抽水蓄能機組導軸承油霧治理實踐

王 琪，陳晶晶，蔣 璆，劉少偉，楊季松

(1.南方電網調峰調頻發電有限公司檢修試驗分公司，廣州 511400；2.惠州經濟職業技術學院，廣東 惠州 516057；3.惠州蓄能水電廠，廣東 惠州 516100)

0 引 言

惠州蓄能水電廠(以下簡稱惠蓄)位于廣東省博羅縣羅陽鎮，距深圳市77 km，距廣州市112 km，共安裝8臺可逆式水泵水輪發電機組，單機容量300 MW，額定轉速500 r/min，為高水頭大容量純抽水蓄能電站[1]，是中國南方電網公司成立后興建的第一個特大型水電工程項目。惠蓄作為電網中重要的調峰調頻及事故備用電源，機組可靠運行為電網的安全穩定提供了保證。

自電站投入運行以來，8臺機組導軸承均存在嚴重的油霧問題，在機組運行期間油霧隨著機組的旋轉造成上導油盆、發電機定子線棒、下導油盆、水導油盆等諸多設備和生產區域存在油滴、油污積聚的現象，導軸承油霧不僅要消耗大量的潤滑油，而且還嚴重影響環境，降低傳感器等自動化設備的使用壽命，嚴重危及機組的安全可靠運行[2]。

1 導軸承抽油霧裝置組成及作用

惠蓄機組抽油霧系統由抽油霧裝置(包括電機、葉輪、濾芯、油霧收集裝置等)、抽油霧管路、閥門、氣密封腔和氣密封塊等組成。抽油霧裝置是在軸承蓋上部和內檔油圈下部安裝的雙槽形圓環，每個雙槽形圓環包含兩個環狀密封腔，即內外兩腔，外腔接轉子擋風板，與轉子內部接通，內腔與油盆內部相通(其中油盆下部氣密封腔在內油盆和軸領之后)，且內腔接管路至抽油霧裝置。機組運行過程中，氣密封腔外腔進轉子循環風，內腔則充滿從油盆溢出的油霧，利用轉子循環風氣壓大于所產生的油霧氣壓的特點，達到密封的目的。抽油霧裝置電機啟動，將內腔的油霧沿管路抽至濾芯進行收集。如圖1所示。

圖1 導軸承油霧裝置原理圖Fig.1 Principle diagram of oil mist pumping device for guide bearing

2 運行中的問題

惠蓄電廠自2011年8月機組全面投產以來，設備運行基本穩定，各運行參數指標良好。但在機組年度檢修期間，檢查均能發現上導油盆蓋、上導油盆底、發電機定子線棒、下導油盆蓋、水導油盆蓋等諸多設備和生產區域存在油滴、油污積聚的現象，如圖2所示。油霧對機組尤其是發電機的安全運行帶來了較大的安全隱患。油霧與碳粉混合在一起，污染集電環和碳刷，也會造成轉子、定子絕緣性能下降，同時油霧與灰塵在定子鐵芯及磁極通風槽內堆積，造成發電機內部通風循環受阻，影響發電機散熱效果，多重因素的作用造成發電機整體性能下降，降低發電機運行壽命。部分發電廠由于油霧污染嚴重，造成轉子絕緣下降、回路接地故障，被迫停機處理，為此帶來的經濟損失和電網影響巨大。頻繁的滲漏也使檢修工作任務加重，積聚后造成地面濕滑，威脅運維人員行走時的安全。同時油霧彌漫在空氣中，給廠房環境帶來一定的影響，如果被人體較長時間吸入，還會影響身體健康。

圖2 水導油盆蓋及頂蓋上油污Fig.2 Oil contamination on oil basin cover and top cover of hydraulic bearing

3 原因分析[3-10]

根據導軸承的結構特點，機組運行過程中甩油一般分為兩種情況。一是透平油從機組大軸軸領內側的內油盆溢出，這種甩油稱之為內甩油。另一種情況是透平油通過大軸與油盆蓋之間的間隙或油盆蓋板密封甩向油盆外部，稱為外甩油。

軸承內甩油一般原因為機組運行時，內油盆形成局部負壓，使油吸入或內油盆由于制造、安裝原因產生不同程度的偏心，形成油泵效應，造成透平油上溢。而對于惠蓄，由于平壓孔和密封擋圈的合理設計，基本不存在導軸承油盆內甩油現象。

軸承外甩油的主要原因是由于主軸軸領的高速旋轉，造成軸承油槽內油面波動加劇，從而產生許多油泡。當這些油泡破裂時，也會形成很多油霧。另外，隨著軸承溫度的升高，使油槽內的油和空氣體積逐漸膨脹，從而產生一個內壓，在內壓的作用下，油槽內的油霧隨氣體從軸承蓋板縫隙處溢出，導致水導油盆蓋上有細小的油滴。

