国产弹性金属塑料瓦在600 MW水电机组的应用

王贵来，易吉林

(构皮滩发电厂，贵州 余庆 564408)

1 问题的提出

我国水力发电事业现已进入特大型、巨型水电机组时代，推力轴承的可靠性对保证机组安全运行至关重要。已投运和在建大型水电机组的推力轴承均采用传统的巴氏合金轴瓦，并依靠进口或引进国外技术制造，轴瓦运行温度较高，安全裕度小，设备投入费用大。20世纪90年代前，我国水力发电机组推力轴承(特别是大型机组推力轴承)频繁发生烧瓦事故。据统计，在水电机组机械事故中，仅推力轴承事故就占水电机组机械事故率的70%以上，严重影响了机组的正常发电运行。1990年初，葛洲坝、龙羊峡、丹江口等水电站先后引进俄罗斯研制开发的弹性金属塑料推力瓦，安装运行后取得了明显效果。多年来，弹性金属塑料推力瓦在水电机组上的普遍应用，大幅度减少了推力轴承事故率。在保证机组安全运行方面发挥了巨大作用。

2003年构皮滩水电站开工建设，构皮滩发电厂600 MW机组在吸收、借鉴三峡进口机组基础上实现完全国产化，而构皮滩600 MW机组无论在线速度、轴承比压和pv值等参数均高于国内其他机组。构皮滩发电厂在600 MW水电机组上尝试使用推力负荷达30 000 kN弹性金属塑料瓦，取得了良好的效果。

2 弹性金属塑料瓦的机制

新材料采用增强改性聚四氟乙烯材料，形成了具有骨架、高耐磨质点和聚四氟乙烯润滑基体的复合结构，制成了低摩擦的环保型高性能化复合材料。推力瓦外形及剖面结构如图1所示，表层耐磨材料的内部组织结构如图2所示。

图1 弹性金属塑料瓦外形及其剖面结构

在显微镜下观察，材料表面组织中均匀分布着密集的亮点，主要是以高耐磨工程塑料为基体的耐磨质点。从材料断口形貌可以看出，高强纤维均匀分布于树脂之间，形成了增强网格骨架，提高了材料的抗压和抗剪强度，从而大幅度提高了摩擦材料的抗磨损性能，同时也提高了摩擦材料与金属丝垫之间的结合牢度。新型高性能环保型弹性金属塑料瓦主要技术指标见表1，与巴氏合金瓦特性对比见表2。

3 弹性金属塑料瓦的模拟计算分析

根据机组运行参数进行模拟计算，分析验证了弹性金属塑料轴瓦在构皮滩发电厂600 MW机组上应用效果。机组推力瓦运行参数见表3。

表3分析了弹性金属塑料瓦的模拟润滑计算结果，当平均线速度为24.21 m/s且轴承比压为4.58MPa时，轴承pv值达到110.91 MPa·(m/s)，此时最小油膜厚度为49 μm，完全满足机组安全运行的要求。

图2 弹性金属塑料瓦摩擦表面结构和材料断口组织结构

表1弹性金属塑料瓦主要技术性能指标

技术性能指标数值说明压缩强度/MPa45弹性模量/kPa1900～2400线膨胀系数/℃7.8×10-5导热系数/[W·(m·K)-1]0.71绝缘电阻/M Ω∞摩擦因数干摩擦0.14～0.18平试样滴油润滑0.01～0.02平试样,10～15滴/min滴水润滑0.08～0.10平试样,15～20滴/min磨损系数/[cm3·(N·m)-1]干摩擦3.55×10-10平试样滴油润滑4.68×10-11平试样,10～15滴/min滴水润滑8.15×10-9平试样,15～20滴/min

表2 弹性金属塑料瓦与巴氏合金瓦特性对比

表3 (构皮滩发电厂水轮发电机)弹性金属塑料轴瓦参数

图3～图5为计算机模拟构皮滩发电厂机组推力瓦运行的油膜厚度、压力和温度的三维图形，运行情况较为理想，完全满足安全可靠运行的要求。

图3 油膜厚度分布

图4 油膜压力分布

图5 油膜温度分布

4 弹性金属塑料瓦在国产机组的运行分析

在推力负荷达到30 000 kN时，弹性金属塑料瓦磨损量、瓦温分析结果如下。

4.1 运行近5 000 h后磨损量分析

自2009年投产以来，构皮滩发电厂共进行了6台次B级以上检修，分别为#1机组B级检修2次，#2机组B级检修2次，#3机组B级检修2次。在每次机组检修过程中，构皮滩发电厂将推力弹性金属塑料瓦表面检查及厚度测量列为重点检查项目，检查结果表明，#1，#2，#3机组推力弹性金属塑料瓦面状态良好，仅有轻微摩擦痕迹，且在规程的允许范围内。表4～表6为3台机组推力弹性金属塑料瓦不同运行时间后瓦厚度测量结果。

