某電站機組水導油位波動過大分析處理

張富春，楊 舉，王 濤

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌443002）

1 概述

某電站機組為軸流轉槳式水輪機組，經過改造后，目前某電站機組裝機容量均為150 MW。該機組改造后的水導瓦結構為斜楔支撐結構形式。水導軸承結構主要由軸領、軸承體、水導瓦、內擋油筒、外油箱、水導瓦間隙調節裝置、軸承蓋等組成。水導軸承的設計冷卻方式為自循環水冷，在支持蓋圓周方向設置4個外油箱，通過與江水的接觸來冷卻在水導內、外油箱循環流動的透平油（圖1）。

圖1 水導軸承透平油流向圖

水輪發電機組的熱量一般都是由于機組轉動部件與固定部件之間發生接觸摩擦產生的，這些熱量將會提高相關設備的溫度。而溫度過高，將會直接影響機組正常運行，弱化部件功能，甚至會縮短機組相關設備的正常使用年限。為了使機組設備更好的運轉，在機組設計過程中就會通過合理有效的方法將因機組部件接觸摩擦升高的溫度降低，控制在可允許的條件內。某電站機組的水導油槽設計成內油槽與外油箱，水導軸承等部件浸泡在內油槽，而外油箱安裝在 支持蓋上，緊挨著江水。因此，水導軸承因摩擦產生的熱量通過內油槽透平油與外油箱的循環流動傳送至外油箱，而支持蓋外部的江水通過與外油箱的接觸最終將水導油槽的熱量吸收，進而實現水導油槽的自循環水冷，保障水導油槽各工件在合適的工作溫度下運行。

2 油位波動異常現象

某電站機組經改造后水導軸承存在甩油過高的情況，部分機組在運行時其油位較停機時的油位高出128 mm，導致水導軸承運行時油位易超高限。對水導油位波動情況較嚴重的機組進行統計，如表1所示。

表1 水導油位波動情況表

水導軸承油位出現異常時，在現場進行檢查，發現水導油槽內油液流態紊亂，油液中摻雜有大量氣體，表層油液呈泡沫狀，在油槽上形成懸浮狀隨大軸旋轉方向環流。拆卸油位計進行檢查，油位計浮筒能正常動作，油位計顯示裝置未發現異常。

3 原因分析

為了更好的促進潤滑油在油槽里循環流動，一般在水導軸承的結構中，水導主軸軸領都會設計成軸領下部開油孔，油孔形式有2種，一種油孔是徑向，另一種油孔是與徑向成一定角度的進油孔。軸領下部油孔隨著主軸轉動充當著油泵的角色，將潤滑油在軸瓦與軸領間的空隙內流動，并充滿水導油槽內的軸瓦。在主軸帶動下，油孔里的油呈高速狀態射向水導油槽內部工件上，由于潤滑油有黏性，這將導致射出的部分潤滑油附著在工件上面。而另一部分潤滑油，則會被反彈至油槽內部空間，在高速射油狀態下分散成顆粒狀油珠。此時，再加上高速運轉的水導主軸，將引起水導內部油槽液面波動跡象變大，因此加劇了水導油槽液面油泡的生成。油泡隨著液面轉動，將會破裂成更細微的油霧狀態。

同時，由于水導軸承跟隨著大軸在轉動，水導軸承溫度因旋轉摩擦升溫，這將引起水導油槽內部的透平油及空氣因溫度升高而發生膨脹，根據熱力學原理，水導油槽內部將形成一股內壓。當機組運行時，水導油槽內部的透平油將呈現紊態，在主軸旋轉帶動下溫度升高，使內部存留的空氣發生膨脹，混入水導內油箱使透平油夾帶氣體呈泡沫狀，因此內油槽油比重減輕。這些透平油跟著主軸一起轉動，繞著水導軸承流動，導致部分透平油沒有參與到內油箱與外油箱油液流動循環中，以致外油箱的透平油油量減小，而內油箱的透平油量增多。所以，機組在運行時水導油槽的油位較停機時高。

