金窩電站水導軸承燒瓦、燒軸事故原因淺析

王志勇，王 勇

（四川川投田灣河開發有限責任公司，四川 成都 610041）

1 概述

四川川投田灣河開發有限責任公司是亞洲沖擊式機組裝機容量最大的水電站，總裝機容量760MW。梯級電站按“一庫三級”進行梯級開發，自上而下依次為仁宗海水庫電站、金窩水電站、大發水電站。前兩級電站主機設備由東方電機廠設計制造生產，大發電站由哈爾濱電機廠設計制造生產。

金窩電站裝有國內單機容量最大的沖擊式水輪發電機組，容量為140 MW。水輪機型號為CJ610-L-263/6×24，發電機型號為SF140-16/5800，設計水頭H=595 m，設計流量Q=27 m/s，額定轉速n=375 r/min。水輪機導水系統采用六噴六折結構控制，水導軸承采用自潤滑筒式瓦，瓦面為巴氏合金。

由于金窩、仁宗海電站水導軸承設計為筒式瓦，它不能自調節與振動較大軸系的充分接觸，所以筒式瓦面局部位置存在受力過大的燒瓦現象，瓦隙隨之逐年增加，機組振擺度加大。在2015年8月，金窩電站1號機組在切換負荷過程中，轉輪室內傳出巨大而沉悶的金屬刮蹭聲音，當機組帶90 MW負荷以上時，水車室發出尖銳的補氣鳴叫音，隨后停機進行檢查。

2 故障前機組運行工況

在2015年8月27日09：29前，機組帶負荷38 MW，1號、4號噴針開度為53%，水導軸承X向擺度169 um，Y向擺度156 um，X向振動6 um，Y向振動6 um，Z向振動5 um，水導1號瓦溫48.44℃，2號瓦溫48.16℃，油溫43.72℃，水導及各導軸承振擺、瓦溫運行工況一切正常。

3 故障經過

1）在 2015 年 8 月 27 日 09：31 至 11：35，機組在切換負荷過程中，10次報5號噴針小波動隨動故障動作；

2）機組出現不對稱運行次數2次，一次是在2015年 8月 27 日 09：48至 09：52，1號噴針開度42%，4號噴針開度37%，5號噴針開度100%，另一次是在2015年8月27日11：27至11：32，1號噴針開度 100%，3號噴針開度 100%，4號噴針開度100%，5號噴針開度從零升至100%后再降到零，6號噴針開度100%；

3）從 2015 年 8 月 27 日 09：31 至 16：20，水導軸承1號瓦溫維持在48.44℃左右運行，2號瓦溫從48.16℃升至66.88℃，水導軸承出現單邊受力過大現象；

4）從 2015 年 8 月 27 日 09：38 至 19：30，水導軸承X向振動從6 um升至212 um，Y向振動從6 um升至327 um，Z向振動從5 um升至27 um，振動值大幅度增加，詳見圖1《機組振擺趨勢圖》；

5）從 2015年8月27日23：30至 8月 30日 23:00，水導軸承X向擺度從169 um升至520 um，Y向擺度從156 um升至426 um，擺度值大幅度增加，詳見圖1。

圖1 機組振擺趨勢圖

4 檢查處理情況

在調取機組《調速器故障一覽表》、《調速器狀態一覽表》、《噴針開度歷史曲線》、《機組振擺趨勢圖》、《機組瓦溫趨勢圖》及溫度運行日志等多項監控數據分析，發現在機組轉輪室內傳出巨大而沉悶的金屬刮蹭聲過程中，機組振擺、瓦溫值發生了急劇上升變化，機組帶90 MW負荷以上時，水車室還發出尖銳的補氣鳴叫音，隨后停機進行檢查處理。

1）更換調速器比例伺服閥后，5號噴針開關正常，不再報噴針小波動隨動故障；

2）發現擋水桶與轉輪縫隙之間充滿融化的金屬鐵渣，大約50 kg，將鐵渣清除，詳見圖2；

3）用工業內窺鏡檢查擋水桶與大軸法蘭整圈間隙，通過拍攝視頻能看見上端轉輪連接螺母，因此判斷大軸法蘭磨損為整體貫通，詳見圖3；

4）水輪機大軸下法蘭與擋水桶設計單邊間隙為2.5 mm，實測值30 mm，200 mm厚的大軸下法蘭整體磨損28 mm，法蘭外沿磨損至與轉輪聯接螺母齊平，大軸法蘭強度大大降低，可能出現轉輪聯接螺栓松動的重大安全風險。

5）水輪機大軸下法蘭與轉輪接觸面減少，摩擦力降下，轉輪在強大的水力沖擊下，很可能發生相對旋轉。

6）由于擋水桶與水輪機大軸下法蘭間隙加大，補氣量隨之增加，機組在帶90 MW負荷以上時，高流速的補氣量在通過水導油槽梳齒密封蓋與主軸狹窄的縫隙時，發出尖銳的補氣鳴叫音。

