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論大河家水電站燈泡貫流式機組軸承冷卻潤滑油系統的技術改造
2010-03-09
袁 鋒
（甘肅匯能新能源技術發展責任有限公司）
（甘肅匯能新能源技術發展責任有限公司）
摘 要： 燈泡貫流式機組的軸承潤滑油系統一般采用外循環冷卻供油方式。就黃河大河家水電站機組軸承油系統在設計、制造和安裝中存在的問題如何改進作一介紹，并提出幾點建設性設想。
關鍵詞：燈泡貫流式機組；軸承潤滑油系統；技術改造；設想
1 概況
黃河大河家水電站位于甘肅積石山縣大河家鎮、甘青公路黃河大橋上游約100m處黃河右岸邊。該電站總裝機容量6 Mw(2×3Mw)，設計水頭7m，Z大水頭7.95 m，設計引用流量100.50m3/s。水輪機型號GZSIIIB-WP-275，發電機型號SFWG3000-40/2860。主機設備由重慶水輪發電機廠制造，設計單位甘肅省水電勘測設計研究院，安裝單位由甘肅省水電工程局承擔。在機組安裝過程中，發現了設計和制造上的諸多不合理之處，因各種原因對其部分零部件進行了技術改造。
2 潤滑油系統供油方式
本電站采用外循環冷卻間接供油方式，即油泵→高位油箱→主供油電磁閥→軸承→低位油箱。電站油務系統包括潤滑油系統和調速器油系統，統一采用L-TSA46汽輪機油。
3 油系統中存在的問題
3.1 設備制造錯誤
3.1.1 發電機推力軸承和徑向軸承為組合軸承，布置在轉子上游側，設計采用單根油管（GN25 mm）供油進行潤滑冷卻。分析設計原理：進油管自機架＋X方向進入（機架內油管路制造廠已配置），部分油量流入徑向軸瓦間隙（筒式瓦）潤滑冷卻后流回推力油盆；部分油量直接流入推力軸承油盆。推力油盆－Y方向兩側45°方向上各開設一溢油孔，其高度在油盆正常油位線上，通過軸承后的熱油經溢油孔流進推力軸承下方的回油槽。由回油槽流入低位油箱（即回油箱），低位油箱內設雙層過濾器和雙冷卻器。
徑向軸承座設計為水平套裝在機架內，按設計原理：機架內供油管出口與軸承座進油孔（孔徑φ20mm）應在同一方向、同一位置，潤滑冷卻油方能順利進入徑向軸瓦間隙；同時主軸旋轉方向為順時針，潤滑冷卻油隨主軸旋轉沿徑向軸瓦進油邊進入主軸下半部，形成油膜而起到潤滑冷卻作用。
但是，在對徑向軸承座進行解體、軸瓦刮研、組裝時發現，軸承座進油孔雖然也開在＋X方向上，但與機架進油管口水平錯位（偏向下游）達200mm，且機架與軸承座之間組裝配合間隙僅1mm。同時，在軸承座外圓上進油孔與機架出油管口之間還設置了一道橡膠密封圈，要使潤滑油順利流進徑向軸瓦內，根本沒有可能，經查制造廠設計圖與實物對照兩者完全一致，說明是制造廠設計錯誤。
3.1.2 轉輪槳葉操作壓力油泄漏問題。該電站水輪機轉輪為轉槳式，轉輪腔內十字滑塊及槳葉樞軸潤滑油由高位油箱（即重力油箱）設置獨立管路供給（設計油壓0.18Mpa），而槳葉操作壓力油由調速器供給（設計油壓2.50Mpa）。因制造原因操作壓力油有泄漏現象，其泄漏量約為15L/h（數據由制造廠運行時提供）。由于潤滑油油壓低于操作油油壓，因而槳葉操作壓力油由高壓腔向低壓腔泄漏，壓力油經泄漏進入十字滑道內經潤滑油管路反竄到高位油箱。機組在運行時，調速器油壓裝置油槽內的油量將逐漸減少，必須定時補充油量；而低位油箱內（或回油箱）的油量則逐漸增加，必須定時排放，這將嚴重危害機組的正常運轉。
