仙游抽水蓄能推力瓦磨損拉傷原因深度分析與處理

孔令華，李向陽，莊堅(jiān)菱，曹景偉，王正偉

(1.福建仙游抽水蓄能有限公司，福建 莆田 351267；2.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京 100084)

0 前言

國家能源局在 《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》[1]中提出要在2030年實(shí)現(xiàn)抽水蓄能投產(chǎn)總規(guī)模1.2×108kW的目標(biāo)。抽水蓄能機(jī)組向著高水頭、大容量、變轉(zhuǎn)速的趨勢(shì)發(fā)展。推力軸承作為抽水蓄能機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)了機(jī)組的軸向載荷，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了關(guān)鍵作用。國內(nèi)外很多科研人員對(duì)推力軸承的潤滑性能開展了深入研究[2-6]，現(xiàn)在已經(jīng)突破了百萬千瓦機(jī)組的推力軸承設(shè)計(jì)技術(shù)[7]。盡管如此，國內(nèi)外仍然有多個(gè)電站發(fā)生了推力軸承碰磨事故[8-15]。因此，對(duì)推力軸承潤滑性能進(jìn)行深入的分析，可為我國抽水蓄能機(jī)組的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

在實(shí)際運(yùn)行中，推力軸承通過在鏡板和推力瓦之間形成微米級(jí)厚度的油膜，承擔(dān)整個(gè)機(jī)組的軸向載荷[16]。推力軸承的承載能力受到支撐形式、結(jié)構(gòu)熱彈變形等多個(gè)因素的綜合影響。若無法形成足夠厚度的油膜，極易發(fā)生碰磨事故[17]。對(duì)推力軸承潤滑性能的分析，需要考慮潤滑油的流動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)的熱彈變形，數(shù)值計(jì)算多基于雙向流固熱耦合理論開展[18-19]。工程上，由于抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況的復(fù)雜性，也可能會(huì)存在空氣混入潤滑油內(nèi)的問題，相關(guān)研究表明油氣混合物會(huì)導(dǎo)致軸承潤滑性能的下降[20]。

福建仙游抽水蓄能電站是福建省第一座大型抽水蓄能電站，也是我國首家使用高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量全國產(chǎn)化主機(jī)設(shè)備的抽水蓄能電站。電站安裝4臺(tái)單機(jī)容量為300MW可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)年平均發(fā)電量18.96×108kW·h，年發(fā)電利用時(shí)間1580h，年平均抽水耗電量25.28×108kW·h，年抽水利用時(shí)間2107h，額定轉(zhuǎn)速428.6r/min，額定水頭430m，于2013年全部投入商業(yè)運(yùn)行。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)采用立軸懸式結(jié)構(gòu)，推力軸承固定于上機(jī)架中心體內(nèi)，推力負(fù)荷750t，共設(shè)有12塊扇形瓦。推力瓦采用巴氏合金鎢金瓦，并配有高壓油壓入孔。推力軸承為多點(diǎn)支撐彈簧束結(jié)構(gòu)。每塊托瓦下布置有66個(gè)彈簧束，彈簧束用彈簧擋塊進(jìn)行固定，托瓦之間用間隔塊隔開，彈簧束布置在上機(jī)架中心體上平面的推力基礎(chǔ)環(huán)上。

仙游推力軸承潤滑系統(tǒng)采用外加泵外循環(huán)冷卻方式，在機(jī)坑外設(shè)置高效油冷卻器，推力油槽內(nèi)的熱油經(jīng)油泵抽出后，泵入油冷卻器冷卻后再注入油槽冷卻軸承，上導(dǎo)軸承與推力軸承共用一個(gè)油槽和同一個(gè)油循環(huán)系統(tǒng)。推力高壓注油系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)高壓油泵，一注一備，油源取自于推力油槽，經(jīng)高壓油泵注入推力瓦的兩個(gè)油室，使推力瓦面與鏡板之間形成油膜，避免推力瓦在機(jī)組低速時(shí)磨損。

