試論如何提高水輪機運行的可靠性

摘 要 本公司一期工程循環水系統采用以海水為水源的直流供水系統，冷卻水取自電廠北側的萊州灣海水。夏季、春秋季循環冷卻水量為59.30m3/s，冬季循環冷卻水量為44.98m3/s。循環水系統流程為：取水設施→泵房前池→攔污柵（移動式清污機）→旋轉濾網→循環水泵→液控蝶閥→循環水壓力進水管→凝汽器及輔機→循環水壓力回水管→虹吸井→排水溝→前池→排水發電機組→大海。水輪機利用的是循環水最后的是能進行發電，其形式為軸伸貫流式水輪機。

關鍵詞 循環水系統;循環冷卻水;軸伸貫流式水輪機

1水輪機的結構組成

水輪機由進水裝配、導水機構、調速機構、前徑向軸承、主軸密封、轉動部分、轉輪室與直錐管、肘管部分、后徑向推力軸承，油水氣自動化等幾部分組成。

1.1 進水裝配

進水部分是水輪機過流通道，它是采用鋼板焊接及螺栓拉合結構，設有吊物進人孔、固定座環、燈泡頭、地腳拉鉤等組成，它是水輪機前軸承的支撐點，它的剛度對整個水輪機的振動、噪音起決定作用。

1.2 導水機構

導水機構的作用有三點：第一是起支撐作用，形成一定的水流空間，支撐控制環;第二是形成轉輪前的水流環量，為水流順利進入轉輪作準備;第三是通過導葉的開啟與關閉調節流量，進而調節有功的輸出。此部分是水輪機的重要部件，它由導水內環、導水外環、導葉、導葉臂、連板和控制環等組成，由于導葉的運動是錐形的空間運動，故與其相連的軸承都是特制的關節軸承，連板與導葉臂之間設有剪斷銷，以便導葉卡死時發出報警信號，保護調速器，導葉是運動件又處于水流中，故上、下軸頸處都設有密封。

1.3 調速機構

調速機構由接力器、軸套、叉頭、銷等組成，整個機構結構簡單、性能可靠。

1.4 主軸密封

轉動部分的前、后各設一道密封。前主軸密封采用橡膠活塞密封和空氣圍帶的停機密封，橡膠活塞密封是靠壓力水壓迫活塞下移壓緊平板起密封作用，活塞和平板之間也是靠清潔水保證潤滑的。后主軸密封采用盤根填料密封，這種密封形式是靠盤根擠壓大軸起密封作用，盤根中間設有水環靠清潔水保證盤根潤滑。

1.5 轉動部分

轉動部分是整個水輪機的心臟，水輪機性能好壞決定于轉動部分，它有前小軸、轉輪、大軸和小主軸組成。大軸是采用20SiMn整鍛而成，轉輪采用鑄鋼葉片和鑄鋼轉輪體組焊而成。在最大飛逸轉速范圍內的任一轉速下運轉時，整個轉動不會產生有害的震動和變形。

1.6 轉輪室和直錐管及肘管部分

轉輪室內徑與轉輪葉片配合，配合間隙符合國家規定，以使水流漏水量最小，水流最大限度做功于葉片上，定漿轉輪室是圓柱面。轉輪室和直錐管都是分半的鋼板焊接結構，其間設一伸縮節，直錐管上設有進人孔。

油水氣自動化部分：

此部分對確保機組安全運行起關鍵的作用，它主要包括增速器的潤滑設備稀油站、前后主軸密封的水管路、后徑向推力軸承、發電機徑向軸承及稀油站的冷卻水管路，空氣圍帶和制動剎車的氣管路，以及各軸承部位用以檢測信號的鉑熱電阻、示流信號器等檢測元件[1]。

