无轴领水导轴承在水轮机上的应用

无轴领水导轴承在水轮机上的应用

1无轴领水导轴承法由于水导轴的原理和技术的进步，水导轴的结构不断发展。巨型机组由于机组主轴尺寸大，轴领加工工艺复杂，相对传统带轴领的水导轴承而言，无轴领水导轴承降低了加工难度，因而受到生产厂家的青睐，但由于其润滑及冷却结构复杂，运行条件苛刻，对电站安全运行带来风险。随着无轴领水导轴承在三峡左岸电站的首次运用，国内无轴领水导轴承巨型水轮发电机组逐渐增多。本文主要以向家坝电站天津阿尔斯通（TAH）机型为例，结合国内同类机型历年运行经验，从无轴领水导轴承安全运行的角度，分析总结无轴领水导轴承的运行特点及注意事项。2立轴混流式水轮发电机组向家坝电站为金沙江梯级开发的最后一级电站，共装8台目前世界上单机容量最大的立轴混流式水轮发电机组，总容量6400MW。右岸地下厂房5号～8号机组由天津阿尔斯通水电设备有限公司生产，水轮机型号为HLF197A1-LJ-930，水导轴承采用无轴领稀油润滑油浸式分块瓦结构。2.1水导瓦的组成如图1所示，TAH水导轴承由水导瓦、上油箱、下油箱、外油箱、油循环冷却系统及自动化元件等部件组成。12块水导瓦均匀布置于水导上油箱内。机组运行时，水导上油箱内的润滑油一部分顺着油封环与大轴间的间隙漏至下油箱，再从下油箱自流回布置在顶盖内的外油箱，另一部分漫过溢流板经回油管回到外油箱。2.2自动化元件组成如图2所示，TAH水导油循环冷却系统由2台循环油泵、双筒滤过器、4组串联油冷却器及相关自动化元件等组成。外油箱中的油通过循环油泵经单向阀、冷却器、油滤过器后进入供油环管，再通过12个喷管将冷油供至各瓦之间，在大轴旋转离心力的作用下，冷油进入水导瓦与轴之间并形成油膜，带走机组运行时大轴与水导瓦之间产生的热量，起到冷却、润滑作用。2.3水导轴承停机规律水导外循环泵的启停由水轮机动力柜内PLC根据水导轴承上油箱油位、管道油流量或压力进行控制，正常时一台油泵运行，另一台油泵备用；油冷却器3组运行，1组备用。当机组启动时，电站监控发令启动水导油循环泵，由于此时水导上部油箱油位较低，2台水导外循环油泵同时启动，当油位大于停备用泵油位后，备用泵停运。运行过程中如上油箱油位或管道油流量（压力）降低到启备用泵整定值时，备用泵将启动。TAH机组水导轴承设有4种停机保护：上油箱油位过低监控启动快速停机流程；双泵全停延时启动快速停机流程；监控系统水导瓦温过高直接启动快速停机流程；水机后备保护中的水导瓦温保护。三峡左岸阿尔斯通机组还设有上油箱油位过低启动水机后备保护。3影响水导瓦安全稳定运行的因素水导轴承安全运行的核心就是水导瓦的安全运行，上油箱的油位及油温是影响水导瓦的安全稳定运行的主要因素。无轴领水导在三峡电站已经运行了10年，其运行中出现的问题主要可以分成水导油泵异常、油位异常、温度异常等几个方面。3.1油箱流至下油箱的可循环冷却水导油泵的作用主要有两点：一是持续供油补偿水导上油箱流至下油箱的漏油，二是维持润滑油的循环冷却。如何保证外循环油泵的安全稳定运行是无轴领水导运行的重要课题。在运行过程中水导油泵主要有以下故障：3.1.1水导泵系统故障分析机组运行中水导油泵双泵全停，将导致上油箱的供油消失，油位急剧下降，可能造成水导瓦烧毁的恶性事故。水导泵双泵全停是无轴领水导轴承运行的最大风险。一般造成双泵全停的原因有以下几点：(1）厂用电消失。目前由于备自投装置的广泛运行，厂用电系统的可靠性大大增强。但在电站投产初期，由于厂用电系统比较薄弱，应特别注意方式安排，保证水轮机动力柜有两路独立AC380V进线，提高水导油泵动力电源的可靠性。在倒换厂用电时应特别注意不能影响水导油泵的运行，必要时派人现场监视水轮机动力柜内动力电源切换正常。(2）油泵控制回路设备故障。三峡左岸电厂投产初期，在一次厂用电倒换过程中某机组水轮机动力柜AC48V控制电源进线空气开关跳开造成水导泵双泵全停，水导上油箱油位急速下降使水导瓦与主轴发生干摩擦，导致水导轴瓦严重烧损。