本文結(jié)合仙游抽水蓄能機(jī)組推力軸承碰磨案例，深入分析了推力軸承碰磨原因，并提出了工程改進(jìn)建議。

1 案例分析

2016年，仙游電站2號(hào)機(jī)檢修期間發(fā)現(xiàn)推力瓦磨損拉傷問題，情況如圖1所示。12塊推力瓦磨損部位均在徑向外側(cè)，寬度8cm左右，鎢金堆積在瓦面兩側(cè)。查閱修前運(yùn)行記錄，2號(hào)機(jī)推力瓦自2013年投運(yùn)以來未進(jìn)行過任何檢修改造，運(yùn)行溫度和振擺未出現(xiàn)任何異常。檢查推力高壓注油泵運(yùn)行出口壓力為7MPa，抬機(jī)量0.06mm，機(jī)組靜態(tài)頂起高度較高，油膜較厚，均滿足設(shè)計(jì)要求，高壓油管路檢查無泄漏和堵塞。

圖1 2號(hào)機(jī)推力瓦磨損拉傷圖

分析認(rèn)為推力軸承高壓油頂起裝置工作存在問題，推力瓦徑向外側(cè)表面與鏡板未完全脫離，局部不能形成油膜，導(dǎo)致在機(jī)組低轉(zhuǎn)速下，推力瓦與鏡板磨損，在低轉(zhuǎn)速下會(huì)造成瓦表面磨損拉傷，長期反復(fù)形成鎢金堆積。仙游電站機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分靜態(tài)質(zhì)量約553t，高壓油泵總流量選取15L/min，最小油膜厚度0.05mm，就滿足機(jī)組頂起要求，見表1。實(shí)際油泵總流量選取為30L/min，安全裕度達(dá)到2倍，但當(dāng)管路中出現(xiàn)動(dòng)壓干擾時(shí)流量就會(huì)大幅波動(dòng)，導(dǎo)致供油不足，局部不能形成油膜，為了解決管路壓力波動(dòng)導(dǎo)致的供油不足問題，電站更換推力高壓注油泵，由30L/min提高至45L/min，高壓注油泵運(yùn)行出口壓力提高至9MPa，這樣管路即使出現(xiàn)干擾，其流量和壓力也能滿足運(yùn)行要求，避免推力瓦磨損拉傷。

表1 高壓注油泵流量與出口壓力對(duì)應(yīng)表

2 故障原因深度分析

2.1 高壓油泵動(dòng)壓干擾

初步處置未解決推力高壓頂起油泵運(yùn)行中動(dòng)壓干擾問題，電站對(duì)此進(jìn)行深入排查和分析，經(jīng)過長期跟蹤觀察和試驗(yàn)，在機(jī)組靜態(tài)或開機(jī)過程，推力高壓頂起油泵動(dòng)壓干擾不明顯，在機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后停機(jī)過程中，推力高壓頂起油泵運(yùn)行時(shí)泵體處一直存在明顯的異響，高頂油泵出口管路表計(jì)壓力也存在大幅度的波動(dòng)，如圖2所示，壓力在3～9MPa之間波動(dòng)。

圖2 推力高壓注油泵壓力波動(dòng)曲線圖

推力高壓油泵采用齒輪泵形式，其壓力波動(dòng)會(huì)對(duì)泵體振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生影響，經(jīng)研究表明，齒輪油泵壓力波動(dòng)源于流量變化，流量變化才是油泵壓力波動(dòng)和噪聲的根源所在。根據(jù)齒輪油泵模型的流量方程公式(1)可知，齒輪油泵進(jìn)出口壓差與流量成正向比例關(guān)系，流量越大，出口壓力越大，流量越小，出口壓力越小。壓力波動(dòng)最小壓力3MPa，根據(jù)表1可知其對(duì)應(yīng)的流量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求值，通過CFD模擬計(jì)算最小油膜厚度僅為0.01mm左右，幾乎沒有油膜，很可能造成推力瓦局部磨損。