2水輪機運行目前存在的缺陷

缺陷1：水輪機主軸密封跟隨性差造成前導軸承室進水。

兩臺水輪機經過運行后，因前導軸承室進水造成前導軸承溫度高（75℃跳機）。跳機的原因分析為水輪機主軸密封為活塞密封，使用密封水作為動力源，密封一側為抗磨板（材質為321不銹鋼），當機組運行過程中，在密封水（0.32MPa）的工作壓力下將活塞推向抗磨板，利用橡膠與鋼板之間的壓緊力作為軸向密封，防止海水漏量增大充滿腔室，繼而倒灌至前導軸承室內部。其次，經過長時間運行由于活塞密封為橡膠材質，與鋼結構摩擦造成活塞表面破損，無法有效起到密封作用;第三，機組在導葉突然開關過程中，軸向推力瞬間增大，密封水壓力較低，無法有效保證活塞及時與抗磨板接觸起到密封作用，導致海水瞬間倒流至軸承箱內。腐蝕加劇密封不嚴造成前導軸承室進水問題;以上三條原因是造成主軸密封不嚴繼而漏水的主要原因。

缺陷2：工業冷卻水材質為碳鋼，造成管壁堵塞，通流面積減少，潤滑油冷卻效果差。

原機組設計時，各個軸承以及后密封盤根冷卻水管道為碳鋼材質，由于使用工業水冷卻且此位置在全廠最末端，易導致管道內壁堵塞，減少通流面積，降低潤滑油的冷卻性能。

缺陷3：水輪機導葉材質為碳鋼件，在海水浸泡腐蝕下導致葉片表面修飾，內部卡澀，活動不靈活。

設計時，水輪機導葉片為碳鋼材質，碳鋼對海水的耐腐蝕性很差，運行過程中常常出現導葉片卡到某一角度無法正常全部關閉的情況，易導致機組無法正常停機和發生超速的危險。

3提高水輪機運行可靠性的方法

3.1 更換主軸密封形式的方法

針對水輪機主軸密封跟隨性差造成前導軸承室進水缺陷，采用更換主軸密封形式的方法。考慮到泵上運用的機械密封形式，思考將主軸活塞密封更換為集裝式機械密封，機械密封采用316L不銹鋼材質，動靜環密封面材料采用特殊熱處理的碳化鎢硬質合金（硬度接近金剛石），海水中的細小泥沙不會造成密封鏡面磨損。機械密封的結構是彈簧外置在遠離海水的位置，不直接和海水接觸，使機械密封的使用壽命有保證。

主軸密封更換成機械密封后，因機械密封為鏡面密封，依靠彈簧力對其進行推動，能夠保證密封不漏水;機械密封替代了主軸密封和空氣圍帶兩密封的功能，避免了啟停機兩道密封切換造成油室進水風險，提高設備可靠性。

3.2 提高潤滑油冷卻效果

針對工業冷卻水材質為碳鋼，造成管壁堵塞，通流面積減少，潤滑油冷卻效果差的問題。采用將原先的碳鋼冷卻水管道全部拆除，重新布置新的冷卻水管道，管道采用316L不銹鋼材質，全氬弧焊接，保證焊接質量和通流面積，提高潤滑油冷卻效果。

3.3 提高導葉的耐腐蝕性

針對水輪機導葉材質為碳鋼件，在海水浸泡腐蝕下導致葉片表面修飾，內部卡澀，活動不靈活的缺陷。由于水輪機內腔室在海水中運行，考慮金屬特性和防護性能，將水輪機導葉材質更換為雙相不銹鋼2205，提高導葉的耐腐蝕性，同時在水輪機外殼體上加裝防護陰極塊，防止殼體腐蝕加劇，保證水輪機運行的可靠性。

4結束語

水輪機的安全運行一直是華電萊州發電有限公司的一個難題，但是通過近幾年的改造優化，水輪機能夠長周期穩定安全運行。特別是將水輪機主軸密封改造為機械密封后，前導軸承進水危害機組安全運行的問題得到徹底解決。當前我國水電早期設計的機組有很多存在類似的問題，建議借鑒此方法進行改造。

參考文獻

[1] 梁武科.水輪機優化設計與運行可靠性問題研究[D].西安：西安理工大學，2006.

作者簡介

秦福鵬（1990-），男，山東省煙臺市招遠市人;學歷：本科，職稱：助理工程師，現就職單位：華電萊州發電有限公司，研究方向：汽輪機檢修。