老機(jī)組在節(jié)能環(huán)保方面深入挖潛的嘗試

陳 列，周慶大，許云峰

(1.中國(guó)華電集團(tuán)有限公司衢州烏溪江分公司，浙江 衢州 324000；2.浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311121)

1 概 述

湖南鎮(zhèn)水電站位于浙江省衢州市境內(nèi)錢塘江支流烏溪江上，下距黃壇口水電站約25 km，是烏溪江水能資源開(kāi)發(fā)的梯級(jí)電站之一，具有發(fā)電、防洪、灌溉、航運(yùn)和供水等綜合效益。電站于1958年開(kāi)工，1961年停建，1970年復(fù)工，1979年第1臺(tái)機(jī)組發(fā)電，1980年所有4臺(tái)機(jī)組均完成投產(chǎn)發(fā)電。擴(kuò)建工程于1994年10月開(kāi)工，1996 年11月1日5號(hào)機(jī)組投入試運(yùn)行，后投入正常運(yùn)行。可見(jiàn)湖南鎮(zhèn)水電站是個(gè)不折不扣的老電站，然而灌溉、供水的功能始終繃緊著烏溪江水電人心中環(huán)保的這根弦，同時(shí)使老電站老機(jī)組跟上節(jié)能減排的時(shí)代步伐也是烏溪江水電人不懈的追求。電站工作人員通過(guò)仔細(xì)研究，通過(guò)“克扣”機(jī)組冷卻水的辦法，僅5號(hào)機(jī)組就實(shí)現(xiàn)了平均每年節(jié)水460萬(wàn)t；3、4號(hào)機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)軸承實(shí)現(xiàn)了無(wú)油化運(yùn)行，降低了水源污染風(fēng)險(xiǎn)，機(jī)組運(yùn)行更加環(huán)保。

2 節(jié)能減排嘗試

5號(hào)機(jī)組于1996年投產(chǎn)發(fā)電，發(fā)電機(jī)采用自循環(huán)空氣冷卻，設(shè)置了12個(gè)空氣冷卻器，冷卻器標(biāo)稱容量190 kW，空冷器設(shè)計(jì)水壓為0.15～0.25 MPa。

2.1 發(fā)電機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)

機(jī)組轉(zhuǎn)子為三段軸形式[1]，中間段為焊接結(jié)構(gòu)圓盤式轉(zhuǎn)子支架，轉(zhuǎn)子上下兩端不設(shè)置風(fēng)扇，減低了不必要的風(fēng)阻及循環(huán)風(fēng)量損失。推力軸承采用彈性金屬塑料瓦，摩擦系數(shù)明顯小于烏金瓦，有益于推力軸承摩擦損壞的降低。

無(wú)論是發(fā)電機(jī)循環(huán)空氣冷卻使用的空冷器，還是推力軸承的油冷卻器，均使用水作為冷卻介質(zhì)，其供水均來(lái)自機(jī)組技術(shù)供水。

2.2 相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

2012年5號(hào)機(jī)組進(jìn)行了B級(jí)檢修[2]，檢修完成后電站人員對(duì)每一項(xiàng)機(jī)組運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢查，確認(rèn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)滿足要求；至此，通常檢修工作可以圓滿地告一段落。然而，烏溪江電廠工作人員將B修前的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)找出與B修后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，細(xì)致謹(jǐn)慎的工作傳統(tǒng)發(fā)揮了意想不到的作用。在海量的數(shù)據(jù)中，工作人員敏銳地發(fā)現(xiàn)2011年有一段時(shí)間機(jī)組定子溫升均滿足要求，而冷卻水的壓力稍有不同；同時(shí)空氣冷卻器的表面結(jié)露情況也稍有差異。

表1摘錄了2012年5號(hào)機(jī)組B修后一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，冷卻器水壓在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)偏大值范圍，定子鐵芯、定子線圈最高溫度均滿足設(shè)計(jì)要求，冷卻器表面有微量或少量結(jié)露。

表1 2012年5號(hào)機(jī)組不同時(shí)段、不同空冷器水壓下參數(shù)