3.1 水導油盆蓋與大軸非接觸式密封甩油

惠蓄水導軸承油盆蓋與大軸間迷宮式非接觸密封，密封裝配在油盆上，與大軸的設計間隙為0.685 mm。該處密封表現不盡人意，所有機組均不同程度的發生油霧從該間隙處甩出，油霧長時間積聚成油滴在水導油盆蓋等區域，污染水導油盆及頂蓋，導致水導軸承油盆存在外甩油現象。

3.2 上下導軸承非接觸式密封油霧逸出

惠蓄上下導軸承油盆氣密封塊與大軸的設計間隙為0.5 mm，部分氣密封塊間隙明顯大于設計間隙；同時部分位置氣密封塊圓弧度不好，即若按照設計間隙安裝，不能保證所有間隙都能達到0.50 mm，個別區域存在間隙明顯超標。檢修時檢查了氣密封塊與軸的間隙，發現油霧甩出與氣密封塊接觸狀況、氣密封塊與軸之間的間隙有一定的因果關系。導致上下導軸承油盆存在外甩油現象。

4 改造方案[11-17]

原抽油霧系統在實際運用中存在以下幾個問題：①氣密封塊難以與大軸保持相同弧度，兩者之間間隙不均勻且易發生變化。氣密封塊與大軸為非接觸式密封，難以避免油霧的溢出；②轉子循環風從管路接縫和氣密封塊間隙發生泄漏，造成壓力不足，密封效果不佳。針對發電機導軸承與水輪機導軸承進行了相應的改造。

4.1 上下導軸承接觸式密封改造

對發電機上下導軸承，在原有氣密封裝置基礎上進行改良，采用接觸式密封刷與原氣密封裝置相結合的方式解決油霧溢出問題。在上、下導軸承氣密封裝置上增加接觸式密封，防止油霧從氣密封裝置再次溢出，最終改造方案如圖3所示。

圖3 上下導軸承接觸式密封及刷座示意圖(單位：mm)Fig.3 Drawing of contact seal and brush base for upper and lower guide bearings

綜上所述，發電機上、下導軸承抽油霧裝置改造原則為：

(1)保留原氣密封裝置的作用，最大程度地提高設備利用率；密封刷支座簡便且實用，零部件數量少、重量輕，便于安裝。

(2)增加的接觸式密封刷選用尼龍作為接觸式密封材料，其特點是：①徑向力小，對軸無損傷；②安裝維護簡單，便于更換；③密封材料無腐蝕性，對人體接觸無較大風險；④密封刷具有柔順、耐磨等優良性能；

4.2 水導軸承防油霧腔及接觸式密封改造

對水輪機導軸承，采用防油霧罩與接觸式密封刷相結合的方式解決油霧溢出問題。在水導油盆蓋上增加防油霧腔，通過螺栓連接固定在水導油盆蓋內圓上，防油霧腔頂部與大軸相結合的部位采用接觸式密封，防止油霧再次溢出。防油霧腔用于收集從水導軸承油盆蓋與大軸間迷宮式非接觸密封溢出的油霧，待油霧冷卻集聚成油滴后在重力的作用下從非接觸式密封處流回水導油盆，避免油的浪費。

水導接觸式密封設計原則與發電機導軸承相同。

防油霧腔的按如下原則設計：①內環方向與水輪機軸有足夠空間，同時校核各機組水導軸承擺度傳感器支架高度，確保與刷座罩子合理搭配；②水導油盆密封腔重量不能影響油盆蓋架的穩定。水導防油霧腔最終改造終結構如圖4所示。

圖4 水導油盆蓋接觸式密封及刷座示意圖Fig.4 Drawing of contact seal and brush seat for oil pot cover of hydraulic bearing注：1-罩子；2-刷座，固定密封刷，承載徑向力；3-密封刷墊；4-密封板；5-壓板。

5 實施效果

改造完成后，惠蓄機組上導油盆蓋、上導油盆底、發電機定子線棒、下導油盆蓋、水導油盆蓋油污明顯減少，機組運行過程中風洞內及水車室油霧濃度明顯降低，機組設備整體運行環境得到較大改善，一定程度上提高了機組運行的可靠性。同時，導軸承甩油現象的解決使透平油消耗量有所降低，檢修維護工作量減少，提高了自動化元器件的使用壽命。

6 結 語

針對惠蓄上下導抽油霧裝置效果差、水導軸承油盆多點滲漏及水車室內油污現象嚴重的問題，通過對導軸承甩油的理論研究和各導軸承設計特點的實際分析，多項改造措施并舉，有效地解決了導軸承甩油和抽油霧裝置效率低等問題。消除了機組運行的重大安全隱患，保證了電站安全穩定運行，為抽水蓄能機組導軸承油霧治理提供了一定的借鑒和參考。