋轉(zhuǎn)部分帶動空氣產(chǎn)生的壓力，有利于封住油槽內(nèi)的油霧，即使油濺到梳齒上，也能甩回槽內(nèi)。梳齒密封還常與壓力空氣密封結(jié)合使用，有利于油霧的防治。但當梳齒與轉(zhuǎn)軸之間間隙過小時，容易與轉(zhuǎn)軸碰撞，使轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生振動；間隙過大時，則很難達到密封作用。梳齒密封常用于德國及日本的水輪發(fā)電機產(chǎn)品中。

5.1.3 其他方式密封

另外的密封方式還有：毛氈密封、毛刷密封、螺紋密封、蜂窩密封和空氣密封等。

5.2 第二大類為“疏導”油霧

將發(fā)電機軸承油槽油霧通過吸收裝置疏導到油槽外面來，將油霧凝結(jié)成油，再流回到油槽內(nèi)或者另外加以收集，這樣降低發(fā)電機軸承油槽油霧濃度，減輕了發(fā)電機軸承油槽油霧的外溢。有些水電廠采用了這類不同形式的油霧吸收裝置。

5.3 第三大類為“圍堵”油霧與“疏導”油霧的結(jié)合

既利用各種密封方式“圍堵”油霧于油槽內(nèi)，又將油槽內(nèi)油霧通過吸收裝置疏導到外面來凝結(jié)成油，再流回油到槽內(nèi)。一些大中型水電廠的技術改造采用了這類油霧吸收裝置。

6 LT水電站軸承油霧的治理措施

針對以上水電廠采治理油霧的方法，結(jié)合LT水電站自身的特點，LT水電站采用了“圍堵”油霧與“疏導”油霧相結(jié)合的治理措施。

LT水電站機組的密封蓋與主軸動靜配合部位是采用迷宮密封，迷宮密封雖能增加油霧逸出時的阻礙，但仍有空氣間隙，由于油霧分子較小，逸出在所難免。為此，增加使用柔性密封的非金屬復合材料，該材料具有良好的自潤滑功能、摩擦系數(shù)較小，并具有耐油、耐高溫、耐腐蝕等特性，有效地“堵住”油霧在該部位的逸出。但是，如何來解決大量油霧通過密封蓋上的通氣罩外溢問題？最早采用的方法是：溢出的油霧直接用瓶子進行收集，毫無效果。后來考慮用加裝呼吸器來平衡油槽內(nèi)外的壓力，但油霧嚴重，隨著運行時間增加，呼吸器濾芯很快飽和，此方法仍然不行。為此筆者設計了一款軸承油槽油霧收集裝置(如圖1)，采用該油霧收集裝置后，完全解決了油霧外溢的問題。該油霧收集裝置的結(jié)構(gòu)及功能原理如下：

圖1 油霧收集裝置

(1)當油霧從水輪發(fā)電機軸承油槽蓋板上的油霧排出孔進入本裝置后，大部分油霧通過管道進入冷卻器1凝結(jié)成油滴，液體的油滴流到閥門1上面的集油裝置里，通過油位觀察裝置就可以看到流進的油位高低，當油位高時，打開閥門1放到集油瓶里。如果還有少量的油霧沒有凝結(jié)成油滴，可以繼續(xù)通過冷卻器2凝結(jié)成油滴，液體的油滴流到閥門2上面的集油裝置里，最后再放到集油瓶里。

(2)彈簧安全閥的作用是當管路發(fā)生堵塞時(這種可能性很小)，以保證內(nèi)部氣壓過高或者過低時，可以通過彈簧安全閥與大氣相通。彈簧安全閥一個是過氣壓釋放，一個是欠壓釋放。

(3)根據(jù)物理原理，熱氣始終是往上升，這就是為什么設計裝置油霧從上往下進入冷卻器的原因。如果熱的油霧從下往上進入冷卻器，油霧會跑得快些，不便于冷卻，油霧容易和氣體逸出；反之，如果熱的油霧從上往下進入冷卻器，油霧相對會跑得慢些，便于冷卻凝結(jié)成油滴。通過兩個冷卻器冷卻后，油霧絕大部分凝結(jié)成油滴，只有極少數(shù)油霧逸出。

通過采用該油霧吸收裝置技術改造后，LT水電站油霧外溢問題得到了徹底解決。電刷與集電環(huán)的污染問題、電刷與集電環(huán)打火問題以及頻繁更換電刷問題隨之而解，這樣，降低了運行、維護人員的工作量，改善了機組周圍的污染環(huán)境，取得了較好的經(jīng)濟效益。

7 結(jié)語

水輪發(fā)電機組軸承油霧外溢是困擾水電站的常見問題，許多水電站都普遍存在，只是污染程度不同而已。對此，各水電廠、制造單位和科研單位都進行了積極的探索與研究。由于各水電廠結(jié)構(gòu)型式、軸承布置情況和冷卻方式等各種因素均有所不同，故治理的方法也是多種多樣。只有對油霧問題進行認真的研究，結(jié)合本電站的具體情況，就能夠?qū)ふ业揭环N有效治理本電站軸承油霧外溢的方法，油霧問題是可以解決的。在油霧的治理中，必須充分了解軸承油槽的特性，了解油霧外溢的特點，系統(tǒng)地考慮問題，進行針對性的技術改造，水輪發(fā)電機組軸承油霧問題是能夠得到有效解決的。