通过分析发现原控制电源进线开关的容量过小，且水轮机动力柜仅有这一路AC220V取自动力母线单相经控制变压器转变成AC48V。后增加一路AC48V控制电源进线，并将控制电源进线空开更换为更大容量的空开，同时在其他同类型机组做了相同技改，至今运行稳定。(3）油泵动力回路设备故障。某机组开机并网后1小时之内，水轮机动力柜2号电源和1号电源相继脱扣，造成水轮机动力柜两路电源消失，两台水导循环泵全停，事故停机。检查发现该机组自用电水轮机动力柜进线电源开关容量过小（In:100A），而油泵启动电流幅值为160A～210A，且幅值随启动次数增加而增大，备用泵频繁启动而导致电源脱扣。水轮机动力柜原设计为一路动力电源负担两台水导油泵及两台顶盖水泵，后优化为两路动力电源分别负担一台水导油泵和一台顶盖水泵，并且将进线开关更换成额定电流160A的开关。(4)PLC故障误开出。水导泵正常运行时由水轮机动力柜PLC控制，当PLC掉电或死机时水导泵能够保持当前状态运行；但是如果此时由于故障使开出模块误开出停泵令，将导致双泵全停。2012年5月，某电厂29F水轮机动力柜PLC故障报警，此时PLC内控制程序停止运行，油泵已失控，保持在2号泵运行。22min后，PLC的开出模件误输出，致使2号泵停运，导致双泵全停，29F事故跳闸。通常水导泵有常规回路的手动控制和由PLC开出的自动控制，当PLC出现故障时，运行人员应及时将泵控制方式切至手动，启动油泵维持上油箱油位。(5）水导外油箱油位过低。水导油泵布置于水导外油箱两侧，同时油箱两侧各设有油位低及油位过低两对液位开关。为防止水导泵干抽烧泵，在泵的控制回路中串有对应侧外油箱油位过低的接点，以实现水导油泵的低油位保护。故在运行过程中应密切关注外油箱油位，油位低时及时对水导轴承加油并查明原因，避免水导泵双泵全停扩大事故。(6）误关油阀导致油流中断。由于TAH机组4组冷却器油回路与冷却水回路均采用串联方式连接，按3组运行、1组备用投运，在冷却器倒换过程中如操作顺序错误将油路中断，就很可能导致水导泵过载停运。因此在冷却器倒换过程中应特别注意，严格按照退出冷却器时先开旁通阀后关进出口阀、投运冷却器时先开进出口阀后关旁通阀的顺序操作。3.1.2水导控制回路增设难备用泵频繁启动不仅仅对油泵电机组损害较大，甚至可能导致类似上述案例双泵全停强迫停机的事故。机组正常运行时单台泵运行即可满足运行要求，当上油箱油位低或油循环管路流量(压力)低时将启动备用泵。造成备用泵频繁启动的原因主要有：(1）油泵效率降低或油封环漏油量大，使水导上油箱运行油位临近启备用泵油位。由于水导油位计距离大轴较近，安装位置振动较大，加上油箱中的油在离心力作用下也会有波动。如果上油箱中的运行油位逼近启动备用泵油位，由于油位波动导致水导备用泵频繁启动。三峡左岸机组就出现过类似现象，为此针对左岸阿尔斯通机组水导控制回路进行技改，使备用泵启动后保持运行2h。(2）油位计自身结构缺陷。三峡左岸电站某机组备用泵频繁启动的主要原因是由于用以控制备用泵启动的油位计套筒上多一个约30mm×400mm的槽，查明发现正是由于这个槽的存在加剧了该油位计液位的波动。(3）启备用泵流量（压力）整定值不合理。如果其整定值与油泵正常运行流量（压力）相近，很可能导致备用泵的频繁启动。3.1.3油流量检测水导油泵正常运行时应该是一台运行、一台备用，双泵运行降低了系统正常运行的寿命，降低了系统冗余可靠性，并且当一台泵退出运行时由于水导上油箱的油位可能无法维持而导致机组的强迫停运。造成双泵长期同时运行的原因主要有：(1）油封环密封效果不好，必须通过两台泵才能保证上油箱油位。此时须对水导油封环进行检修，调整油封环与大轴之间的间隙，确保单泵运行时能够保证上油箱的油位在正常范围内。(2）油流量计测值不准（针对管道油流量低启动备用泵逻辑）。