根據(jù)表1運(yùn)行數(shù)據(jù)篩選2011年環(huán)境溫度接近、機(jī)組出力接近的運(yùn)行數(shù)據(jù)，得到其中相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)冷卻器供水壓力明顯處于設(shè)計(jì)值的低值段，將相應(yīng)數(shù)據(jù)摘錄于表2。

表2 2011年5號(hào)機(jī)組不同時(shí)段、不同空冷器水壓下參數(shù)

由表1、表2數(shù)據(jù)可以看出，在機(jī)組出力基本一致、環(huán)境溫度基本一致的情況下，2011年冷卻器供水壓力在0.17～0.19 MPa之間，定子鐵芯溫度、定子線圈溫度均滿足要求，冷卻器表面無(wú)結(jié)露。而2012年相應(yīng)工況冷卻器供水壓力在0.21～0.25 MPa之間，定子鐵芯溫度、定子線圈溫度均滿足要求，冷卻器表面在冷卻器水壓0.22 MPa以上時(shí)出現(xiàn)了微量或少量的結(jié)露。

因而根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄以及冷卻器設(shè)計(jì)壓力值在0.15～0.25 MPa之間，可以判斷保持冷卻器供水壓力在0.17 MPa能夠滿足機(jī)組冷卻要求，同時(shí)避免了結(jié)露現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.3 節(jié)水分析

對(duì)于5號(hào)機(jī)組來(lái)講，其冷卻系統(tǒng)是固定設(shè)備，整個(gè)流路的沿程損失系數(shù)、局部損失系數(shù)可以認(rèn)為是不變的。

上兩式中，hf、hj為沿程損失、局部損失；λ、ξ為沿程損失系數(shù)、局部損失系數(shù)，流路不變，因此此兩數(shù)值可看做不變；l、d為管路長(zhǎng)度、管路直徑，流路不變，因此此兩數(shù)值不變；v為流速；g為重力加速度，地理位置不變因而為常數(shù)。

對(duì)于5號(hào)機(jī)組來(lái)說(shuō)，冷卻系統(tǒng)為一次冷卻，其冷卻水出口壓力記為零，冷卻器進(jìn)口到冷卻水出口總的壓力損失等于沿程損失加局部損失，也就是冷卻系統(tǒng)的供水壓力p；于是有：

p∝v2

由于流路各部分面積固定不變，于是冷卻水流量：Q∝v，因而：

p∝Q2

也就是：

表1時(shí)段機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)組平均冷卻用水壓力0.24 MPa，平均流量1 532 m3/h；因此預(yù)估0.17 MPa供水壓力下的平均流量：

將機(jī)組供水壓力調(diào)整為0.17 MPa后，機(jī)組平均冷卻水量為1 302 m3/h；該值與計(jì)算值比較吻合。實(shí)際運(yùn)行顯示，機(jī)組溫升均在合理范圍，冷卻器也沒(méi)有發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象。以年平均運(yùn)行2 000 h計(jì)算，5號(hào)機(jī)組每年可節(jié)水460萬(wàn)m3。

3 環(huán)保方面嘗試

2015—2018年，湖南鎮(zhèn)水電站委托浙江富春江水電設(shè)備有限公司對(duì)1、3、4號(hào)水輪機(jī)進(jìn)行了改造，其中3、4號(hào)機(jī)組采用了水潤(rùn)滑軸承，避免了軸承潤(rùn)滑油滲漏給河流帶來(lái)污染的風(fēng)險(xiǎn)。本次軸承改造采用了高分子材料軸瓦，相對(duì)橡膠軸瓦材料而言，具有更低的摩擦系數(shù)即更低的摩擦損失。

3.1 主軸改造

水輪機(jī)主軸通常為碳鋼或合金鋼鍛件，采用水潤(rùn)滑軸承時(shí)，由于沒(méi)有潤(rùn)滑油的浸潤(rùn)保護(hù)，必須采取相應(yīng)的措施避免軸徑銹蝕而帶來(lái)的使用壽命及機(jī)組穩(wěn)定性問(wèn)題。

