巴西伊塔乌巴水电站改进导水机构轴承

[巴西]U.巴雷图 C.但泽曼 J.A.锡尔韦拉 R.C.皮利科

巴西伊塔乌巴水电站改进导水机构轴承

[巴西]U.巴雷图 C.但泽曼 J.A.锡尔韦拉 R.C.皮利科

巴西伊塔乌巴水电站的运行条件导致水轮机导水机构系统受到磨损,进而导致导叶轴承和其他元件受到磨损。修复方案采用了具有复合金属结构的自润滑轴承,对导水机构的不同部分采用了不同的解决方案。对修复方案、修复系统及部件以及修复程序等作了介绍。

导水机构;机构轴承;修复方案;治理措施;伊塔乌巴水电站;巴西

巴西水力资源非常丰富,至今已开发了许多大型水电站。虽然水电站的运行和维护费用比火电厂低,但是主要缺点是淹没大量土地,水电站通常远离主要负荷中心,必须修建许多输电线路。

发电公司由国营电力能源公司(ANEEL)管理。这些发电公司向用户提供电力,还通过自动发电控制(AGC)进行调频,通过发出或吸收无功进行调压。

ANEEL向发电公司支付1.54欧元/MVArh自动调相费用,但是频率控制要求发电机组不断改变有功功率,这样就引起水轮机导水机构轴承的加速磨损,而 ANEEL也并未对此支付费用。

伊塔乌巴水电站的 3号机组因轴承磨损引起水轮机导叶偏心,导致漏水进入水轮机,从而使机组不再作同步调相机运行,且 1号机组也不能经常在理想状态下运行。

巴西南里奥格兰德州的发电企业—国营发电与输电公司(CEEE GT)面对收入的损失,却仍需将其电站保持在最佳状态运行,并分别于 2006年和2008年投资 300万欧元,用以修复伊塔乌巴水电站的 3号和 1号机组。

在查明水轮机导水机构轴承的磨损是因频率控制引起,且 ANEEL没有付款之后,CEEE公司从ANEEL获得超过92.2万欧元的补偿,这在巴西实属首例。

维修要求停运150 d。为了缩短维修时间,并使发电机组恢复到工程原先的运行工况,需对其他系统也进行修复,如进水口闸门、压力钢管和伸缩节、发电机、冷却系统、水轮机止漏环、温度测量系统(用数字设备替换模拟设备)和导水机构(用自润滑轴承替换油脂润滑的青铜轴承)。

1 同步调相机

水轮发电机具有作为大型同步电动机,即同步调相机运行的特性。通常,由于夜间工业负荷减少,此时它须从电网输电线路吸收无功电容负荷,以改善变电站连接电网的电压水平。

当水轮发电机作为同步调相机运行时,水力机械具有旋转热备用的优点,因机组与系统同步,一旦任何发电电源丢失,它可立即起动、发有功、调频和向用户提供功率。

水轮发电机作为同步调相机运行的工况如下:

(1)采用压缩空气将转轮室的水压向下游,使转轮室形成空气腔,以保持水轮机脱水运转;

(2)导叶立面之间,以及导叶和水轮机盖及底环之间实施有效密封,以防止水浸入水轮机,引起转轮与水的摩擦;

(3)通过压缩空气气源降低转轮室内的水位,保持水轮机脱水运行;

(4)调压;

(5)控制转轮室中的水位。

1.1 系统的磨损

从 1978年投入运行至 2005年,南里奥格兰德州中部雅库伊(Jacui)河上的伊塔乌巴水电站(装置4台 125 MW混流式水轮机)一直是巴西南部系统频率控制的组成部分。为此,其发电机组在 75～120MW范围内以 AGC方式运行。

该运行方式往往促使水轮机导水机构系统不断运动(图 1),这样就加速了导叶轴承、连杆、控制环和接力器的磨损。这些部件配备有青铜轴承 ASTM(美国材料试验学会标准)B144合金 3A,用油脂润滑,每月消耗锂基皂润滑脂约 6 kg。

图1 3号机组以AGC方式发电时的有功变化

导叶轴承的密封最初采用 Buna N“O”型密封,但运行一段时间后就开始失效,使水在轴承与导叶轴之间通过。由于水中悬浮颗粒的研磨作用,加速了这些部件的磨损,也冲走了润滑油。

1.2 解决办法

更换青铜轴承,改善导叶轴承与轴之间的密封是最简单可行的解决办法。但是这样做并不能消除环境受油脂污染的风险,因为导叶、连杆、控制环和接力器连杆在外部环境中工作,油脂就会与外部环境保持接触。