7）由于轉輪室補氣量加大，水導油槽的油霧被吸入尾水，油位隨之下降，需定時補油維持機組正常運行。

8）水導油槽內有巴氏合金瓦屑塊，因此判斷有燒瓦現象，測量水導瓦總間隙為0.65 mm，對比歷史數據瓦隙增大0.15 mm。

9）清除瓦渣，排除污油，加注新油，經啟動試運行，機組各軸承瓦溫，振擺度基本恢復正常。

圖2 水輪機大軸與擋水桶刮蹭磨出的鐵渣

圖3 磨損后的水輪機大軸下法蘭

5 原因分析

（1）直接原因

機組在切換負荷過程中，調速器報5號噴針小波動隨動故障動作，5號噴針開度不受給定負荷控制，造成調速器噴針不對稱運行，強大的不平衡水力使水導軸承2號瓦方向受力過大而燒瓦。當瓦隙增大后，就發生了水輪機大軸下法蘭與擋水桶內壁相互刮蹭而燒軸。

（2）間接原因

1）水導軸承設計為筒式瓦結構，隨著運行時間的延長，瓦隙逐年加大，水導軸承不能承受主軸傳來的徑向負荷而使機組振擺在標準范圍內運行。

2）擋水筒與水輪機大軸下法蘭設計間隙為2.5 mm，設計值偏小，在除去加工誤差和安裝偏差后，實測值只有1.5 mm左右。當機組在低負荷單噴針運行或調整負荷不對稱運行時，極易發生接觸刮蹭，而燒軸。

6 防范措施

1）盡量定期安排對水輪機大軸及轉輪進行檢查；

2）機組盡量避免在低負荷和高負荷下運行，所帶負荷在90 MW以下，采用三噴針或四噴針方式運行；

3）杜絕機組噴針不對稱運行，或開度大小不一致不對稱運行；

4）加強機組振擺度、瓦溫及水導軸承油位等運行工況參數的監視，發現異常及時停機；

5）盡快聯系東電廠家修復或購買水輪機大軸和擋水桶；

6）聯系廠家是否可以將水輪機大軸下法蘭與擋水桶間隙從設計值2.5 mm放大至4 mm；

7）將水導軸承筒式瓦技改為楔板式分塊瓦，并在2016年汛前及時安排大修技術改造。

7 大修技術改造效果

（1）將循環水池與備用水池之間隔墻開鑿一個直徑1 000 mm的圓洞，使尾水與循環水池相貫通。當技術供水泵啟動向機組供水后，轉輪室的低溫水源源不斷的補入循環水池，致使機組供水總管水溫下降9℃，機組各導軸承瓦溫相應下降6℃，上導軸承瓦溫一直偏高問題得以解決。

（2）擋水桶與水輪機大軸下法蘭單邊間隙從2.5 mm加大至4 mm，機組盤車旋轉時，不再出現掛靠現象。機組在單噴針或切換負荷不對稱運行時，出現水輪機大軸下法蘭與擋水桶刮蹭的風險大大降低，燒軸問題得以根治。適當加大的間隙，并沒有使補氣量加大，水車室補氣鳴叫音消失，水導軸承油位不再下降。

（3）將水導軸承筒式瓦技改為楔板式分塊瓦后，安裝、調整和檢修更為方便。分塊瓦可以根據軸系找擺情況，在設計范圍內對每塊瓦的間隙進行適當調整，從而在一定程度上補償因軸系軸線不好帶來的影響。分塊瓦導軸承的每塊瓦可繞支點產生一定的偏轉，因此對運行時振動較大的軸系有一定的自適應能力，提高了軸承的運行的可靠性。機組大修技改完畢帶滿負荷試運行時，各導軸承振擺、瓦溫明顯下降，燒瓦問題得以根治。

（4）將水導軸承油溫度計、油混水信號器、液位傳感器等自動化元件由原先的投入式技改為插入式結構，將其從油槽內移出安裝在油槽蓋上。當自動化元件本體出現故障時，機組在不停機態下也可以進行更換處理，提高了機組的運行可靠性，水導軸承自動化元件技改安裝圖詳見圖4。

（5）由于原設計將水導軸承液位浮子信號器安裝在靠近軸領側，當機組旋轉時，透平油受離心力作用向外甩，造成內側油位極低，浮球落入底部而不能顯示油位。大修時將液位浮子信號器移至安裝在油槽蓋外側，垂直位置在冷卻器頂部。在軸承支架其中一個翻油孔周向相隔120°位置焊接3根導向滑塊，將浮球放入其中，然后加大浮球直徑，減小浮球沉入透平油的深度，使其油位在發生較大變化時，也不與冷卻器頂部接觸，能正確顯示油位變化，解決了水導軸承一直以來無油位顯示的問題。

8 結語

由于大型的沖擊式機組在我國裝機數量還很少，金窩電站的燒瓦、燒軸現象，在同類型機組的鴨嘴河電站也同樣發生過，此類機型存在共同設計缺陷。通過金窩電站成功的大修技術改造得出如下結論：對高水頭、高轉速的沖擊式機組，由于自身存在水力不平衡，機組振擺度比其它機型偏大，所以水導軸承不宜采用兩瓣組合式的剛性筒式瓦，最佳選擇是楔板式的偏心非同心分塊瓦，它可以很好地適應振擺度較大的軸系；其次，在設計轉動部件與固定部件的最小間隙值時，特別是在遠離導軸承的部位，應充分考慮設備制造偏差、設備安裝誤差、軸線垂直度和瓦隙大小等各項數據累積差值，不宜設計過小，以防發生刮蹭而燒瓦、燒軸。

[1]GB/T 8564-2003水輪發電機組安裝技術規范[S].

[2]DL/T817-2002立式水輪發電機檢修技術規程[S].

[3]林亞一.水輪發電機組的安裝與檢修[M].北京：中國水利水電出版社，2007.