式中，m為出口流量，kg/min；Cq和a都為固定系數(shù)；A為截面積，m2；ρ為液體密度，kg/L；Δp為齒輪油泵兩端壓差，Pa。

2.2 油膜潤滑特性數(shù)值計(jì)算

對(duì)油膜流動(dòng)特性的求解通?；贜-S方程的瞬態(tài)湍流流場(chǎng):

此外，還需考慮結(jié)構(gòu)的熱彈變形:

流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)相互迭代，獲得收斂的油膜計(jì)算結(jié)果。

仙游電站主機(jī)廠家通過高轉(zhuǎn)速推力軸承試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)1∶1模型推力軸承進(jìn)行相關(guān)的模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，以驗(yàn)證仙游發(fā)電電動(dòng)機(jī)推力軸承的運(yùn)行性能，試驗(yàn)在不同工況下記錄推力軸承瓦溫、軸瓦表面溫度、油膜壓力、油膜厚度值等。結(jié)果表明推力瓦面四周油膜壓力小，徑向兩側(cè)油膜厚度最小，如圖3所示，因此在推力高壓注油泵流量不足的情況下，最容易磨損拉傷的部位就是推力瓦面徑向兩側(cè)。仙游電站推力瓦采用雙油室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，理論上兩個(gè)油室油膜壓力相等，實(shí)際上由于加工精度原因，兩個(gè)油室油膜壓力不能完全一致，從而造成推力瓦在兩個(gè)不一致的油膜壓力作用下形成 “蹺蹺板”。2號(hào)機(jī)推力瓦磨損拉傷部位在徑向外側(cè)，說明外側(cè)油室壓力低于內(nèi)側(cè)油室壓力，推力瓦徑向外側(cè)油膜厚度不足，與鏡板產(chǎn)生局部磨損拉傷，長期積累形成鎢金堆積。

圖3 高壓油頂起階段油膜厚度及壓力分布

推力高壓油裝置是確保機(jī)組推力軸承低轉(zhuǎn)速時(shí)形成穩(wěn)定油膜的重要設(shè)備，其油源取自推力油槽，經(jīng)過推力高壓油泵注入推力瓦與鏡板之間形成高壓油膜。針對(duì)機(jī)組存在停機(jī)過程中推力高壓注油泵運(yùn)行存在異響、壓力波動(dòng)、油管流量不穩(wěn)定等問題，仙游電站運(yùn)維人員排除了多種可能性，最終發(fā)現(xiàn)原因是由于推力外循環(huán)吸油環(huán)管布置在油面以上，吸油環(huán)管密封不嚴(yán)，推外泵啟動(dòng)冷卻油循環(huán)時(shí)將空氣吸入透平油中形成氣泡，如圖4所示，推力高壓主油泵油源取自推力油槽，從而導(dǎo)致高壓注油泵運(yùn)行異響、壓力波動(dòng)及流量不足。

圖4 機(jī)組注油管路和運(yùn)行停機(jī)后推力油槽氣泡

3 改進(jìn)措施

推力外循環(huán)吸油環(huán)管位于油槽內(nèi)部，整圈環(huán)管由八段DN200不銹鋼管組成，環(huán)管位于油面以上，每段不銹鋼管長1432.2mm，不銹鋼管之間采用抱箍連接，抱箍?jī)?nèi)壁為橡膠墊，用于密封不銹鋼之間的縫隙。八段不銹鋼管安裝時(shí)逐段對(duì)齊用抱箍連接抱緊，由于不銹鋼管加工制造和安裝偏差，其他對(duì)接點(diǎn)對(duì)齊后，最后一個(gè)對(duì)接點(diǎn)很難對(duì)齊，且錯(cuò)位較大，這樣抱箍即使抱緊，也很難保證不漏氣。仙游電站對(duì)機(jī)組推力外循環(huán)吸油環(huán)管進(jìn)行截?cái)喾舛赂脑?，如圖5(b)所示，降低環(huán)管錯(cuò)位的可能，提升調(diào)整的便易性，嚴(yán)把工藝驗(yàn)收關(guān)杜絕推力外循環(huán)吸油環(huán)管進(jìn)氣風(fēng)險(xiǎn)。

