巴西伊塔烏巴水電站改進導水機構軸承

[巴西]U.巴雷圖 C.但澤曼 J.A.錫爾韋拉 R.C.皮利科

巴西伊塔烏巴水電站改進導水機構軸承

[巴西]U.巴雷圖 C.但澤曼 J.A.錫爾韋拉 R.C.皮利科

巴西伊塔烏巴水電站的運行條件導致水輪機導水機構系統受到磨損,進而導致導葉軸承和其他元件受到磨損。修復方案采用了具有復合金屬結構的自潤滑軸承,對導水機構的不同部分采用了不同的解決方案。對修復方案、修復系統及部件以及修復程序等作了介紹。

導水機構;機構軸承;修復方案;治理措施;伊塔烏巴水電站;巴西

巴西水力資源非常豐富,至今已開發了許多大型水電站。雖然水電站的運行和維護費用比火電廠低,但是主要缺點是淹沒大量土地,水電站通常遠離主要負荷中心,必須修建許多輸電線路。

發電公司由國營電力能源公司(ANEEL)管理。這些發電公司向用戶提供電力,還通過自動發電控制(AGC)進行調頻,通過發出或吸收無功進行調壓。

ANEEL向發電公司支付1.54歐元/MVArh自動調相費用,但是頻率控制要求發電機組不斷改變有功功率,這樣就引起水輪機導水機構軸承的加速磨損,而 ANEEL也并未對此支付費用。

伊塔烏巴水電站的 3號機組因軸承磨損引起水輪機導葉偏心,導致漏水進入水輪機,從而使機組不再作同步調相機運行,且 1號機組也不能經常在理想狀態下運行。

巴西南里奧格蘭德州的發電企業—國營發電與輸電公司(CEEE GT)面對收入的損失,卻仍需將其電站保持在最佳狀態運行,并分別于 2006年和2008年投資 300萬歐元,用以修復伊塔烏巴水電站的 3號和 1號機組。

在查明水輪機導水機構軸承的磨損是因頻率控制引起,且 ANEEL沒有付款之后,CEEE公司從ANEEL獲得超過92.2萬歐元的補償,這在巴西實屬首例。

維修要求停運150 d。為了縮短維修時間,并使發電機組恢復到工程原先的運行工況,需對其他系統也進行修復,如進水口閘門、壓力鋼管和伸縮節、發電機、冷卻系統、水輪機止漏環、溫度測量系統(用數字設備替換模擬設備)和導水機構(用自潤滑軸承替換油脂潤滑的青銅軸承)。

1 同步調相機

水輪發電機具有作為大型同步電動機,即同步調相機運行的特性。通常,由于夜間工業負荷減少,此時它須從電網輸電線路吸收無功電容負荷,以改善變電站連接電網的電壓水平。

當水輪發電機作為同步調相機運行時,水力機械具有旋轉熱備用的優點,因機組與系統同步,一旦任何發電電源丟失,它可立即起動、發有功、調頻和向用戶提供功率。

水輪發電機作為同步調相機運行的工況如下:

(1)采用壓縮空氣將轉輪室的水壓向下游,使轉輪室形成空氣腔,以保持水輪機脫水運轉;

(2)導葉立面之間,以及導葉和水輪機蓋及底環之間實施有效密封,以防止水浸入水輪機,引起轉輪與水的摩擦;

(3)通過壓縮空氣氣源降低轉輪室內的水位,保持水輪機脫水運行;

(4)調壓;

(5)控制轉輪室中的水位。

1.1 系統的磨損

從 1978年投入運行至 2005年,南里奧格蘭德州中部雅庫伊(Jacui)河上的伊塔烏巴水電站(裝置4臺 125 MW混流式水輪機)一直是巴西南部系統頻率控制的組成部分。為此,其發電機組在 75～120MW范圍內以 AGC方式運行。

該運行方式往往促使水輪機導水機構系統不斷運動(圖 1),這樣就加速了導葉軸承、連桿、控制環和接力器的磨損。這些部件配備有青銅軸承 ASTM(美國材料試驗學會標準)B144合金 3A,用油脂潤滑,每月消耗鋰基皂潤滑脂約 6 kg。

圖1 3號機組以AGC方式發電時的有功變化

導葉軸承的密封最初采用 Buna N“O”型密封,但運行一段時間后就開始失效,使水在軸承與導葉軸之間通過。由于水中懸浮顆粒的研磨作用,加速了這些部件的磨損,也沖走了潤滑油。

1.2 解決辦法

更換青銅軸承,改善導葉軸承與軸之間的密封是最簡單可行的解決辦法。但是這樣做并不能消除環境受油脂污染的風險,因為導葉、連桿、控制環和接力器連桿在外部環境中工作,油脂就會與外部環境保持接觸。