另外，機組在運行時，主軸在高速轉動，帶動水導油面圓周轉動。由于楔子板抗壓塊結構較原抗重螺栓結構，對透平油在圓周方向流動的阻礙大，導致產生較大的涌浪，因此機組運行時油槽中油位有較大上升。

4 處理措施

通過對水導油槽油位異常原因分析，明確了水導油位波動大主要是由油槽內油液流態導致的，因此某電站對水導油位波動較大的機組水導軸承加裝限流裝置。機組運行時從大軸與瓦座間隙處甩出的油流受到限流裝置的阻擋，迫使油流改變流動方向，由向上變為向兩邊流動，從而降低甩油高度，改善水導運行時甩油過高的情況。

水導限流裝置由以下部件構成：限流板（不銹鋼穿孔板），用于第一級限流；限流網（金屬編織網，120目），用于第二級限流，同時過濾油中的絮狀及絲狀物；Z型支架，用于將限流裝置固定在瓦座上，限流板和限流網安裝在支架上；壓框2個，將限流板和限流網固定在Z型支架上（圖2～5）。

圖2 限流裝置正視圖

圖3 限流裝置俯視圖

圖4 限流裝置側視圖

圖5 限流裝置仰視圖

水導限流裝置工作原理：將限流裝置安裝在兩塊水導瓦之間的瓦座上、靠近水輪機大軸處（最近點距離2～2.5 mm），機組運行時從水輪機大軸與瓦座間隙處甩出的油流將受到限流裝置的阻擋（圖6）。從水輪機大軸與瓦座間隙甩出的油流經過限流板的小孔時形成多股流束，流束穿過小孔進入開闊空間后相互摻雜，能量損耗，油流能量、流量被第一次削減；被減速的油流經過限流網時，因限流網孔隙率<0.55，限流網網絲間會形成高密度油膜，產生很大的流阻，油流能量、流量被第二次削減。同時由于限流網的網狀結構有過濾作用，120目過濾精度122 μm規格濾網，可對水導軸承加排油及其他需打開油槽蓋的作業過程中進入的絮狀物、絲狀物等可能對水導軸承運行產生影響的雜質進行過濾。

圖6 中間圓柱體為水輪機大軸，限流裝置兩邊為水導瓦

5 效果分析

2015～2016 年期間，某電站陸續對 3 F、5 F、6 F、16 F機組的水導軸承加裝限流裝置。目前已運行了一段時間，具體情況如下所示。

從表2、圖7可以很明顯地看出，某電站機組水導軸承加裝限流裝置后，有效地限制了水導軸承運行時甩油高度，減緩了機組水導油位異常波動的現象，提供機組水導油槽內各部件良好的運行環境。

表2 加裝限流裝置前后水導油位波動情況對比

圖7 水導軸承加裝限流裝置前后油位波動情況對比圖

雖然水導軸承加裝限流裝置后，水導油位波動情況得到明顯的改善，但是，水導軸承安裝限流裝置后，在一定程度上減緩了水導油槽內部熱油冷油循環流動的流速，因此降低了熱油與冷油之間的熱交換能力，在一定程度上使水導軸承內油對水導瓦的冷卻效果變差。從表3、圖8可以看出，該電站3 F、5 F、6 F、16 F機組水導軸承加裝限流裝置后，水導瓦溫升高了0.1～1.0℃。

表3 加裝限流裝置前后水導瓦溫變化情況對比

圖8 水導軸承加裝限流裝置前后水導瓦溫變化情況對比圖

此外，目前使用的水導限流裝置增加了具有網狀結構的限流網，在對水導油槽限流的同時增加了一項過濾功能，可以將由于加油或其他作業過程中掉入水導油槽的絮狀物進行簡單的過濾。

6 結語

本文主要針對某電站3 F、5 F、6 F、16 F機組水導軸承油位波動過大的問題進行原因分析，探討機組加裝限流裝置后水導軸承運行的效果，為后期機組水導軸承加裝限流裝置提供一定的依據。