推力高壓油裝置包括2臺(tái)高壓油泵、油泵吸油過濾器、油泵出口單向閥、溢流閥、油泵出口過濾器、壓力開關(guān)及壓力表等。每次開機(jī)時(shí)高壓油裝置的直流泵首先啟動(dòng)，延時(shí)25s后交流泵啟動(dòng)，推力軸承油壓正常建立(建壓正常后停直流泵)。在機(jī)組停機(jī)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至90%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，啟動(dòng)交流高壓注油泵，停機(jī)至靜止穩(wěn)態(tài)后，高壓油裝置退出。交、直流泵互為備用，在運(yùn)行過程中一臺(tái)泵故障時(shí)，可以切換到另一臺(tái)泵。仙游電站新增一路推力高壓主油泵取油管路，如圖6所示，取油點(diǎn)位于推外過濾器后的管路的背壓區(qū)，管路中的油流經(jīng)冷卻器、過濾器自動(dòng)排氣，且在背壓區(qū)取油，進(jìn)一步降低油中氣泡含量。

經(jīng)過進(jìn)一步處理，仙游電站全廠4臺(tái)機(jī)推力高壓注油泵運(yùn)行異響、壓力、流量波動(dòng)等問題得到了解決，高壓注油裝置運(yùn)行狀態(tài)良好，出口壓力平穩(wěn)，推力瓦磨損拉傷問題得到根本上的解決。

4 結(jié)論

總體來說，初期分析認(rèn)為推力瓦局部不能形成油膜，在低轉(zhuǎn)速下造成瓦表面磨損拉傷，長期反復(fù)形成鎢金堆積，該觀點(diǎn)是正確的，并采用加大推力高壓注油泵流量、增厚推力油膜的方法也能解決推力瓦磨損拉傷問題。但造成仙游電站2號(hào)機(jī)推力瓦磨損拉傷的根本原因是推力外循環(huán)吸油環(huán)管吸入空氣混入透平油中，油氣混合物進(jìn)入推力高壓注油泵，油泵運(yùn)行壓力波動(dòng)、油管流量不穩(wěn)定，使推力瓦局部不能形成油膜，在低轉(zhuǎn)速下造成瓦表面磨損拉傷。此外，推力瓦采用雙油室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，容易形成 “蹺蹺板”，不是推力瓦徑向內(nèi)側(cè)磨損就是外側(cè)磨損，仙游電站3號(hào)、4號(hào)機(jī)推力瓦磨損拉傷位于徑向內(nèi)側(cè)。

從仙游電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，推力油槽透平油混入大量空氣形成氣泡危害較大，不僅會(huì)造成推力瓦磨損拉傷問題，還可能導(dǎo)致?lián)p壞導(dǎo)軸承、產(chǎn)生油污、影響電氣設(shè)備絕緣、降低二次元件可靠性、油泵運(yùn)行振動(dòng)大等諸多問題。如今正值抽水蓄能行業(yè)高速發(fā)展時(shí)期，建議各抽蓄電站從設(shè)計(jì)抓起，改進(jìn)推力冷卻循環(huán)結(jié)構(gòu)，在源頭上避免推力冷卻循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)氣的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)加強(qiáng)設(shè)備安裝檢修質(zhì)量管理，確保設(shè)備管路接頭緊固、密封可靠。盡可能地降低推力油槽氣泡含量，從而減少相關(guān)設(shè)備問題的發(fā)生，確保機(jī)組設(shè)備長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。