經試驗，每班次需向壓力油槽內補充約150～200公升汽輪機油，而低位油箱則需排放相應的油量，給正常運行帶來了不便和隱患（因電站設計圖紙未設計調速器系統與潤滑冷卻油系統之間的聯絡管）。
3.2 設計缺陷
3.2.1 管路布置上的缺陷。重力油箱向機組軸承供油采用單管獨立供油方式，水導軸承供油管徑為GN25 mm鍍鋅管，發導與推力軸承供油管徑為GN32 mm鍍鋅管（在軸承附近變徑為GN25 mm）。重力油箱安裝高程為1782.50 m，機組安裝高程為1765.50m，其落差造成的油壓為0.17Mpa（設計要求油壓為0.18Mpa）。上游流道底板高程為1 763.32m。發導、水導供油管布置于管道電纜層上游側墻內，發導與推力軸承供油管經上游流道底板由燈泡頭下引入機組，管路為倒虹吸布置；水導軸承供油管沿管道電纜層底板由水輪機進人孔引入。由于管路長、管徑小、彎頭多，管路沿程和局部損失造成軸承進油口處實際油壓不足0.10Mpa。
3.2.2 油系統管網中的缺陷
①油庫與低位油箱、調速器壓力油槽之間僅設計了凈油供油管路，而未設計低位油箱、高位油箱、壓力油槽向油庫回收污油管路及相應的輔助設備。當機組潤滑冷卻油、調速器油需要進入油庫污油桶凈化時就十分麻煩。低位油箱布置在廊道層回油箱室，安裝高程為1 761.80m，而油庫地坪高程為1 769m，二者相差7.20m。當運行油需凈化時要臨時架設油泵及相應管路等輔助設施，無形中增加了檢修不必要的工作量。②針對槳葉操作壓力油泄漏問題，設計上沒有給予足夠的重視和采取相應的措施，以彌補設備制造上的不足。
3.3 安裝中存在的問題 高位油箱安裝在主廠房頂部，各供油管從油箱底部引出，經一懸空水平明管段后連接到管道電纜層上游側墻內予埋管口，懸空高度為10.50m，安裝較為困難，結果安裝時將該段管路敷設成了逆坡降；另外，管路上設計選用的自動化元件有嚴重質量問題，在2號機組試運行時，由于油管內混入了空氣使供油中斷，造成了水導瓦嚴重燒傷而被迫停機事件（自動化元件如電磁閥、流量信號器均未動作和發出信號）。
4 技術改造
4.1 針對推力徑向組合軸承進油管口錯位問題，在充分領會設計原理和意圖的基礎上，將機架內原管路取消（即封堵）。并設想在原管口向下游平移200mm的位置上重新開孔布設管路，經查閱圖紙對照實物，分析認為此方案行不通。原因是：機架是發電機的承重部件（機組為兩支點），同時還承擔著調節整臺機組的水平度和發電機定轉子空氣間隙的任務，所以機架在結構上對強度和剛度要求很高，采用箱式結構雙層鋼板焊接而成，鋼板厚度40mm。若在其上開孔（孔徑Z小在30mm以上）只有兩個途徑：一是鉆孔，二是氧氣割圓。現場鉆孔不具備條件，返廠時間不允許；而現場割圓雖能完成，但無法保證機架局部受熱變形問題。
在對照實物時，發現徑向軸承座頂部（＋Y方向）有一加工通孔，孔徑為20mm，可否利用此孔作為潤滑冷卻油進口？經分析論證：機架上部布置有風道（為不受力結構），如果將管路由風道進入（筋板厚度20mm）連接到軸承頂部的加工通孔上，由于供油路徑的改變，潤滑冷卻油先進入徑向軸承，然后流回推力油盆，這就充分保證了徑向軸承的潤滑冷卻油量，比原設計更為合理。認為此方案可行，經試驗改造后的軸承管路，供油效果良好。
