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    • 水轮发电机推力轴瓦降温措施研讨

        摘    要:

        介绍某巨型水电厂针对推力轴承运行时瓦温偏高的问题,通过改变推力轴承支柱的接触型面、在瓦间增设隔油装置等措施,使4号发电机在相同负荷下的推力瓦温平均降低了4.5℃,瓦温最高降幅达6.9℃,达到了预期效果。该类处理措施对推力轴承运行时瓦温偏高的各水电厂具有良好的参考和借鉴价值。

        前言

        某巨型水电厂装设有6台单机容量为700MW的立轴半伞式水轮发电机组,额定转速为150r/min,水轮发电机型号SF700-40/12770,最大水头(251m)与最小水头(164m)比值为1.53,是我国当前70万千瓦水轮发电机组中水头最高的水轮发电机。推力轴承采用小支柱弹性支撑的双层巴氏合金瓦,轴承有效承载面积60313 cm2,单位压力4.39 MPa,采用外循环冷却方式,由装设在镜板周围的导瓦泵驱动油流动。

        该电厂各机组投产后,使用泵站作为机组技术主供水方式时,推力瓦运行温度比较均匀,但整体偏高,最高运行瓦温为76~80℃;当使用顶盖技术供水方式运行时,推力瓦温比泵站主供水时高5~8℃,最高达85.3℃。在水温和油槽内油温均不高的情况下,最高瓦温已到设定值。

        推力轴承瓦的监测温度与轴承的设计参数、润滑介质、循环冷却方式、运行条件、瓦面材料、测量方法和测量位置等有直接的关系。目前,针对推力轴承运行时瓦温偏高的解决措施主要包含以下几类:

        (1)选择合适的推力瓦结构型式。通过对三峡机组推力轴瓦的试验和研究,认为具有双层结构的钨金瓦可减小轴瓦负荷时的温度梯度,使其几乎为零,抑制了较大的热和机械变形。东风水电站170MW机组带负荷运行过程中发生了2次推力瓦温突增,现场通过刮瓦、增大瓦面进油量、调整冷却器安装位置等方式,使平均运行瓦温降低了2~3℃,取得了较好效果。有文献对大型水轮发电机组推力轴承结构型式及特点进行了比较,举例说明了国内部分大型水轮发电机组推力轴承在机械变形和热变形对轴瓦的均匀性、倾斜灵活性等方面的特点。

        (2)优化结构。白岩水电站通过增加止漏环等装置,减小了水推力,有效解决了机组推力瓦温度偏高的问题。刘家峡水电厂在4号发电机进行技术改造时,通过增大推力瓦面积和偏心距,有效解决了推力瓦温偏高的问题。

        (3)优化冷却循环系统。通过在冶勒水电站1号发电机组推力瓦盖上增加通油孔,取消冷却器套管,增加6个冷却器及1套冷却供排水管路,使推力瓦温降低至设计范围。上峰水库二级水电站通过增设推力外循环冷却器,使轴瓦温度下降15℃,确保了机组的安全运行。Yeywa水电站推力轴承运行时瓦温偏高,现场通过加大推力轴瓦进油边、加大冷却器容量等方法降低了运行瓦温。梨园发电公司4号机组同样存在推力瓦温和油温偏高的现象,在实施了加大油循环流量、拆除高精度滤网等处理措施后,有效改善了推力瓦温和油温。针对三峡左岸电厂VGS机组推力轴承瓦温偏高问题,提高油冷却器容量和改善油槽内循环路径优化了冷却系统。

        (4)合理安装机组和监控运行过程。机组运行特性、安装及运行管理等都会对发电机推力轴承的运行稳定性造成影响,因此为降低推力轴瓦温度、提升推力轴承运行稳定性,要从安装、检修、运行等方面,结合现场实际制定处理措施。冷却供水不正常、机组振摆增大、测温元件损坏等原因都会引起推力瓦温上升,可通过提升推力水流中断信号的可靠性、加强检修质量、加固测温元件回路等方式,来避免出现推力轴承瓦温偏高问题。

