三峽電站700MW機組推力軸承狀態監測系統的研究

李 俊，董來生

（三峽水力發電廠，湖北 宜昌443133）

1 機組推力軸承結構介紹

1.1 推力瓦支撐系統

ALSTOM機組推力瓦支撐由支撐盤、支柱螺栓、支撐座組成，如圖1（a）所示。支撐盤用螺栓固定在托瓦上以增大其接觸面，使荷載分布更為廣泛，可避免過大的負荷作用于托瓦的中心，從而減小托瓦變形的傾向。支撐盤放置于承重螺栓上（頂部為半徑1100mm的球面），承重螺栓通過固定在下機架上的錐形支撐座將推力負荷傳遞到下機架。推力瓦支柱螺栓內部裝有負荷傳感器和測量桿如圖1（b）所示，推力瓦上的不均衡載荷會造成各支柱螺栓間的壓力差，從而在長度L=223mm段（支柱螺栓螺紋以上部分）上產生不同的壓縮變形，帶動側桿向下位移，在傳感器上產生位移信號，通過電子位移表得出支柱螺栓不同的變形數值，即可得到推力瓦受力值。

圖1 推力瓦支撐結構

1.2 推力瓦結構

推力瓦主要由托瓦、薄瓦以及托瓦和薄瓦之間的支柱銷組成，如圖2所示。薄瓦和托瓦之間按部位受力不同安裝4種規格、彈性不同的34個垂直支柱銷。當機組運行時，推力瓦受到的不均勻力由小支柱不同的彈性變形來調節，以適應瓦的撓度變形。另外，支柱銷將托瓦和薄瓦分開，使托瓦溫度遠遠低于薄瓦溫度，托瓦幾乎沒有熱變形，托瓦在支柱銷的壓力作用下，主要產生彈性變形。

圖2 推力瓦結構圖

2 推力軸承狀態監視系統

推力軸承承擔著整個水輪機轉子的重量與工作載荷，是水輪發電機組機械系統中最核心的部件之一，其運行狀態直接影響水輪發電機組的可靠性。對推力軸承潤滑油品跟蹤監測分析，可獲得推力軸承摩擦副的潤滑與磨損信息，預測設備磨損故障隱患，避免設備重大事故發生。為實現大型水輪發電機組推力軸承全面監測，三峽電站700MW機組推力軸承狀態監視系統實現了潤滑油、推力瓦油膜厚度和推力瓦受力等多參數實時狀態監測信息的融合，各監測數據在同一軟件平臺上顯示，如圖3和圖4所示。

圖3 監測系統整體架構圖

圖4 監測系統主界面

2.1 推力軸承油液在線監測系統

2.1.1 油液在線監測原理及主要監測指標

推力軸承潤滑狀態監測系統能夠對大型水輪機組的潤滑磨損狀態進行在線監控與智能診斷，為潤滑管理與維護提供決策依據，其在線監測的原理為：機組運行時，通過油泵從推力油槽取樣，將有代表性的油樣不間斷地輸送到位于油槽外裝有各類傳感器的集成系統；傳感器采集信號通過標準協議輸送到單元控制系統進行分析處理，控制系統對傳感器進行控制，實現了油液系統的實時監測，如圖5所示。

圖5 油液在線監測系統主界面

油液監測系統主要監測指標包括：油液磨損顆粒圖像在線采集、顆粒濃度參量、油液黏度、水分、介電常數、污染度及溫度參數的實時監測，如圖6所示。由于油液黏度參數分析在實際工程應用中受潤滑油溫度影響，根據GB/T265-88標準，潤滑油的各溫度下的黏度轉換到溫度為40℃黏度比較才有意義，因此，該系統通過理論公式轉換，對傳感器輸出信息進行黏溫補償計算，實現了40℃下的黏度比較。

圖6 油液在線監測指標

2.1.2 油液在線監測系統數據驗證

為校核油液在線監測系統采集數據的準確性，對在線和離線檢測數據進行對比，數據對比如表1所示。從數據對比可看出，粘度化驗結果基本一致，數據相差1.74mm2/s，且雙方數據均在41.44～50.6mm2/s之間，滿足國家標準；水分化驗結果略有差異，水分含量分別為30ppm、76ppm，存在略微差異可能是由于油液送檢過程中，吸收空氣水分所致，但兩者數據均滿足＜100ppm的標準； 油品污染等級化驗結果基本一致，光譜分析各種顆粒含量極低，均符合國家標準。對比結果表明在線監測系統數據可靠，滿足分析要求。

表1 油液檢測數據對比

2.2 推力軸承油膜厚度在線監測系統

國內水輪發電機組的運行實踐表明，大型水輪發電機組推力軸承發生的故障占水力機械總事故率的55%～70%[1]，而油膜厚度是保證推力軸承可靠、穩定運行的最主要參數，也是檢測難度最大的參數，其厚度測量問題是解決推力軸承潤滑故障的關鍵技術問題。目前對推力軸承油膜厚度的測量，國內外進行了大量的研究，提出了多種檢測方法。其中較為常見的油膜厚度檢查方法包括：電阻法、電容法、電渦流法、光干涉法、光纖傳感器法、磁阻法、阻容振蕩法、超聲波法等[2]。本文采用非接觸式電渦流傳感器，測量機組不同負荷下的推力瓦油膜厚度。