按照 CEEE保护环境的政策要求,决定对所有有相对运动的部件设计采用自润滑轴承。选择了由复合金属结构构成的自润滑轴承,即由一个不锈钢材料的支撑件和一个青铜材料的滑动层组成,在该滑动层结构中有均匀分布的聚四氟乙稀(PTFE)固体润滑材料(见图 2)。

针对导水机构的不同部分,采用了不同的解决办法。包括以下各个方面:

(1)在接力器中,将原先的青铜轴承用作新的自润滑轴承的外壳;

图2 修复前后的导水机构

(2)在控制环中,因为自润滑轴承的壁较薄,不锈钢 AISI 410分块瓦用作自润滑轴承的对偶材料,这也补偿了较薄的原轴承壁;

(3)在连杆中,采用了自润滑高密度烧结青铜轴承,并在该结构中均匀分布石墨颗粒;

(4)在导叶中,用一个不锈钢 AISI 304外壳取代原先用油脂润滑的青铜轴承,将自润滑轴承插入该外壳中。

对导叶轴承也引进了新的 V型断面密封,以保持轴和自润滑轴承之间的密封效果。

2 其他修复元件

在 150 d的修复工程中,将 2台发电机组完全拆卸,以便对其机电元件进行维修,使它们将来能长期运行,而无需作大的维修处理。

2.1 事故闸门

每台发电机组都配备有两个尺寸为 3 576 mm×6 000 mm的定轮闸门,将其完全拆卸并进行维修。维修过程中,主要是采用涂有 PTFE的 SBR(苯乙烯聚丁橡胶)密封替代原先的氯丁橡胶密封,这样可以降低其与密封表面之间的摩擦,同时也减小了初始开启所要求的操作力。

通过更换内部密封和应用厚0.08mm的硬铬层以恢复活塞杆,稳定了操作闸门接力器内的液压损失。

2.2 冷却系统

在运行近 30 a后,管道内部出现腐蚀是不可避免的,由于悬浮物质的粘附和溶解固体的沉淀,形成了结垢。这就导致需要更换直径小于 5 cm的所有管道,对于较大直径的管道,则仅需进行检查和修复,无需更换。

2.3 发电机

伊塔乌巴水电站的发电机用 Roebel型定子线棒和 F级绝缘材料制造。对该发电机而言,最重要的维修工作是改变其制动块,将含石棉的制动垫片重新设计为不含石棉的制动垫片,这样就消除了对工人身体健康和对环境污染的风险(见图 3)。

图3 水轮机止漏环的修改

2.4 仪 表

至于对轴承温度的测量,1号和 3号发电机组是采用的带金属毛细管的水银温度计,其优点是坚固和可靠;缺点是难以校准,出现故障后难以更换,因此,将其更换成 Pt100铂电阻温度计。新的温度计精度高,3和 1/2位数字显示的轴承温度设定点用于报警和闭锁。

2.5 水轮机

17万马力的混流式水轮机完全用不锈钢制造,运行 30多年仍很坚固,无需修理。但其转轮止漏环的装配工艺存在不足,其中也包括 36个12.9级六角头 M 20×60mm的碳钢螺栓的装配工艺。在经过如此长时间的运行后,由于受到机械力的作用,螺栓已受到剪切。

修改方案将改变原设计,以克服上述不足,即在固定螺栓之间,插入 18个直径为 35 mm,长 70 mm的 AISI 4340钢制的定位销。为达到钻孔所需的设计精度,必须研制专用的工具。这种设计消除了止漏环和水轮机轮毂之间的间隙,而这种间隙正是导致螺栓疲劳断裂的原因。

为了便于检查和维修这些螺栓,在对应原有检查窗的 180°处,又增开了一个检查窗,带有 1.1/2“BSP”螺纹,便于检修。这样只需将转轮旋转 180°,就可对全部的螺栓进行检查。

3 主要收获

修复 1号和 3号发电机组的主要成果归纳如下:

(1)大大提高电站对国家电力系统所发挥的作用;

(2)提高了设备运行的安全可靠性;

(3)技术的现代化;

(4)供货商和电站维护队在工作中良好的协作精神;

(5)电站维护队得到了专业知识培训;

(6)可提高同步调相机的运行效率。

马元珽 译自英刊《水电与大坝》2010年第 6期

沙文彬 校

TK 730.324

A

1006-0081(2011)08-0033-03

2011-05-28