        通过总结各方经验,该电厂选用小支柱双层瓦推力轴承结构,小支柱的弹性变形等同于轴瓦和镜板的剩余变形,从而进一步改善了油膜的分布。为降低发电机推力轴承的运行瓦温、确保推力轴承以及机组的安全稳定运行,本文将推力轴承支柱接触型面由平面改为球面、更换托盘,并在推力瓦间增设隔油装置。优化轴承结构和冷却循环系统,其中对冷却循环系统的优化没有采取以前增加冷却器和循环流量的方式,而是增加隔油装置,增大冷油有效供给。通过改善瓦摆动和进油区域冷油的有效供给,显著降低了推力轴承的运行瓦温,达到了预期效果,带来了显著的安全和经济效益。

        1 类似电厂推力轴承技术参数及瓦温对比

        DL/T 751-2014《水轮发电机运行规程》第3.2.9条明确规定,发电机在正常运行工况下,推力轴承巴氏合金瓦的最高运行温度不宜超过80℃。

        将该电站推力轴承的主要技术参数与同样采用小支柱双层瓦结构的其他电站(如三峡、龙滩、拉西瓦等)进行对比,可见除拉西瓦最高瓦温为75℃外,三峡、龙滩、二滩和该电站的最高瓦温均接近或略超80℃。

        2 该电厂前期开展的降推力瓦温研究

        该电厂为有效降低推力瓦温,前期结合机组大修对推力轴瓦、镜板及推力头进行了检查,对发电机推力轴承冷却器进行了改造,到类似电厂对优化油循环方式进行了调研,借鉴了对于类似问题处理的成功经验。

        2.1 大修期间推力轴瓦、镜板及推力头检查

        该电厂利用历次机组大修机会,对发电机推力轴瓦、镜板、推力头等部位进行了全面清洁、检查,未见明显磨损现象,经测量推力瓦厚度均在正常范围内,例如2号机组,在2011年1月大修时各推力轴瓦的厚度为64.00~64.04mm,2013年1月大修时各推力轴瓦厚度为64.00~64.02mm。这说明设备磨损或疲劳问题不是造成该厂推力瓦温偏高的原因。

        2.2 发电机推力轴承冷却器改造

        为测试发电机推力轴承冷却器换热功率提升对推力瓦温的影响,该电厂在2011~2012年度检修期间,在1号发电机推力轴承上新增了2台并联的冷却器,将推力冷却器数量由4台增加至6台。改造后推力油温下降约5℃,但推力瓦温无改善。

        2.3 优化油循环方式

        该电厂为优化油循环方式,到相关电厂进行了调研,情况如下:

        黑麋峰电厂在推力轴瓦之间加装了接触式的热油隔离降温装置,聚四氟乙烯材质的挡油板通过底部弹簧作用向上贴合镜板,运行中能将附着在镜板面上的热油刮落使其不再进入下一块轴瓦面,从而降低推力瓦的运行温度。加装该装置后,推力轴承运行时最高瓦温下降了8~12℃,抽水工况下推力轴瓦温度降幅在10℃以上,达到了预期降温目标。

        锦屏电厂推力轴瓦在设计时就加设了非接触式的热油隔离降温装置,其挡油板使用软铜材质,镜板与刮油刷的间隙约为0.3~0.5mm,推力瓦温度在65℃以下,运行情况良好。

        3 瓦温偏高原因分析

        承载着水轮发电机组轴向水推力及转子重量的推力轴承是发电机组件中最为重要的部分之一,运行时轴瓦温度会受到热变形、润滑、热油携带、热交换、瓦面及镜板粗糙度等方面的影响,轴瓦性能的优劣直接关系到水力发电的运行安全及发电机组的出力和效率。

        为彻底解决推力轴承运行时瓦温偏高的问题,该电厂针对推力轴承的结构进行了深入分析。

        3.1 推力轴瓦结构

        该电厂推力轴瓦由薄瓦、托瓦和一簇不同直径不同弹性的小支柱组成。

        受机组载荷和温度梯度的影响,推力轴瓦和镜板在运行中会产生一定的变形。小支柱可以把托瓦和温度升高的推力瓦隔离开,这样可以忽略托瓦产生的热变形,尽管稍薄的推力瓦也承受了明显的温度梯度变形,但是在负荷、厚度、刚度都较大的托瓦的作用下得以补偿。单个小支柱直径的选取和分布原则是要抵消推力瓦的弹性变形和残余热变形。对小支柱直径的进一步优化,还可以补偿镜板的变形。从轴承的参数设计以及类似机组推力轴承的参数比照可以看出,推力轴瓦结构设计较为合理,考虑了严格控制瓦变形、建立合适的油膜厚度,可保证最佳的油膜压力分布,以获得最佳的油膜厚度分布。