根据三峡运行实际情况发现热导式流量计只适合测量常温下的流体，而机组运行中的水导油槽油温达43℃，测量不准确，后改进成超声波流量计。但在水导上油箱油位正常后水导备用泵停泵时（主泵仍运行），管路内会产生大量气泡，致使超声波油流量计测量值为零，触发油流低信号，从而在油位正常情况下油流低信号启动了备用泵并保持运行。后对泵控制回路进行技改，在流量低启备用泵的回路中串入上油箱油位低接点，解决因流量计测值不准导致的双泵运行。(3）启备用泵流量（压力）整定值过高。当启动备用泵的整定值过高时，启动备用泵条件一直满足，可能会导致备用泵的长期运行。3.1.4大机组全厂泵运行过程控制对于油泵电机而言，长时间运行将大大降低其使用寿命，所以一般都设有油泵主备倒换逻辑。但在机组运行过程中进行油泵倒换存在较大风险，所以应确保倒换逻辑的合理性，避免在机组运行过程中进行油泵主备用倒换；同时合理安排油泵运行时间，避免长时间在一台泵运行。三峡电站某机组水导由于长时间在1号泵运行，造成1号水导泵联轴器损坏，2号油泵虽然启动，但由于泵启动建压出油不能补充油位快速下降的速度，从而上油箱油位过低保护动作出口。针对此事故，三峡电站规范了主备用泵的定期倒换，确保两台泵均匀、对等运行；向家坝TAH机组水导外循环油泵在其PLC控制程序中就设有主备用泵自动轮换功能，来合理分配油泵运行时间，提高水导循环系统的运行可靠性。3.1.5水导油泵双泵运行故障分析水导油循环管路流量低将导致上油箱油位下降，严重时可能造成强迫停机。管道油流量低一般伴随着压力的变化，管路油流量低的原因主要有：一是油泵及电机效率下降；二是油泵出口单向阀发卡，运行油泵出口的油经另一单向阀又回到外油箱，降低油泵运行效率，通过泵的倒换可能消除此现象；三是管路有漏点，应对油循环系统全面检查尽快消除漏点；四是双筒滤过器堵塞，此时滤过器压差可能报警，可以通过切换滤过器来消除此现象。从上述故障现象分析中可以发现，导致水导油泵双泵运行异常的主要原因是设计的缺陷、设备选型及控制逻辑的不合理。向家坝电站水轮机动力柜动力电源采用两路AC380V电源进线，柜内动力母线分段，正常运行时动力柜分段运行，柜内设有动力电源自动切换回路，可自动实现动力电源的联络分段切换；两路动力电源分别负担一台水导油泵和一台顶盖水泵，两水导外循环油泵的控制电源分别取自其对应的动力电源进线A相，由柜内的PLC根据水导上油箱油位及管路油压力进行控制。PLC控制电源由一路AC220V/DC24V及一路DC220V/DC24V经电源切换装置后供电。在设计上充分吸收了其他电站的运行经验，保证两台泵的动力与控制回路相互独立，提高油泵运行的可靠性。在向家坝电站TAH水导的设备质量及安装质量得到保证的前提下，完善油泵控制逻辑，加强运行监视就可以有效地遏制水导双泵全停的事故。3.2油位计误动的预防无轴领水导轴承有三个油箱，每个油箱都设有独立的油位计或液位开关用以监视或自动化控制，每个油箱的油位变化所反映的信息也有所区别。同时由于油位计自身结构的原因，可能存在油位计发卡或零点漂移的现象，在运行过程中出现油位异常现象应及时现场确认。如出现油位计误动或拒动情况应及时采取措施并联系专业部门处理。以下油位异常分析均不考虑油位计的因素。3.2.1外油箱油位下降水导外油箱安装于水轮机顶盖上，用以承接上油箱及下油箱的回油。外油箱设有一套磁翻板式油位计，油箱两侧各设两套油位低及过低的液位开关，其油位过低的液位开关用于水导泵的控制，以防止外油箱油位过低时启泵造成油泵干抽烧泵的事故。水导外循环系统停运状态下，水导轴承内的润滑油靠自重回流至外油箱，外油箱油位所反映的是水导轴承总油量。水导外油箱油位升高时，在排除温度因素的情况下，应检查外油箱油混水装置或取油样进行化验确定油箱是否进水，同时关闭水导冷却器进出口油阀进一步观察油位是否上升，以确定是否系冷却器漏水所致。水导外油箱油位下降时在排除温度因素的情况下，应全面检查水导外循环系统是否存在泄露。水导外循环系统正常运行时，水导上油箱油位应该是相对稳定的，此时水导外油箱的油位也是相对稳定的。