水電站油污問(wèn)題處理改造

裘迪林，王向陽(yáng)，周益峰

（杭州杭發(fā)發(fā)電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311201）

1 概況

浙江新昌門(mén)溪水電站，裝機(jī)為2 臺(tái)容量2.5 MW的立式水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF-J2000-8/1730，機(jī)組采用三支點(diǎn)懸式布置結(jié)構(gòu)，上機(jī)架內(nèi)的上導(dǎo)軸承和推力軸承位于轉(zhuǎn)子上方，下機(jī)架內(nèi)的下導(dǎo)軸承位于轉(zhuǎn)子下方，水輪機(jī)設(shè)置水導(dǎo)軸承，位于聯(lián)軸法蘭下方。發(fā)電機(jī)通風(fēng)采用管道通風(fēng)冷卻系統(tǒng)。

該電站自2015 年機(jī)組投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)在上機(jī)架通氣罩周?chē)忻黠@油霧出現(xiàn)；用手電筒從進(jìn)風(fēng)罩向上擋風(fēng)板處照射，上擋風(fēng)板內(nèi)出現(xiàn)明顯油霧。電站檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子表面、轉(zhuǎn)子表面、上擋風(fēng)板表面、上機(jī)架上導(dǎo)環(huán)板處存在黑色油污層。

油污是長(zhǎng)期存在困撓機(jī)組運(yùn)行的問(wèn)題，特別是高轉(zhuǎn)速機(jī)組，更易發(fā)生甩油，出現(xiàn)油霧現(xiàn)象也更為突出。該機(jī)組轉(zhuǎn)速為750 r/min，屬于高轉(zhuǎn)速機(jī)組。油污帶來(lái)的危害不容小覷，一旦油污覆蓋線圈表面，線圈散熱就會(huì)受影響，散熱不好，發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致并加速線圈絕緣老化，影響發(fā)電機(jī)使用壽命[2]。定子鐵心、轉(zhuǎn)子外表面一旦吸附油污，也不易清理，給電站維護(hù)帶來(lái)困難。

因機(jī)組帶油污長(zhǎng)期運(yùn)行，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的安全隱患。經(jīng)研究討論，對(duì)門(mén)溪水電站發(fā)電機(jī)上機(jī)架部件進(jìn)行技術(shù)改造，消除上機(jī)架甩油和油霧現(xiàn)象，解決發(fā)電機(jī)油污問(wèn)題。

2 判斷油污路徑

根據(jù)檢修時(shí)油污位置，分析判斷出發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)同時(shí)發(fā)生了擋油管內(nèi)甩油、通氣罩內(nèi)甩油和進(jìn)風(fēng)罩油霧返流現(xiàn)象，油污路徑見(jiàn)圖1。

2.1 擋油管內(nèi)甩油路徑

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子主軸上的推力頭和鏡板將油槽內(nèi)的潤(rùn)滑油高速甩出并飛濺，潤(rùn)滑油液面發(fā)生劇烈涌動(dòng)，油槽內(nèi)側(cè)油霧沿著推力頭與擋油管間間隙往上爬，直至經(jīng)過(guò)擋油管與推力頭間的間隔環(huán)，在轉(zhuǎn)子風(fēng)扇負(fù)壓作用下，油霧經(jīng)過(guò)擋油管與推力頭的迷宮間隙，沿主軸與擋油管間間隙，進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，發(fā)生擋油管內(nèi)甩油現(xiàn)象。

2.2 通氣罩外油霧路徑

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，油槽內(nèi)潤(rùn)滑油溫度上升，使?jié)櫥偷捏w積膨脹并產(chǎn)生大量油霧，使上導(dǎo)和推力軸承油槽內(nèi)部壓力增大，一部分油霧直接向上蓋通氣罩外涌出，另一部分大量油霧經(jīng)過(guò)上導(dǎo)通氣罩向外涌出，通氣罩外發(fā)生油霧現(xiàn)象。

2.3 進(jìn)風(fēng)罩油霧返流路徑

門(mén)溪水電站發(fā)電機(jī)通風(fēng)方式為管道通風(fēng)，冷卻空氣來(lái)自廠房。在發(fā)電機(jī)上機(jī)架腿間設(shè)有4 個(gè)進(jìn)風(fēng)罩，廠房?jī)?nèi)自然風(fēng)進(jìn)入進(jìn)風(fēng)罩作為發(fā)電機(jī)的冷卻空氣，從通氣罩涌出的部分油霧，在轉(zhuǎn)子風(fēng)扇負(fù)壓作用下隨冷卻空氣，流入進(jìn)風(fēng)罩和上擋風(fēng)圈內(nèi)，再次進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，發(fā)生進(jìn)風(fēng)罩油霧返流現(xiàn)象。

3 油污原因分析、處理改造方案和措施

機(jī)組運(yùn)行時(shí)油槽內(nèi)油面變化受油溫、油壓和油的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等多重因素影響，要精確分析和掌握潤(rùn)滑油的狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)是非常困難的。

