里底電站水淹水導軸承快速原因查找與處理

祁英明，龔自成，黃偉

（華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 維西 674600）

1 引言

里底水電站位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉境內的瀾滄江上游河段，是瀾滄江上游梯級開發中的第3級電站。電站總裝機容量為420 MW，裝有3臺單機容量為140 MW的軸流轉槳式水輪發電機組。水輪機型號為ZZ(460)-LJ-740，發電機型號為SF140-56/12000。最大設計水頭41.2 m，額定水頭34.0 m，最小水頭28.9 m，設計最大流量455.17 m3/s，年設計發電量15.79億kW·h。2018年10月31日首臺機組投入商業運行，2019年4月30日最后一臺機組投入商業運行。

2018年10月13日，首臺機組啟動試運行。在調速器事故配壓閥動作停機試驗過程中，當機組轉速降低20%額定轉速時，頂蓋水位迅速上升，水淹水導軸承。檢查發現頂蓋排水泵空轉，不能正常抽水。經過對水淹水導軸承原因分析，制定解決方案，通過改造，未發生水淹導軸承事件。

2 原因分析

2.1 水輪機主軸密封結構方面

（1）水輪機工作密封水壓力突然減小，可造成主軸密封漏水量增大。

里底電站水輪機主軸密封裝置布置在水導軸承下方，主要由工作密封和檢修密封組成。工作密封采用端面水壓密封結構，工作密封主要由轉環、密封環等部件構成。轉環安裝在主軸上面，密封環裝在頂蓋上面，結構見圖1。密封環為鋼托結構。工作密封工作原理是機組運行時，主軸密封壓力水一方面推起密封環靠近轉換密封端面起密封作用，另一方面主軸密封壓力水的通過密封環孔洞進入轉環的密封端面的分水環槽中，起一定的潤滑作用[1]。機組停機時壓力水變小，是由于鋼托的重力作用，密封環回落到原始位置，解決了密封環緊貼轉換只上不下的問題，同時減少了運行中主軸密封壓力水中斷干燒密封環的風險。因此，從結構上分析可以得出，當主軸密封水的水壓力剛好滿足推起密封環向下的重力和密封環端面密封水向下的合力時，主軸密封受力平衡（見圖2）[1]，機組正常運行。當主軸密封水因主軸密封供水濾器堵塞，致水壓不穩定，會引起壓力突然減小，平衡破壞，密封環受重力作用向下運動，可造成主軸密封水漏水量突然增大。

（2）機組抬機、密封環發卡，可造成主軸密封漏水量突然增大。

機組停機過程中，導葉迅速關閉，轉輪受到反水錘和水泵升力的共同作用，機組向上的軸向水推力大于機組的轉動部分重量，造成機組抬機。正常情況下，轉環、密封環都會隨機組抬機向上運動。但因轉環隨機組向上的加速度比主軸密封水壓力推動密封環的加速度大，或因泥沙含量大致使密封環發卡，又遇到機組抬機，轉環與密封環間隙將會增大，可造成主軸密封水漏水量突然增大。

圖1 主軸密封結構

圖2 主軸密封受力簡圖

2.2 頂蓋排水系統方面

里底電站水輪機頂蓋排水系統主要有2臺富蘭克林無密封自吸泵，型號為80WFB-6A1；2臺賽萊默不銹鋼潛水泵，型號為3S27185。自吸泵布置在頂蓋內，高程為1 771.89 mm。潛水泵布置在支持蓋內，高程為1 768.065 mm。2臺自吸泵出水管分別通過Φ89 mm不銹鋼管獨立排至頂蓋排水總管，2臺潛水泵出水管共用1根Φ89 mm不銹鋼管排至頂蓋排水總管，頂蓋排水總管將水排至油污水集水井。正常情況下，水位上升到380 mm時，頂蓋內1臺自吸泵和2臺潛水泵啟動工作。水位上升到1 100 mm時，備用自吸泵啟動工作。當水位降低到75 mm時，自吸泵和潛水泵均停止工作。頂蓋水位達到1 300 mm，機組LCU報警。排水泵水位信號設定值見圖3。