4.2 針對槳葉操作壓力油泄漏問題，考慮到低位油箱內的多余油量應及時排出，同時應將此部分“多余”油量及時補充到壓力油槽。改造時利用低位油箱的排油孔（制造時予留兩個排油孔），將兩臺油箱聯接后利用管路與漏油箱連接（低位油箱與漏油箱同高程）。由漏油箱上的油泵將“多余”油量直接送回壓力油槽。
另外將兩臺高位油箱也串聯起來，因為，兩臺機組在運行時，高、低位油箱的油位不可能在同一時間內在同一刻度上，必定有差距，這樣兩臺機組可以互補盈虧，提高機組運行的可靠程度（在試運行期間，高、低位油箱內的液位信號器因質量問題，曾造成高位油箱內的油量放空而未動作發信號，低位油箱內的油量外溢而油泵未啟動而造成被迫停機事件）。經改造后的廠內油務系統聯成了一個整體循環管網，滿足了機組正常運行的需要。
5 幾點設想
①在高位油箱與油庫之間增設一條聯絡管路；②在高位油箱與壓力油槽之間增設一條聯絡管路；③在低位油箱與壓力油槽之間增設一條聯絡管路；④在低位油箱與漏油箱之間增設一條聯絡管路；⑤在低位油箱與油庫之間增設一條聯絡管路；⑥建議在今后機組軸承潤滑供油管路設計時，從高位油箱到每臺機組應盡可能采用獨立大口徑管道供油，到機組附近再分支管到軸承，這樣，一是減小管路的沿程和局部損失，保證供油壓力和油量；二是節省材料和減少安裝工作量；⑦建議制造廠在今后生產同型號機組時，把槳葉操作壓力油泄漏問題作為研究課題徹底解決。
增設以上管路及相應附屬設備，即可將電站各自獨立的潤滑油系統和調速油系統改造成一個有機的整體的電站油務系統，將極大地提高電站運行的可靠程度，同時改善和減少了運行隱患及運行工作量。
關鍵詞：燈泡貫流式機組；軸承潤滑油系統；技術改造；設想
1 概況
黃河大河家水電站位于甘肅積石山縣大河家鎮、甘青公路黃河大橋上游約100m處黃河右岸邊。該電站總裝機容量6 Mw(2×3Mw)，設計水頭7m，Z大水頭7.95 m，設計引用流量100.50m3/s。水輪機型號GZSIIIB-WP-275，發電機型號SFWG3000-40/2860。主機設備由重慶水輪發電機廠制造，設計單位甘肅省水電勘測設計研究院，安裝單位由甘肅省水電工程局承擔。在機組安裝過程中，發現了設計和制造上的諸多不合理之處，因各種原因對其部分零部件進行了技術改造。
2 潤滑油系統供油方式
本電站采用外循環冷卻間接供油方式，即油泵→高位油箱→主供油電磁閥→軸承→低位油箱。電站油務系統包括潤滑油系統和調速器油系統，統一采用L-TSA46汽輪機油。
3 油系統中存在的問題
3.1 設備制造錯誤
3.1.1 發電機推力軸承和徑向軸承為組合軸承，布置在轉子上游側，設計采用單根油管（GN25 mm）供油進行潤滑冷卻。分析設計原理：進油管自機架＋X方向進入（機架內油管路制造廠已配置），部分油量流入徑向軸瓦間隙（筒式瓦）潤滑冷卻后流回推力油盆；部分油量直接流入推力軸承油盆。推力油盆－Y方向兩側45°方向上各開設一溢油孔，其高度在油盆正常油位線上，通過軸承后的熱油經溢油孔流進推力軸承下方的回油槽。由回油槽流入低位油箱（即回油箱），低位油箱內設雙層過濾器和雙冷卻器。