3、4號(hào)機(jī)組主軸均返廠進(jìn)行了處理。軸瓦相對(duì)應(yīng)的軸徑部分設(shè)計(jì)了不銹鋼護(hù)套，不銹鋼護(hù)套選擇了耐磨性較好的S135材料。

基本處理順序?yàn)椋?/p>

護(hù)套外徑加工、檢驗(yàn)后主軸才下機(jī)床，該工藝很好地保證了軸徑的同軸度。

3.2 軸承改造

較早的水潤(rùn)滑軸承材料一般選用橡膠材料，本次改造選用了高分子自潤(rùn)滑材料，其與橡膠軸承材料性能對(duì)比如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)對(duì)比

由表3可見(jiàn)，所選材料用于水導(dǎo)軸承較軸承橡膠有更好的性能：摩擦系數(shù)更小、承載能力更強(qiáng)。

非金屬軸承的導(dǎo)熱系數(shù)都相對(duì)較小，軸承損耗產(chǎn)生的熱能均需由冷卻潤(rùn)滑水帶走，軸承溫度過(guò)高會(huì)使軸承材料軟化失去承載能力，因而潤(rùn)滑供水量需留有一定裕度。

水導(dǎo)軸承負(fù)荷P約為53 kN，軸承公稱表面壓力p為：

p=P/(D×L)=0.15 MPa

式中，P為軸承負(fù)荷(53 000 N)；D為軸承內(nèi)徑(670 mm)；L為軸瓦高度(525 mm)。

軸承公稱表面壓力小于許用表面壓力0.5 MPa，軸承承載能力滿足要求。

軸承損失pf估算：

pf=P·(π·D·n)·μ/60=18 584 W

式中，P為軸承負(fù)荷(53 000 N)；D為軸承內(nèi)徑(670 mm)；n為主軸轉(zhuǎn)速(250 r/min)；μ為摩擦系數(shù)(0.05)。

潤(rùn)滑水量按照假定軸承損失產(chǎn)生的熱均由潤(rùn)滑水帶走，潤(rùn)滑水溫升按4K進(jìn)行核算，必要潤(rùn)滑水量Q：

Q=60×pf/(Δt×C)=66.7 L/min

式中，pf為軸承損失(18 584 W)；Δt為潤(rùn)滑水溫升(4K)；C為潤(rùn)滑水比熱容(4 180 J/(kg·K))。

選擇1.5倍必要潤(rùn)滑水量作為最低供水量，即Q供=1.5Q=100 L/min。密封水壓力隨尾水壓力脈動(dòng)而波動(dòng)，軸承實(shí)際潤(rùn)滑水量也因此而波動(dòng)。因此，3、4號(hào)機(jī)水導(dǎo)軸承潤(rùn)滑水量設(shè)計(jì)為100～200 L/min，即軸承最小供水量不應(yīng)低于100 L/min。

軸承材料采用螺栓把合及粘接的方式與不銹鋼基板聯(lián)結(jié)成一體，然后通過(guò)螺栓固定到軸承體上，詳見(jiàn)圖1。

圖1 水導(dǎo)軸承三維示意圖

水導(dǎo)軸承改造后，瓦溫正常，機(jī)組振動(dòng)、擺度情況良好。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)5號(hào)機(jī)組歷史運(yùn)行記錄進(jìn)行對(duì)比、篩選，并進(jìn)行計(jì)算分析，最終通過(guò)調(diào)控機(jī)組冷卻水壓的方法，獲得年均460萬(wàn)t的節(jié)水成果。3、4號(hào)機(jī)組水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承的改造獲得成功，為其他機(jī)組無(wú)油化改造提供了良好范例，為水電站降低水資源污染風(fēng)險(xiǎn)提供了可借鑒的實(shí)例。

湖南鎮(zhèn)水電站在老電站、老機(jī)組基礎(chǔ)上，在節(jié)能、環(huán)保方面深入挖潛做了有益嘗試，收到了良好效果。