某电站机组水导油位波动过大分析处理

1 概述

某电站机组为轴流转桨式水轮机组，经过改造后，目前某电站机组装机容量均为150 MW。该机组改造后的水导瓦结构为斜楔支撑结构形式。水导轴承结构主要由轴领、轴承体、水导瓦、内挡油筒、外油箱、水导瓦间隙调节装置、轴承盖等组成。水导轴承的设计冷却方式为自循环水冷，在支持盖圆周方向设置4个外油箱，通过与江水的接触来冷却在水导内、外油箱循环流动的透平油（图1）。

图1 水导轴承透平油流向图

水轮发电机组的热量一般都是由于机组转动部件与固定部件之间发生接触摩擦产生的，这些热量将会提高相关设备的温度。而温度过高，将会直接影响机组正常运行，弱化部件功能，甚至会缩短机组相关设备的正常使用年限。为了使机组设备更好的运转，在机组设计过程中就会通过合理有效的方法将因机组部件接触摩擦升高的温度降低，控制在可允许的条件内。某电站机组的水导油槽设计成内油槽与外油箱，水导轴承等部件浸泡在内油槽，而外油箱安装在 支持盖上，紧挨着江水。因此，水导轴承因摩擦产生的热量通过内油槽透平油与外油箱的循环流动传送至外油箱，而支持盖外部的江水通过与外油箱的接触最终将水导油槽的热量吸收，进而实现水导油槽的自循环水冷，保障水导油槽各工件在合适的工作温度下运行。

2 油位波动异常现象

某电站机组经改造后水导轴承存在甩油过高的情况，部分机组在运行时其油位较停机时的油位高出128 mm，导致水导轴承运行时油位易超高限。对水导油位波动情况较严重的机组进行统计，如表1所示。

表1 水导油位波动情况表

水导轴承油位出现异常时，在现场进行检查，发现水导油槽内油液流态紊乱，油液中掺杂有大量气体，表层油液呈泡沫状，在油槽上形成悬浮状随大轴旋转方向环流。拆卸油位计进行检查，油位计浮筒能正常动作，油位计显示装置未发现异常。

3 原因分析

为了更好的促进润滑油在油槽里循环流动，一般在水导轴承的结构中，水导主轴轴领都会设计成轴领下部开油孔，油孔形式有2种，一种油孔是径向，另一种油孔是与径向成一定角度的进油孔。轴领下部油孔随着主轴转动充当着油泵的角色，将润滑油在轴瓦与轴领间的空隙内流动，并充满水导油槽内的轴瓦。在主轴带动下，油孔里的油呈高速状态射向水导油槽内部工件上，由于润滑油有黏性，这将导致射出的部分润滑油附着在工件上面。而另一部分润滑油，则会被反弹至油槽内部空间，在高速射油状态下分散成颗粒状油珠。此时，再加上高速运转的水导主轴，将引起水导内部油槽液面波动迹象变大，因此加剧了水导油槽液面油泡的生成。油泡随着液面转动，将会破裂成更细微的油雾状态。

同时，由于水导轴承跟随着大轴在转动，水导轴承温度因旋转摩擦升温，这将引起水导油槽内部的透平油及空气因温度升高而发生膨胀，根据热力学原理，水导油槽内部将形成一股内压。当机组运行时，水导油槽内部的透平油将呈现紊态，在主轴旋转带动下温度升高，使内部存留的空气发生膨胀，混入水导内油箱使透平油夹带气体呈泡沫状，因此内油槽油比重减轻。这些透平油跟着主轴一起转动，绕着水导轴承流动，导致部分透平油没有参与到内油箱与外油箱油液流动循环中，以致外油箱的透平油油量减小，而内油箱的透平油量增多。所以，机组在运行时水导油槽的油位较停机时高。

另外，机组在运行时，主轴在高速转动，带动水导油面圆周转动。由于楔子板抗压块结构较原抗重螺栓结构，对透平油在圆周方向流动的阻碍大，导致产生较大的涌浪，因此机组运行时油槽中油位有较大上升。

4 处理措施

通过对水导油槽油位异常原因分析，明确了水导油位波动大主要是由油槽内油液流态导致的，因此某电站对水导油位波动较大的机组水导轴承加装限流装置。机组运行时从大轴与瓦座间隙处甩出的油流受到限流装置的阻挡，迫使油流改变流动方向，由向上变为向两边流动，从而降低甩油高度，改善水导运行时甩油过高的情况。

水导限流装置由以下部件构成：限流板（不锈钢穿孔板），用于第一级限流；限流网（金属编织网，120目），用于第二级限流，同时过滤油中的絮状及丝状物；Z型支架，用于将限流装置固定在瓦座上，限流板和限流网安装在支架上；压框2个，将限流板和限流网固定在Z型支架上（图2～5）。

图2 限流装置正视图

图3 限流装置俯视图

图4 限流装置侧视图

图5 限流装置仰视图

水导限流装置工作原理：将限流装置安装在两块水导瓦之间的瓦座上、靠近水轮机大轴处（最近点距离2～2.5 mm），机组运行时从水轮机大轴与瓦座间隙处甩出的油流将受到限流装置的阻挡（图6）。从水轮机大轴与瓦座间隙甩出的油流经过限流板的小孔时形成多股流束，流束穿过小孔进入开阔空间后相互掺杂，能量损耗，油流能量、流量被第一次削减；被减速的油流经过限流网时，因限流网孔隙率<0.55，限流网网丝间会形成高密度油膜，产生很大的流阻，油流能量、流量被第二次削减。同时由于限流网的网状结构有过滤作用，120目过滤精度122 μm规格滤网，可对水导轴承加排油及其他需打开油槽盖的作业过程中进入的絮状物、丝状物等可能对水导轴承运行产生影响的杂质进行过滤。

图6 中间圆柱体为水轮机大轴，限流装置两边为水导瓦

5 效果分析

2015～2016 年期间，某电站陆续对 3 F、5 F、6 F、16 F机组的水导轴承加装限流装置。目前已运行了一段时间，具体情况如下所示。

从表2、图7可以很明显地看出，某电站机组水导轴承加装限流装置后，有效地限制了水导轴承运行时甩油高度，减缓了机组水导油位异常波动的现象，提供机组水导油槽内各部件良好的运行环境。

表2 加装限流装置前后水导油位波动情况对比

图7 水导轴承加装限流装置前后油位波动情况对比图

虽然水导轴承加装限流装置后，水导油位波动情况得到明显的改善，但是，水导轴承安装限流装置后，在一定程度上减缓了水导油槽内部热油冷油循环流动的流速，因此降低了热油与冷油之间的热交换能力，在一定程度上使水导轴承内油对水导瓦的冷却效果变差。从表3、图8可以看出，该电站3 F、5 F、6 F、16 F机组水导轴承加装限流装置后，水导瓦温升高了0.1～1.0℃。

表3 加装限流装置前后水导瓦温变化情况对比

图8 水导轴承加装限流装置前后水导瓦温变化情况对比图

此外，目前使用的水导限流装置增加了具有网状结构的限流网，在对水导油槽限流的同时增加了一项过滤功能，可以将由于加油或其他作业过程中掉入水导油槽的絮状物进行简单的过滤。

6 结语

本文主要针对某电站3 F、5 F、6 F、16 F机组水导轴承油位波动过大的问题进行原因分析，探讨机组加装限流装置后水导轴承运行的效果，为后期机组水导轴承加装限流装置提供一定的依据。