3.1 原因分析

根據(jù)運(yùn)行時(shí)油霧出現(xiàn)的位置和檢修時(shí)油污層的位置，結(jié)合各油污路徑上發(fā)生的油污現(xiàn)象，對(duì)原上機(jī)架零件結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)一步研究分析，找出根本原因。

3.1.1 靜止油面至擋油管高度合理性分析

根據(jù)宋洪占[1]闡述常規(guī)立式水輪發(fā)電機(jī)組靜止油面至擋油管高度與額定轉(zhuǎn)速有關(guān)，取值范圍見(jiàn)表1，由表中可看出，在750 r/min 額定轉(zhuǎn)速下，靜止油面至擋油管高度取值需達(dá)270 mm。

表1 油面至擋油管高度取值范圍

對(duì)已生產(chǎn)過(guò)并穩(wěn)定運(yùn)行機(jī)組進(jìn)行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其中750 r/min 及相鄰轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)，其靜止油面至擋油管高度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 靜止油面至擋油管高度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可以看出，靜止油面至擋油管高度取值與轉(zhuǎn)速和容量密切相關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，高度取值越大。相同轉(zhuǎn)速下，容量越高，高度取值也越大。

門(mén)溪水電站發(fā)電機(jī)靜止油面至擋油管高度設(shè)計(jì)值為98 mm，從上述數(shù)據(jù)分析看出，發(fā)生擋油管內(nèi)甩油現(xiàn)象的根本原因是靜止油面至擋油管高度偏小導(dǎo)致。根據(jù)表2 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在沒(méi)有特殊措施下該高度尺寸98 mm 至少要加大至150 mm，才有可能避免擋油管內(nèi)甩油。

3.1.2 通氣罩安裝高度合理性分析

改造前通氣罩布置高度，從圖1 中可以看出，上蓋處通氣罩下方無(wú)加高座，通氣罩直接固定在上蓋上。上導(dǎo)處通氣罩下方設(shè)置加高座，通氣罩加高高度為50 mm，加高座詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。加高座設(shè)置泄壓槽，部分油霧經(jīng)泄壓槽被阻擋后回流入油槽。但當(dāng)油槽內(nèi)高轉(zhuǎn)速下高溫產(chǎn)生大量油霧仍存在壓力差的情況下，大部分油霧仍會(huì)從加高座中間孔中涌出。

圖2 通氣罩加高座結(jié)構(gòu)圖

顯而易見(jiàn)，原上蓋處通氣罩安裝高度不夠、上導(dǎo)處通氣罩加高座內(nèi)油霧泄壓不充分和結(jié)構(gòu)不合理是導(dǎo)致通氣罩外發(fā)生油霧現(xiàn)象的根本原因。

3.1.3 轉(zhuǎn)子風(fēng)扇對(duì)油霧的影響

如圖1 所示，在轉(zhuǎn)子風(fēng)扇的作用下，上機(jī)架下部形成負(fù)壓區(qū)，對(duì)擋油管與主軸間隙處的空氣產(chǎn)生作用，一旦有油霧便進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，結(jié)構(gòu)上存在不合理。

3.2 處理改造方案和措施

門(mén)溪水電站發(fā)電機(jī)上機(jī)架油污問(wèn)題技術(shù)改造，既要克服電站結(jié)構(gòu)受限、高程受限的實(shí)際情況，又要確保油污改造的徹底性，確定改造方案難度確實(shí)較大，方案實(shí)施需考慮周全，經(jīng)多次研討會(huì)議，采取在原結(jié)構(gòu)和零部件基礎(chǔ)上進(jìn)行部分拆除、加工和增設(shè)零件裝置，通過(guò)采取堵、疏相結(jié)合的方法，隔斷甩油和油霧形成路徑，最終解決油污問(wèn)題[2]。

3.2.1 消除擋油管內(nèi)甩油處理

要解決擋油管內(nèi)甩油問(wèn)題，最有效的方法是增加擋油管頂部至靜止油面的高度。在結(jié)構(gòu)、空間不受限制的情況下，該高度越大，防治的效果就越明顯。但由于該電站整體高度空間受限制，靜止油面至擋油管高度加大到150 mm 以上無(wú)法實(shí)現(xiàn)。在結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與改造可行性?xún)煞矫嬉兀岢龈脑旒疤厥馓幚泶胧┤缦拢桨附Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，推力頭加工圖如圖4 所示。

圖3 改造結(jié)構(gòu)圖

圖4 推力頭加工圖

（1）對(duì)原擋油管進(jìn)行處理：割除擋油管外圈、割除內(nèi)擋油管圓周方向12 個(gè)間隔塊，如圖5 所示。

圖5 擋油管處理圖

（2）增設(shè)一個(gè)外擋油管，利用原內(nèi)擋油管上的止口，將外擋油管焊在原內(nèi)擋油管上，焊好后靜止油面至外擋油管高度為128 mm，即與原高度比較加高30 mm。

（3）推力頭加工內(nèi)圓，增大內(nèi)徑尺寸至270 mm，此時(shí)推力頭與擋油管單邊間隙為31.5 mm，此間隙加大后，可避免油在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)快速向上爬升。

