600MW大型水轮发电机组推力轴承瓦温和油温高原因分析及处理

2015-04-24张奇

综合智慧能源 2015年10期

张奇

（云南华电金沙江中游水电开发有限公司梨园发电分公司，云南丽江 674100）

1 机组概述

云南华电金沙江中游水电开发有限公司梨园发电分公司（以下简称梨园发电公司）2015年新投运的发电机由天津阿尔斯通水电设备有限公司设计制造，型号为SF600-64／16880。推力轴承位于发电机下机架油槽内，采用双层乌金瓦、小弹性支柱簇多点支撑结构，外加泵外循环冷却方式。推力轴承共有18块乌金瓦，配有2台循环油泵和2台油过滤器，互为主、备用，还配有6台冷却器。推力轴承瓦外径ø5100mm，内径ø3110mm，瓦宽995mm，瓦长637mm，在机组启、停时投入高压油保护推力轴承瓦面。

2 设备存在的问题

2015年，＃4机组调试阶段满负荷运行5 h后，推力瓦温逐渐升高，最低＃7瓦73.9℃，最高＃14瓦76.3℃，温差达2.4℃，推力轴承油温46.79℃。

72 h试运行后，梨园发电公司＃4机组投入商业运行。经过长时间600MW满负荷运行，推力轴承瓦温最高为77.6℃，最低为75.1℃，瓦温已超出技术合同允许值75℃，推力轴承油温高达50℃，已超出报警值。

春夏之交时，水温和环境温度的逐步升高将进一步加剧油温和瓦温升高。从机组运行前、后3个月左右的温度数据来看，随着气候变暖，冷却水温变化已使油温和瓦温有所升高。具体数据见表1。

从现有瓦温和油温随气温上涨趋势来看，机组在夏季高温运行时，瓦温和油温都还会进一步升高，使机组的安全、稳定运行和经济效益都处在风险边缘，必须找到原因予以处理。

3 排查分析［1-7］

鉴于梨园发电公司瓦温和油温偏高的具体现状，生产人员接机后进行了改善水循环和油循环及消减顶盖上腔压力以减小水推力的尝试，通过一系列的运行实践，获取了直接资料，使分析更加准确，为改造做了精准定位。

（1）减小轴向水推力，以减轻推力负载。轴向水推力主要由顶盖上腔水压力作用在转轮上冠的水推力和蜗壳水径向流经转轮再从转轮下方流出产生的作用力组成。设计之初，考虑到会用到顶盖泄压管的排水作为技术供水，以增加水能利用率，在管路设计上也做了相应的配置。具体设置如图1所示。

表1 600MW时冷却水温变化对油温和瓦温的影响（2015年） ℃

从图1可以看出，本应从DN 600mm母管排泄的顶盖水，现要从DN 450mm的技术供水顶盖取水管取走作为技术供水，按通流截面计算，母管是支管的1.78倍。同时，技术供水要求有一定的水压，这又会加大加大顶盖上腔的压力，加大水推力，导致推力瓦温和油温进一步增加。因此，从设计之初就摒弃了顶盖取水作为技术供水的运行方式。但管路上配置的安全阀的内部结构导致顶盖母管泄压管的水不能顺畅地从安全阀流向尾水。在抠取了安全阀芯后，顶盖上腔压力从0.047MPa减小至0.024MPa，但推力油温和瓦温却没有明显变化，说明此处水推力的微小改变不是导致温度高的根本原因。

图1 技术供水系统

（2）加大油冷却器水侧压力，以改善换热效果。为了增大油冷却器水流量，达到进一步加大换热深度的目的，在同一负荷下，梨园发电公司2次调整技术供水减压阀压力，以增大水流量。技术供水减压阀压力从最初的0.35MPa升至0.50MPa，流量也从1800m3／h提高到 2600m3／h，但油温和瓦温还是没有明显变化，具体数值见表2，说明瓦温和油温高不是冷却水流量不足导致的。根据传热学中冷却流量对冷却效果的影响规律，当流量相对较小时，流量的改变对冷却效果的影响较大；当流量增大到一定值后，随着流量的增大，对冷却效果的影响大为减小。此时对于冷却器来说水侧的容量已足够大，相当于1个恒温源，改变它已无实际效果。这也是加大水流量，冷却效果并没有改善的原因。