此时水导外油箱油位持续升高的原因主要有：一是油冷却器内油管上可能有沙眼，导致冷却水进入油中；二是冷却器热交换效率变差，油温的上升引起油位上升。外油箱油位降低的原因主要有：一是水温的降低或冷却水流量增大使水导冷却器热交换效率提升，油温的下降引起油位下降；二是油循环系统存在油泄露点，特别是测压表计等表头松动或脱落；三是水导下油箱回油管堵塞导致润滑油积在下油箱内无法顺畅地排到外油箱，此时下油箱的油位上升。3.2.2油位监视及油泵控制由于水导瓦布置在上油箱内，上油箱油位的正常是水导瓦安全的基本保障，所以上油箱油位的监视显得尤为重要，在水导上油箱布置有2套油位计用于油位监视、油泵控制及保护。机组正常运行时，上油箱中通过油封环的漏油量及通过溢流板的甩油量基本是恒定的，与油泵的供油基本平衡。上油箱常见的油位问题主要有油位降低。上油箱油位降低的主要原因有：一是进油管流量下降（分析处理同3.1.5）。二是上油箱漏油量增大，此时检查机组振动摆度是否在正常范围内，如振动摆度超标应及时调整机组出力优化运行工况；如振动摆度正常，可能是因为油封出现异常导致通过油封环的漏油增大。3.2.3液位开关工作原理水导下油箱的作用就是承接上油箱经油封环的漏油。油箱中设有油位高及过高的液位开关。正常情况下水导下油箱内不储油，油箱中的漏油经排油管自流排至外油箱。下油箱油位高的原因主要是其排油管堵塞，此时应密切关注外油箱的油位，防止外油箱油位过低引起双泵全停导致机组强迫停运。3.3技术供水系统异常向家坝水导轴承12块水导瓦，各布置一组测温PT送监控系统供监视及保护用。另外在12块水导瓦上均匀的选取4块水导瓦布置独立的共4组测温PT，送至水轮机仪表柜上的4块水导瓦温表。每块瓦温表除了能够在现地显示瓦温外，还能够送出2个开关量，一个温度高信号送至监控，一个温度过高信号则成为了水机后备瓦温保护的输入。水导瓦温是水导运行工况的晴雨表，水导瓦温过高将缩短瓦的使用寿命，甚至造成烧瓦事故。引起水导瓦温异常升高的主要原因有：(1）冷却回路异常。冷却水的压力、流量降低及冷却器堵塞都将降低冷却器的热交换效率，导致水导瓦温度的上升。如技术供水系统异常可以调整技术供水运行方式维持技术供水系统流量、压力正常或投入备用冷却器提高热交换率。如技术供水系统运行正常，则可能是由于水导冷却器堵塞或因振动使阀门小开度导致水导冷却水流量低，此时应确认阀门状态正常，水导冷却器堵塞可以通过技术供水正反向倒换对冷却器进行反冲洗，如仍不能消除，可以投入备用冷却器，将堵塞冷却器隔离。由于冷却水回路串联运行，在进行冷却器倒换过程中应严格按照投入冷却器时先开旁通阀后关进出口阀，退出冷却器时先开进出口阀后关旁通阀的顺序，避免倒换过程中冷却水中断。(2）机组运行工况差。机组正常运行时应尽量避免在振动区运行，如发现机组运行工况差，振动摆度超标，应及时调整机组出力，改善机组运行工况，保证机组振动摆度在合理范围内。(3）水导瓦间隙发生变化，导致瓦温上升。向家坝TAH机组水导瓦单边设计间隙为0.3mm，水导瓦的间隙调整是通过安装于水导瓦背部球面支钉与轴承支座之间的楔子板来实现的，当楔子板下降时，瓦间隙减小，楔子板上升时，瓦间隙增大。楔子板上部的调节螺杆与楔子板的固定是通过螺纹锁固剂和双背帽防松来实现的，楔子板在轴向力和周向摩擦力的联合作用下，随着运行时间的延长，可能会引起螺纹锁固剂失效或双背帽松动，导致调整螺杆松动或松脱，使瓦间隙变小，瓦温上升。(4）水导瓦冷却油管喷嘴堵塞。进入环管的冷油，通过布置在每块瓦侧的冷油喷管，将冷油喷在大轴上，通过大轴的转动将冷油带入轴瓦表面，进行润滑冷却。如果喷油管堵塞，将导致该轴瓦表面冷却效果降低，引起该轴瓦的温度上升。(5）油槽油混水。油槽油混水使润滑油油质恶化，润滑性能下降，导致轴瓦温度上升。油槽油混水的监测可以通过水导外油箱的油混水装置自动报警，也可以通过观察润滑油是否变乳白色，及