圖3 排水泵原水位信號設定值

自吸泵是不需在吸入管路內充滿水就能把水抽上來的一種離心泵。泵運轉前，泵腔內存有一定量的液體和氣體。當泵啟動后，由于葉輪的旋轉作用，使管路的空氣和液體充分混合，并排到氣液分離室，氣液分離室上部的氣體溢出，下部液體返回葉輪，重新和吸入管路的剩余氣體混合，直到把自吸泵管路內氣體全部排盡，完成自吸，使自吸泵進入正常工作狀態。根據水泵的工作原理，頂蓋排水泵空轉，不能正常抽水的問題，最有可能的原因是水泵進水管的管口潛水深度不夠，離水面太近。對其原因分析如下。

（1）自吸泵進口浸水深度降低，排水可靠性降低。檢查發現自吸泵進水管管口高程偏高，與設計圖紙要求不符。為了保護水泵，在自吸泵的進口增加了過濾器裝置，過濾裝置見圖4。由于設計未考慮到過濾裝置，排水泵啟、停泵水位未做相應修改，致使自吸泵進口浸水深度不夠，抽水可靠性降低。自吸泵安裝后實際浸水深度為100 mm，而設計圖紙要求自吸泵浸水深度至少200 mm。

圖4 自吸泵進水口過濾器

（2）自吸泵排水管存在虹吸現象，頂蓋水位繼續降低，自吸泵進口進氣，降低泵抽水的可靠性。排水泵啟停水位值重新設置后，發現頂蓋排水系統抽水至310 mm左右，自吸泵及潛水泵均停止工作，頂蓋內水位會繼續下降，下降高度距檢修密封座約為150 mm。初步分析是自吸泵停止工作的瞬間，泵腔內壓力突然消失，因泵的出口管路高程低于頂蓋排水總管高程，泵出口管路中的水會在慣性和重力作用下繼續向前移動，管路出現真空，自吸泵管路瞬間存在虹吸現象，頂蓋水位降低。自吸泵濾水器露出水面，進水口進氣，泵再次啟動后，排氣時間延長，降低泵抽水的可靠性。

3 解決方案

針對上述原因分析，結合現場實際情況，重新調整主軸密封水壓力設定值、排水系統水泵啟停水位設定值、潛水泵進口高程，增加浮球閥等措施。

（1）調高主軸密封水壓力設定值。將主軸密封水壓力由0.2 MPa設定值調整為0.3 MPa。在設計技術要求中，主軸密封水壓力值為0.2～0.3 MPa，滿足設計的要求。通過調高主軸密封水壓力，提高密封環向上的推力，減小了主軸密封漏水量。

（2）調整頂蓋排水系統水泵啟停水位設定值。將停泵水位75 mm調整至310 mm。啟泵水位380 mm調整至500 mm。提高了啟停泵水位，避免了虹吸現象。

（3）排水管增設不銹鋼底閥，確保自吸泵充水排氣。在自吸泵管路進水口處設置一套不銹鋼底閥，當頂蓋排水系統停止工作，底閥關閉，自吸泵進水管路充水，具備下一次啟動排氣的準備條件。當排水系統啟動，自吸泵排氣抽水，底閥打開，進水管路進水。

（4）調高潛水泵進水管口高程。為確保自吸泵正常工作，調高潛水泵安裝高程，距檢修密封座距離300 mm，比自吸泵管路進水口高度略高。當泵啟動后，支持蓋內的存水量滿足自吸泵正常要求，首先開始排水，然后潛水泵工作。

（5）增加浮球式透氣閥，破壞自吸泵排水管虹吸條件。在自吸泵出口增設一套浮球式透氣閥，破壞自吸泵排水管路中的真空度。當排水系統停止工作，透氣閥打開，空氣進入自吸泵出水管，破壞自吸泵產生虹吸的條件。當排水系統啟動，透氣閥關閉。

4 結語

通過以上方案改造后，里底電站3臺機頂蓋排水系統運行正常，未再發生水淹導軸承的事件。實踐證明，里底電站水淹導軸承快速原因查找的工作思路及方案處理是可行的，這可為國內軸流轉槳式機組主軸密封及排水系統的設計、安裝、運維檢提供借鑒。