按照 CEEE保護環境的政策要求,決定對所有有相對運動的部件設計采用自潤滑軸承。選擇了由復合金屬結構構成的自潤滑軸承,即由一個不銹鋼材料的支撐件和一個青銅材料的滑動層組成,在該滑動層結構中有均勻分布的聚四氟乙稀(PTFE)固體潤滑材料(見圖 2)。

針對導水機構的不同部分,采用了不同的解決辦法。包括以下各個方面:

(1)在接力器中,將原先的青銅軸承用作新的自潤滑軸承的外殼;

圖2 修復前后的導水機構

(2)在控制環中,因為自潤滑軸承的壁較薄,不銹鋼 AISI 410分塊瓦用作自潤滑軸承的對偶材料,這也補償了較薄的原軸承壁;

(3)在連桿中,采用了自潤滑高密度燒結青銅軸承,并在該結構中均勻分布石墨顆粒;

(4)在導葉中,用一個不銹鋼 AISI 304外殼取代原先用油脂潤滑的青銅軸承,將自潤滑軸承插入該外殼中。

對導葉軸承也引進了新的 V型斷面密封,以保持軸和自潤滑軸承之間的密封效果。

2 其他修復元件

在 150 d的修復工程中,將 2臺發電機組完全拆卸,以便對其機電元件進行維修,使它們將來能長期運行,而無需作大的維修處理。

2.1 事故閘門

每臺發電機組都配備有兩個尺寸為 3 576 mm×6 000 mm的定輪閘門,將其完全拆卸并進行維修。維修過程中,主要是采用涂有 PTFE的 SBR(苯乙烯聚丁橡膠)密封替代原先的氯丁橡膠密封,這樣可以降低其與密封表面之間的摩擦,同時也減小了初始開啟所要求的操作力。

通過更換內部密封和應用厚0.08mm的硬鉻層以恢復活塞桿,穩定了操作閘門接力器內的液壓損失。

2.2 冷卻系統

在運行近 30 a后,管道內部出現腐蝕是不可避免的,由于懸浮物質的粘附和溶解固體的沉淀,形成了結垢。這就導致需要更換直徑小于 5 cm的所有管道,對于較大直徑的管道,則僅需進行檢查和修復,無需更換。

2.3 發電機

伊塔烏巴水電站的發電機用 Roebel型定子線棒和 F級絕緣材料制造。對該發電機而言,最重要的維修工作是改變其制動塊,將含石棉的制動墊片重新設計為不含石棉的制動墊片,這樣就消除了對工人身體健康和對環境污染的風險(見圖 3)。

圖3 水輪機止漏環的修改

2.4 儀 表

至于對軸承溫度的測量,1號和 3號發電機組是采用的帶金屬毛細管的水銀溫度計,其優點是堅固和可靠;缺點是難以校準,出現故障后難以更換,因此,將其更換成 Pt100鉑電阻溫度計。新的溫度計精度高,3和 1/2位數字顯示的軸承溫度設定點用于報警和閉鎖。

2.5 水輪機

17萬馬力的混流式水輪機完全用不銹鋼制造,運行 30多年仍很堅固,無需修理。但其轉輪止漏環的裝配工藝存在不足,其中也包括 36個12.9級六角頭 M 20×60mm的碳鋼螺栓的裝配工藝。在經過如此長時間的運行后,由于受到機械力的作用,螺栓已受到剪切。

修改方案將改變原設計,以克服上述不足,即在固定螺栓之間,插入 18個直徑為 35 mm,長 70 mm的 AISI 4340鋼制的定位銷。為達到鉆孔所需的設計精度,必須研制專用的工具。這種設計消除了止漏環和水輪機輪轂之間的間隙,而這種間隙正是導致螺栓疲勞斷裂的原因。

為了便于檢查和維修這些螺栓,在對應原有檢查窗的 180°處,又增開了一個檢查窗,帶有 1.1/2“BSP”螺紋,便于檢修。這樣只需將轉輪旋轉 180°,就可對全部的螺栓進行檢查。

3 主要收獲

修復 1號和 3號發電機組的主要成果歸納如下:

(1)大大提高電站對國家電力系統所發揮的作用;

(2)提高了設備運行的安全可靠性;

(3)技術的現代化;

(4)供貨商和電站維護隊在工作中良好的協作精神;

(5)電站維護隊得到了專業知識培訓;

(6)可提高同步調相機的運行效率。

馬元珽 譯自英刊《水電與大壩》2010年第 6期

沙文彬 校

TK 730.324

A

1006-0081(2011)08-0033-03

2011-05-28