徑向軸承座設計為水平套裝在機架內，按設計原理：機架內供油管出口與軸承座進油孔（孔徑φ20mm）應在同一方向、同一位置，潤滑冷卻油方能順利進入徑向軸瓦間隙；同時主軸旋轉方向為順時針，潤滑冷卻油隨主軸旋轉沿徑向軸瓦進油邊進入主軸下半部，形成油膜而起到潤滑冷卻作用。
但是，在對徑向軸承座進行解體、軸瓦刮研、組裝時發現，軸承座進油孔雖然也開在＋X方向上，但與機架進油管口水平錯位（偏向下游）達200mm，且機架與軸承座之間組裝配合間隙僅1mm。同時，在軸承座外圓上進油孔與機架出油管口之間還設置了一道橡膠密封圈，要使潤滑油順利流進徑向軸瓦內，根本沒有可能，經查制造廠設計圖與實物對照兩者完全一致，說明是制造廠設計錯誤。
3.1.2 轉輪槳葉操作壓力油泄漏問題。該電站水輪機轉輪為轉槳式，轉輪腔內十字滑塊及槳葉樞軸潤滑油由高位油箱（即重力油箱）設置獨立管路供給（設計油壓0.18Mpa），而槳葉操作壓力油由調速器供給（設計油壓2.50Mpa）。因制造原因操作壓力油有泄漏現象，其泄漏量約為15L/h（數據由制造廠運行時提供）。由于潤滑油油壓低于操作油油壓，因而槳葉操作壓力油由高壓腔向低壓腔泄漏，壓力油經泄漏進入十字滑道內經潤滑油管路反竄到高位油箱。機組在運行時，調速器油壓裝置油槽內的油量將逐漸減少，必須定時補充油量；而低位油箱內（或回油箱）的油量則逐漸增加，必須定時排放，這將嚴重危害機組的正常運轉。
經試驗，每班次需向壓力油槽內補充約150～200公升汽輪機油，而低位油箱則需排放相應的油量，給正常運行帶來了不便和隱患（因電站設計圖紙未設計調速器系統與潤滑冷卻油系統之間的聯絡管）。
3.2 設計缺陷
3.2.1 管路布置上的缺陷。重力油箱向機組軸承供油采用單管獨立供油方式，水導軸承供油管徑為GN25 mm鍍鋅管，發導與推力軸承供油管徑為GN32 mm鍍鋅管（在軸承附近變徑為GN25 mm）。重力油箱安裝高程為1782.50 m，機組安裝高程為1765.50m，其落差造成的油壓為0.17Mpa（設計要求油壓為0.18Mpa）。上游流道底板高程為1 763.32m。發導、水導供油管布置于管道電纜層上游側墻內，發導與推力軸承供油管經上游流道底板由燈泡頭下引入機組，管路為倒虹吸布置；水導軸承供油管沿管道電纜層底板由水輪機進人孔引入。由于管路長、管徑小、彎頭多，管路沿程和局部損失造成軸承進油口處實際油壓不足0.10Mpa。
3.2.2 油系統管網中的缺陷
①油庫與低位油箱、調速器壓力油槽之間僅設計了凈油供油管路，而未設計低位油箱、高位油箱、壓力油槽向油庫回收污油管路及相應的輔助設備。當機組潤滑冷卻油、調速器油需要進入油庫污油桶凈化時就十分麻煩。低位油箱布置在廊道層回油箱室，安裝高程為1 761.80m，而油庫地坪高程為1 769m，二者相差7.20m。當運行油需凈化時要臨時架設油泵及相應管路等輔助設施，無形中增加了檢修不必要的工作量。②針對槳葉操作壓力油泄漏問題，設計上沒有給予足夠的重視和采取相應的措施，以彌補設備制造上的不足。