表4 #1机组运行近5 002 h后瓦厚度测量结果 mm

续表

表5 #2机组运行近4 688 h后瓦厚度测量结果 mm

通过对以上3台机组瓦厚度数据测试结果分析可知，瓦厚度最小值为299.94 mm，最大值为300.02 mm，推力瓦的厚度尺寸设计值为300 mm，出厂检验记录厚度在299.96～300.00 mm之间，说明弹性金属塑料瓦具有良好的低摩擦性能和极佳的抗磨损性能。以机组运行5 000 h计算，瓦面的年平均最大磨损量为0.06 mm，按照塑料层厚度2 mm推算，塑料瓦寿命可达30年以上，证明该型号国产瓦具有使用寿命长的特点。

4.2 运行近5 000 h后瓦温分析

对全厂3台机组600 MW负荷下运行温度进行了跟踪，#1～#3机组推力弹性金属塑料瓦运行温度在46 ℃左右，且各瓦间温差在2 ℃左右，运行完全达到了机组设计时瓦体温度低于50 ℃的要求，证明该塑料瓦在推力负荷达30 000 kN时使用是安全、可靠的。3台机组600 MW负荷下运行温度情况见表7。

表6 #3机组运行5 748 h后瓦厚度测量结果 mm

表7 3台机组600MW负荷下运行温度情况 ℃

5 30 000 kN弹性金属塑料瓦应用效益分析

构皮滩发电厂5台600 MW机组推力轴承采用了国产30 000 kN弹性金属塑料瓦，每台机组节约投资560万元，5台机组可节约设备投资金额2 800万～3 000万元。采用弹性金属塑料瓦后，因检修时无需刮瓦工艺，缩短了检修工期。人力工作时间若按4人5个工作日的工作量计算，1个检修周期就可提高年可利用小时数100 h，构皮滩发电厂单机容量600 MW，按上网电价0.297元/(kW·h)计算，1 d(24 h)的纯发电收入就达427.7万元，每年1次大修可节约经费1782.1万元，经济效益相当可观。

采用弹性金属塑料瓦后，省去了高压油顶起装置，提高了机组运行可靠性，降低了机组安全运行风险。弹性金属塑料瓦具备低速及惰性停机性能，即使机组偶尔发生惰转，也不会存在烧瓦的风险。弹性金属塑料瓦具有优越的水润滑性能，当水作为润滑介质时，有良好的低摩擦性能和极佳的耐磨损性能。当水轮机组推力油槽混入水后，能降低或避免烧瓦风险；还可在停机5 min内热启动，为系统调峰、调频创造了条件，保证了电网的安全。

弹性金属塑料瓦在构皮滩发电厂的成功应用，为国产弹性金属塑料瓦在大型机组的应用积累了运行经验。继构皮滩发电厂机组成功使用后，哈尔滨电机厂又成功研发出推力负荷达40 000 kN的弹性金属塑料瓦，拟在今后国产更大容量机组上使用，使水轮发电机组关键技术国产化又迈上了新的台阶。

6 结论

(1)弹性金属塑料瓦在大负荷条件下比相同工况的巴氏合金轴瓦油膜厚度大，检修后机组启动瓦瓦温稳定所需的时间较短，巴氏合金轴瓦瓦温稳定时间需6 h，而弹性金属塑料瓦瓦温稳定时间只需4 h即可。

(2)弹性金属塑料瓦安装维护简单，它与巴氏合金轴瓦相比，弹性金属塑料瓦推力轴承在安装时不需刮瓦，机组盘车容易，整套瓦的负荷均匀性要求较低。

(3)运行性能优异。弹性金属塑料瓦推力轴承的许用单位压力和温升比巴氏合金轴瓦推力轴承高，瓦体温度和损耗比巴氏合金轴瓦推力轴承低。在每年累计5 000 h的运行和1 200次启、停机的条件下，弹性金属塑料瓦推力轴承的寿命可达30年。

(4)运行条件限制较少。允许频繁启动并允许热启动。转速低于额定转速的10%情况下可加闸制动。油槽内冷却器短时停水时，推力轴承仍可正常运行。

(5)无需高压油顶起系统。弹性金属塑料瓦省去了高压油顶起系统，设备结构简单且运行可靠性高，节约了高压油顶起装置的设备投资。

(6)弹性金属塑料瓦推力轴承吸收冲击的性能较高，可有效降低设备振动。

(7)价格优势。目前国内生产的推力弹性金属塑料瓦与进口同类型轴瓦比较，每块瓦价格低24万元左右，与传统巴氏合金轴瓦比较，每块瓦价格低15万元左右。按照构皮滩发电厂5台机组使用96块轴瓦计算，可节约设备投资2 800万～3 000万元。

参考文献：

[1]徐华，吕长春，朱均.复合材料轴瓦的力学性能研究[J].西安交通大学学报,1999(6):55-59.

[2]李文白,刘显耀.氟塑料推力瓦的应用与效果[J].四川水力发电,1995(2): 84-87.

[3]贾慧娟.弹性金属塑料瓦表面性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2003.