（3）加大油循环流量，以降低油温和瓦温。在水侧改善没有达到目的后，梨园发电公司采取了加大油侧循环流量的办法对油温和瓦温进行改善，把备用和主用油泵一起开启，加大了油循环流量，使油流量从90m3／h升至150m3／h。在实践中，在机组满发600MW时，油温从50℃降至41℃，使润滑油温运行在一个非常合理的区间；瓦温从77.6℃降至74.8℃，不在报警温度的边缘，详细数据见表3。实践证明，加大油循环流量可以满足降温需求，能取得较好的冷却效果。

4 同类型机组的对比分析

4.1 安装质量分析

根据运行记录，＃4机组推力轴承最大瓦温偏差不超过3℃，说明瓦受力均匀，推力轴承安装质量不存在问题。同时，梨园发电公司的机组振摆符合国家规范，安装质量有基本保障。

4.2 同类型机组瓦温对比分析

采用巴氏合金瓦的大容量机组电厂的推力轴承瓦温对比见表4。梨园发电公司和大唐观音岩水电开发有限公司（以下简称观音岩水电公司）同型号推力轴承参数对比见表5。

通过以上2组数据，不难看出所有大机组推力负荷都很大，现实中不可能把推力油盆和推力瓦都做得很大，这样占地面积和投资都会加大，因此所有大型机组单位面积的推力瓦承受的推力负荷都比较大，所有大型机组的推力瓦温都偏高。

表2 加大油冷却器水侧压力对油温和瓦温的影响 ℃

表3 加大油流量对油温和瓦温的影响 ℃

结合相同主设备厂家设计计算报告，对相似度最高的梨园发电公司和观音岩水电公司来进行对比分析，不难发现，梨园发电公司推力轴承需要承担的负荷比观音岩水电公司高，原因是梨园发电公司发电机厂家为阿尔斯通，水轮机厂家为福伊特，而观音岩水电公司的水轮机和发电机厂家都是阿尔斯通。发电机结构和尺寸虽相同，但不同厂家水轮机的水推力和水轮机质量不同，导致推力负荷不同，以致梨园发电公司推力损耗更高，需要的散热量更多，因此在相同的散热条件下，梨园发电公司推力的油温和瓦温比观音岩水电公司要高。

表4 大容量机组电厂的推力轴承瓦温对比

表5 同型号大容量机组电厂的推力轴承参数对比

5 分析结论及改造处理

5.1 分析结论

梨园发电公司机组推力轴承油温和瓦温偏高，原因主要是油循环能力不足，不能有效带走推力轴承瓦产生的热量。梨园发电公司机组为大容量机组，轴系自重和水推力都比较大，单位推力轴承瓦面积上承载的负荷较高，运行中，推力轴承瓦温总体会在一个偏高的状态下运行，目前超出设计值运行跟油循环不足有直接关系。

5.2 改造处理［8-9］

鉴于目前机组的水轮机和发电机已装配到位，且设计结构已成型，作为大型设备，除非进行脱胎换骨的改变，否则难以改变现状。由于有了上述分析作为定性基础，梨园发电公司可以在改进上精确定位，对加大油循环方面作改进。

（1）优化油内循环结构，减少冷、热油的短路损失。梨园发电公司推力油盆结构如图2所示，推力油盆冷、热油原设计上做了分区设置，基本达到了循环要求。但从安装现场和图示发现，整个径向分区隔板均布有4个ø120mm的通孔，这些孔的设计意图是为了平衡冷、热油压力以及在外部油泵中断运行的情况下，油盆自身的冷、热油通过内循环尚可继续冷却一段时间，不至于导致温度急升烧瓦，给运行人员赢得处理时间。但通孔的存在会加大冷、热油的短路损失，影响换热效果。类似结构的其他厂就没有通孔设计。现将4个通孔进行封闭，封孔前、后具体数据见表6（600 MW）。可以看出，封堵油孔后，油温下降了6℃，瓦温下降了5℃，油温和瓦温有了明显改善。

图2 推力油盆结构

（2）优化油外循环设置，提高油循环流量。为了进一步降低油温和瓦温，电站又对推力轴承外循环设置进行了改进。推力轴承外循环路线如图3所示。

表6 封孔前、后油温和瓦温情况℃

油泵进口有1个高精度滤网，严重阻碍了油泵的吸油。经用超声波流量计检测，由于该进油滤网的存在，使得本身出力为160m3／h的油泵现油流量仅为90m3／h，大大低于额定出力，使油循环严重不足。为此，梨园发电公司决定在每次检修投运1周后拆掉滤网，既保证了初期滤掉杂质，又保证了后期循环的畅通。拆掉滤网后单台油泵的流量达到了165m3／h。拆掉滤网后的效果见表7。