3.3 安裝中存在的問題 高位油箱安裝在主廠房頂部，各供油管從油箱底部引出，經一懸空水平明管段后連接到管道電纜層上游側墻內予埋管口，懸空高度為10.50m，安裝較為困難，結果安裝時將該段管路敷設成了逆坡降；另外，管路上設計選用的自動化元件有嚴重質量問題，在2號機組試運行時，由于油管內混入了空氣使供油中斷，造成了水導瓦嚴重燒傷而被迫停機事件（自動化元件如電磁閥、流量信號器均未動作和發出信號）。
4 技術改造
4.1 針對推力徑向組合軸承進油管口錯位問題，在充分領會設計原理和意圖的基礎上，將機架內原管路取消（即封堵）。并設想在原管口向下游平移200mm的位置上重新開孔布設管路，經查閱圖紙對照實物，分析認為此方案行不通。原因是：機架是發電機的承重部件（機組為兩支點），同時還承擔著調節整臺機組的水平度和發電機定轉子空氣間隙的任務，所以機架在結構上對強度和剛度要求很高，采用箱式結構雙層鋼板焊接而成，鋼板厚度40mm。若在其上開孔（孔徑Z小在30mm以上）只有兩個途徑：一是鉆孔，二是氧氣割圓。現場鉆孔不具備條件，返廠時間不允許；而現場割圓雖能完成，但無法保證機架局部受熱變形問題。
在對照實物時，發現徑向軸承座頂部（＋Y方向）有一加工通孔，孔徑為20mm，可否利用此孔作為潤滑冷卻油進口？經分析論證：機架上部布置有風道（為不受力結構），如果將管路由風道進入（筋板厚度20mm）連接到軸承頂部的加工通孔上，由于供油路徑的改變，潤滑冷卻油先進入徑向軸承，然后流回推力油盆，這就充分保證了徑向軸承的潤滑冷卻油量，比原設計更為合理。認為此方案可行，經試驗改造后的軸承管路，供油效果良好。
4.2 針對槳葉操作壓力油泄漏問題，考慮到低位油箱內的多余油量應及時排出，同時應將此部分“多余”油量及時補充到壓力油槽。改造時利用低位油箱的排油孔（制造時予留兩個排油孔），將兩臺油箱聯接后利用管路與漏油箱連接（低位油箱與漏油箱同高程）。由漏油箱上的油泵將“多余”油量直接送回壓力油槽。
另外將兩臺高位油箱也串聯起來，因為，兩臺機組在運行時，高、低位油箱的油位不可能在同一時間內在同一刻度上，必定有差距，這樣兩臺機組可以互補盈虧，提高機組運行的可靠程度（在試運行期間，高、低位油箱內的液位信號器因質量問題，曾造成高位油箱內的油量放空而未動作發信號，低位油箱內的油量外溢而油泵未啟動而造成被迫停機事件）。經改造后的廠內油務系統聯成了一個整體循環管網，滿足了機組正常運行的需要。
5 幾點設想
①在高位油箱與油庫之間增設一條聯絡管路；②在高位油箱與壓力油槽之間增設一條聯絡管路；③在低位油箱與壓力油槽之間增設一條聯絡管路；④在低位油箱與漏油箱之間增設一條聯絡管路；⑤在低位油箱與油庫之間增設一條聯絡管路；⑥建議在今后機組軸承潤滑供油管路設計時，從高位油箱到每臺機組應盡可能采用獨立大口徑管道供油，到機組附近再分支管到軸承，這樣，一是減小管路的沿程和局部損失，保證供油壓力和油量；二是節省材料和減少安裝工作量；⑦建議制造廠在今后生產同型號機組時，把槳葉操作壓力油泄漏問題作為研究課題徹底解決。
增設以上管路及相應附屬設備，即可將電站各自獨立的潤滑油系統和調速油系統改造成一個有機的整體的電站油務系統，將極大地提高電站運行的可靠程度，同時改善和減少了運行隱患及運行工作量。
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