（4）推力頭加工出一個(gè)環(huán)形槽，使增設(shè)的外擋油管上端伸入推力頭內(nèi)20 mm。

（5）推力頭內(nèi)圓開(kāi)設(shè)阻油槽，阻油槽可阻止油霧往推力頭環(huán)形槽爬升，一旦有油霧可向徑向出油孔甩出。

（6）在內(nèi)擋油管外圓處增設(shè)2 個(gè)擋油環(huán)，進(jìn)一步阻止油霧沿推力頭內(nèi)壁爬升。

3.2.2 消除通氣罩外油霧處理

將原上導(dǎo)處通氣罩加高座拆除，更換裝上油霧阻隔器，同時(shí)上蓋處也增加安裝油霧阻隔器，兩處共8 只，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示。油霧阻隔器由接頭體、隔油板、間隔環(huán)、定位板和螺栓等組成，間隔環(huán)安裝在隔油板間，螺栓將間隔環(huán)和隔油板固定在定位板上。定位板上設(shè)有若干通孔，隔油板設(shè)計(jì)成弧形邊和直線邊，弧形邊與接頭體內(nèi)壁小間隙配合，直線邊與接頭體內(nèi)部之間形成缺口，且上下相鄰隔油板的缺口呈180°錯(cuò)位布置，形成“S”型的通道，如此，上升的油霧可以在“S”型通道內(nèi)流通，既實(shí)現(xiàn)平壓的功能，又使油珠通過(guò)多層隔油板阻隔，回到油槽。

圖6 通氣罩油霧阻隔器結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)加設(shè)油霧阻隔器，防止出現(xiàn)通氣罩外油霧現(xiàn)象，同時(shí)也解決了進(jìn)風(fēng)罩油霧返流問(wèn)題。

3.2.3 消除轉(zhuǎn)子風(fēng)扇對(duì)油霧影響處理

為消除轉(zhuǎn)子風(fēng)扇對(duì)擋油管與主軸間隙處的空氣負(fù)壓作用，采取增設(shè)如下裝置有效解決。

（1）在上機(jī)架下部增設(shè)一個(gè)接油盤(pán)，避免轉(zhuǎn)子風(fēng)扇對(duì)擋油管處的抽空氣作用，消除負(fù)壓影響，進(jìn)一步阻隔油霧進(jìn)入定轉(zhuǎn)子內(nèi)部。

（2）增設(shè)一套高壓氣密封系統(tǒng)，高壓氣取自定子端部，高壓氣通入接油盤(pán)內(nèi)，進(jìn)一步阻止擋油管油霧進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部。

3.3 加工、安裝要求

加工和安裝是改造實(shí)施的關(guān)鍵工序，直接影響到本次改造效果，特提出要求如下：

（1）在割除擋油管外圈和內(nèi)擋油管圓周方向間隔塊時(shí)，需注意對(duì)內(nèi)擋油管上的止口進(jìn)行保護(hù)并修配至Φ211 尺寸，確保增設(shè)的外擋油管內(nèi)徑與止口外徑相匹配，并注意止口與軸線的同心度要求。

（2）推力頭加工內(nèi)圓和環(huán)形槽，加工時(shí)注意與內(nèi)孔軸線的同心度要求。

（3）拆掉推力頭后，安裝人員需測(cè)量、復(fù)核內(nèi)擋油管尺寸，如圖2 中所述復(fù)核尺寸，確保新增2 個(gè)擋油環(huán)和外擋油管與內(nèi)擋油管尺寸相匹配。

（4）焊接外擋油管時(shí)，注意與軸線的同心度，施工時(shí)需有防止擋油管變形的措施。

（5）在機(jī)座壁上鉆高壓取氣孔時(shí)，需有防鐵屑進(jìn)入定子內(nèi)部措施。

（6）將接油盤(pán)底座焊于上機(jī)架底部，焊時(shí)注意以擋油管內(nèi)孔為基準(zhǔn)，確保與擋油管同心。

（7）裝接油盤(pán)時(shí)，兩瓣不合縫，內(nèi)孔盡可能大，裝于上機(jī)架上，與上機(jī)架一起吊入后，調(diào)整接油盤(pán)使銅條密封與主軸接觸，最后合縫和緊固螺栓。

（8）安裝油霧阻隔器時(shí)，注意檢查上下相鄰隔油板的缺口，需呈180°錯(cuò)位布置，避免放反。

4 結(jié)語(yǔ)

油污污染一直是困擾水電站運(yùn)行的共性問(wèn)題，不僅影響機(jī)組的正常運(yùn)行，也會(huì)給電站維護(hù)帶來(lái)困難。門(mén)溪水電站于2018 年年底機(jī)組檢修，對(duì)上機(jī)架進(jìn)行了上述改造處理。改造后投運(yùn)以來(lái)，發(fā)電機(jī)上機(jī)架油霧現(xiàn)象完全消除，油污問(wèn)題徹底解決，各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)越，機(jī)組運(yùn)行安全穩(wěn)定。