2.2.1 推力軸承油膜厚度在線監測方法

采用工程中常用的電渦流法測量推力軸承油膜厚度，具體測量方法為：在推力瓦進油邊上布置2套傳感器，2個測點相隔90°，如圖7和圖8所示。該方法實現了在不破壞推力瓦結構，且無運行風險的前提下，能實時監測推力瓦油膜厚度的變化情況，為推力瓦的潤滑可靠性及突發故障的原因分析提供了監測依據。

圖7 位移傳感器安裝示意圖

圖8 傳感器布置示意圖

2.2.2 推力軸承油膜厚度數據分析

高壓油減載系統啟動后，在推力瓦面和鏡板間形成一個具有一定厚度的油膜，據以往的經驗，高壓減載系統啟動時，最小油膜厚度控制在50μm左右，是足夠安全的[3]。如圖9所示，機組高壓減載系統啟動后，推力瓦油膜厚度為60μm左右，滿足運行要求；當轉速從0上升至100% Ne時，油膜厚度從60μm上升至110μm左右；當機組在額定負荷下運行時，推力瓦進油邊油膜厚度穩定在125～135μm之間。

圖9 三峽700MW機組開機過程油膜厚度變化趨勢圖

在推力軸承運行穩定條件下，根據推力軸承潤滑計算公式（1），隨推力負荷增加，推力瓦出口邊最小油膜厚度將減小[3]。在忽略瓦塊的變形條件下，油膜厚度在瓦面的分布只與瓦的傾角狀態有關[4-5]，因此，隨推力負荷的增加，推力瓦進出口邊油膜厚度將減小。

式中：h為軸瓦出口邊最小油膜厚度，單位mm；pφ為負載系數；λ為油液在運行溫度下的平均粘度，單位kgf.s/m2；υ為推力軸承平均周速，單位m/s；p為推力總負荷，單位kgf，l為推力瓦周向長度，單位cm；

圖10為三峽700MW機組負荷與油膜厚度變化關系曲線圖。由圖可知，推力瓦進口邊油膜厚度與機組負荷變化趨勢相反，這與公式（1）分析的隨負荷增加，油膜厚度將減小的結論一致。實時監測數據表明，機組負荷在640～700MW變化時，油膜厚度變化范圍在15μm左右。

圖10 三峽700MW機組負荷與油膜厚度變化關系曲線圖

2.3 推力瓦受力實時監測系統

ALSTOM機組推力軸承的支撐形式為剛性支柱螺栓形式，推力瓦受力不具有自調節能力，如機組運行時推力瓦受力不均勻，將引起各推力瓦溫溫差較大，嚴重時甚至引起燒瓦事故。目前國內外研究者對推力軸承監測的研究主要集中在溫度監測上[6]，一般溫度傳感器的傳統安裝方式是插入到瓦內，實際檢測的是瓦體溫度而不是瓦面溫度，以至溫度檢測在發生異常情況下存在滯后監視，在發生警報時已釀成重大事故。因此，除了進一步改善瓦溫的監測方式外，應對推力瓦受力進行綜合監測。

2.3.1 推力瓦受力實時監測方法

在現有推力軸承受力測量基礎條件下，利用原有受力測量傳感器，開發專用軟件系統與硬件采集器，將受力傳感器的監測數據傳輸到監控機柜，實現對24塊推力瓦受力情況的實時連續監測，如圖11、圖12，結合油液和油膜厚度相關參數在同一軟件平臺顯示，以提高推力軸承診斷分析的準確性和便捷性。

圖11 推力瓦受力壓縮監測界面

圖12 推力瓦受力壓縮柱狀圖

2.3.2 推力受力實時監測數據分析

圖13為三峽700MW水輪發電機組在相同水頭下，不同負荷時推力瓦受力曲線圖。由圖可知，在相同水頭下，推力瓦受力隨機組負荷增加而增大。機組停機時，推力瓦受力壓縮值最小，其壓縮平均值為121μm，這是由轉動部件重量產生的壓縮值；機組空載時，推力瓦受力壓縮平均值為157μm，比停機時增加36μm；當機組負荷增至640MW時，推力瓦受力壓縮平均值為178μm，比停機和空載時壓縮平均值分別增加47%和13%；隨機組負荷增至額定負荷，推力瓦受力壓縮平均值變化不大，在680MW和700MW時，壓縮平均值分別為181μm和183μm。

圖13 推力瓦受力隨機組負荷變化趨勢圖

3 結語

（1）本文研究的水輪機組潤滑油液狀態、推力瓦油膜厚度、推力瓦受力狀況、有功功率和轉速的“集成在線監測系統”，實現了水輪機組多參數狀態監測信息的融合，是我國水電行業水輪機組多參數狀態監測的集成創新。

（2）油液在線監測系統實現了水輪機組潤滑油的黏度、水分、污染度、介電常數及磨損金屬顆粒等多信息的集成檢測，提供了油液狀態信息的采集處理和潤滑磨損狀態的診斷等功能，保證了水輪機組潤滑磨損狀態監測的可靠性和及時性。

（3）油膜厚度監測系統能有效實時監測推力瓦油膜厚度的變化情況，為推力瓦的潤滑可靠性及突發故障的原因分析提供了依據; 推力瓦受力在線監測實現了對水輪發電機組24塊推力瓦受力的集中采集，減輕了設備維護人員工作量，為推力軸承的運行狀態提供了直觀的數據，為機組檢修提供了參考依據。