        3.2 推力轴承支撑结构

        支撑结构是推力轴承的重要组成部分,对单瓦的承载能力和瓦间负荷分配有很大影响。托瓦固定在托盘上,可增加接触面及载荷分布,能避免托瓦支撑部位压力过大,并可减小轴瓦变形。托盘支撑在支柱上,调整支柱可使瓦间受力均衡。轴瓦可随托盘在支柱上摆动,以便在瓦面建立动压润滑油楔。

        通过与该电厂推力轴承单位压力、平均线速度、单瓦面积、进油温度、最小油膜厚度等参数极为接近的溪洛渡电厂推力轴承进行对比,发现两个电厂的推力轴承主要差别在于该电厂采用的支柱接触面为平面,而溪洛渡采用SR11000型球面接触,支撑支柱型式的不同将直接影响推力瓦的周向偏心(瓦的周向偏心率设计值为10%)和摆动灵活性。

        该电厂当前平面支柱的情况如图3所示,推力轴瓦工作状态下的支点前移量最大可达35mm,运行中的周向偏心率最小仅为3.6%,与设计值偏差较大。按最劣情况计算,瓦面实际油流量比设计值减少了26.6%,会引起推力瓦温相对提高。

        如果该电厂采用SR11000球面支柱,经计算,推力轴瓦在额定工况的周向倾斜角度为0.000317°,相应的支点仅前移3.5mm,运行中的周向偏心率为9.4%,与设计值相近,瓦面实际油流量能够得到保障。

        因此,推力轴承支撑结构不合理,是引起推力轴承运行时瓦温偏高的原因之一。

        4 推力轴瓦降温措施制定及实施

        4.1 措施制定

        通过上述分析,该电厂认为发电机推力轴瓦润滑参数设计合理,但推力轴承的平面支柱型式造成了推力瓦周向偏心率偏低,使推力瓦面实际进油量偏少,瓦面油膜温度偏高,从而造成运行时瓦温较高。为提高推力瓦周向偏心率、降低瓦温,因此计划将该电厂推力轴承平面支柱改为球面支柱,同时改造需配套使用的托盘。

        为进一步降低推力瓦温度,参考改善效果较好的电厂的经验,该电厂决定在原推力瓦之间的导流板上设置非接触式的隔油装置,减少推力瓦间的热油携带,提高冷油的有效供给,从而进一步降低推力轴承运行时的瓦温。

        4.2 措施实施

        该电厂结合2018~2019年度4号机组大修,对发电机推力轴承结构进行了优化,将推力轴承支柱的平面接触改为球面接触,更换托盘,并增设隔油装置。

        4.3 实施效果

        该电厂2018~2019年度4号机组大修前,泵站供水方式下500MW有功负荷稳定运行时最高瓦温为80.2℃;大修后在相同供水方式及有功负荷下,推力瓦温平均降低了4.5℃,最高瓦温降幅达6.9℃,达到了预期效果。

        由于修后推力轴承运行时瓦温明显降低,在4号机组启动试验期间开展了顶盖取水试验,分别在空转、30MW、130MW、200MW、400MW、450MW、500MW负荷下进行顶盖取水试验,各工况点得到充分考验,推力瓦最高温度为80.2℃,比优化前降低了5.1℃,改善明显。

        5 结论

        该电厂通过将推力轴承平面支柱改为球面支柱、更换托盘并增设隔油装置,使推力轴承运行瓦温平均降低了4.5℃,最高瓦温降幅达6.9℃,达到了预期效果,保障了推力轴承及机组的安全可靠运行,带来了显著的安全和经济效益。该类处理措施对推力轴承运行瓦温偏高的各水电厂具有良好的参考和借鉴价值。

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