论大河家水电站灯泡贯流式机组轴承冷却润滑油系统的技术改造
2010-03-09袁 锋
（甘肃汇能新能源技术发展责任有限公司）
（甘肃汇能新能源技术发展责任有限公司）
摘 要： 灯泡贯流式机组的轴承润滑油系统一般采用外循环冷却供油方式。就黄河大河家水电站机组轴承油系统在设计、制造和安装中存在的问题如何改进作一介绍，并提出几点建设性设想。
关键词：灯泡贯流式机组；轴承润滑油系统；技术改造；设想
1 概况
黄河大河家水电站位于甘肃积石山县大河家镇、甘青公路黄河大桥上游约100m处黄河右岸边。该电站总装机容量6 Mw(2×3Mw)，设计水头7m，Z大水头7.95 m，设计引用流量100.50m3/s。水轮机型号GZSIIIB-WP-275，发电机型号SFWG3000-40/2860。主机设备由重庆水轮发电机厂制造，设计单位甘肃省水电勘测设计研究院，安装单位由甘肃省水电工程局承担。在机组安装过程中，发现了设计和制造上的诸多不合理之处，因各种原因对其部分零部件进行了技术改造。
2 润滑油系统供油方式
本电站采用外循环冷却间接供油方式，即油泵→高位油箱→主供油电磁阀→轴承→低位油箱。电站油务系统包括润滑油系统和调速器油系统，统一采用L-TSA46汽轮机油。
3 油系统中存在的问题
3.1 设备制造错误
3.1.1 发电机推力轴承和径向轴承为组合轴承，布置在转子上游侧，设计采用单根油管（GN25 mm）供油进行润滑冷却。分析设计原理：进油管自机架＋X方向进入（机架内油管路制造厂已配置），部分油量流入径向轴瓦间隙（筒式瓦）润滑冷却后流回推力油盆；部分油量直接流入推力轴承油盆。推力油盆－Y方向两侧45°方向上各开设一溢油孔，其高度在油盆正常油位线上，通过轴承后的热油经溢油孔流进推力轴承下方的回油槽。由回油槽流入低位油箱（即回油箱），低位油箱内设双层过滤器和双冷却器。
径向轴承座设计为水平套装在机架内，按设计原理：机架内供油管出口与轴承座进油孔（孔径φ20mm）应在同一方向、同一位置，润滑冷却油方能顺利进入径向轴瓦间隙；同时主轴旋转方向为顺时针，润滑冷却油随主轴旋转沿径向轴瓦进油边进入主轴下半部，形成油膜而起到润滑冷却作用。
但是，在对径向轴承座进行解体、轴瓦刮研、组装时发现，轴承座进油孔虽然也开在＋X方向上，但与机架进油管口水平错位（偏向下游）达200mm，且机架与轴承座之间组装配合间隙仅1mm。同时，在轴承座外圆上进油孔与机架出油管口之间还设置了一道橡胶密封圈，要使润滑油顺利流进径向轴瓦内，根本没有可能，经查制造厂设计图与实物对照两者完全一致，说明是制造厂设计错误。
3.1.2 转轮桨叶操作压力油泄漏问题。该电站水轮机转轮为转桨式，转轮腔内十字滑块及桨叶枢轴润滑油由高位油箱（即重力油箱）设置独立管路供给（设计油压0.18Mpa），而桨叶操作压力油由调速器供给（设计油压2.50Mpa）。因制造原因操作压力油有泄漏现象，其泄漏量约为15L/h（数据由制造厂运行时提供）。由于润滑油油压低于操作油油压，因而桨叶操作压力油由高压腔向低压腔泄漏，压力油经泄漏进入十字滑道内经润滑油管路反窜到高位油箱。机组在运行时，调速器油压装置油槽内的油量将逐渐减少，必须定时补充油量；而低位油箱内（或回油箱）的油量则逐渐增加，必须定时排放，这将严重危害机组的正常运转。
经试验，每班次需向压力油槽内补充约150～200公升汽轮机油，而低位油箱则需排放相应的油量，给正常运行带来了不便和隐患（因电站设计图纸未设计调速器系统与润滑冷却油系统之间的联络管）。
3.2 设计缺陷
3.2.1 管路布置上的缺陷。重力油箱向机组轴承供油采用单管独立供油方式，水导轴承供油管径为GN25 mm镀锌管，发导与推力轴承供油管径为GN32 mm镀锌管（在轴承附近变径为GN25 mm）。重力油箱安装高程为1782.50 m，机组安装高程为1765.50m，其落差造成的油压为0.17Mpa（设计要求油压为0.18Mpa）。上游流道底板高程为1 763.32m。发导、水导供油管布置于管道电缆层上游侧墙内，发导与推力轴承供油管经上游流道底板由灯泡头下引入机组，管路为倒虹吸布置；水导轴承供油管沿管道电缆层底板由水轮机进人孔引入。由于管路长、管径小、弯头多，管路沿程和局部损失造成轴承进油口处实际油压不足0.10Mpa。
3.2.2 油系统管网中的缺陷
①油库与低位油箱、调速器压力油槽之间仅设计了净油供油管路，而未设计低位油箱、高位油箱、压力油槽向油库回收污油管路及相应的辅助设备。当机组润滑冷却油、调速器油需要进入油库污油桶净化时就十分麻烦。低位油箱布置在廊道层回油箱室，安装高程为1 761.80m，而油库地坪高程为1 769m，二者相差7.20m。当运行油需净化时要临时架设油泵及相应管路等辅助设施，无形中增加了检修不必要的工作量。②针对桨叶操作压力油泄漏问题，设计上没有给予足够的重视和采取相应的措施，以弥补设备制造上的不足。
3.3 安装中存在的问题 高位油箱安装在主厂房顶部，各供油管从油箱底部引出，经一悬空水平明管段后连接到管道电缆层上游侧墙内予埋管口，悬空高度为10.50m，安装较为困难，结果安装时将该段管路敷设成了逆坡降；另外，管路上设计选用的自动化元件有严重质量问题，在2号机组试运行时，由于油管内混入了空气使供油中断，造成了水导瓦严重烧伤而被迫停机事件（自动化元件如电磁阀、流量信号器均未动作和发出信号）。
4 技术改造
4.1 针对推力径向组合轴承进油管口错位问题，在充分领会设计原理和意图的基础上，将机架内原管路取消（即封堵）。并设想在原管口向下游平移200mm的位置上重新开孔布设管路，经查阅图纸对照实物，分析认为此方案行不通。原因是：机架是发电机的承重部件（机组为两支点），同时还承担着调节整台机组的水平度和发电机定转子空气间隙的任务，所以机架在结构上对强度和刚度要求很高，采用箱式结构双层钢板焊接而成，钢板厚度40mm。若在其上开孔（孔径Z小在30mm以上）只有两个途径：一是钻孔，二是氧气割圆。现场钻孔不具备条件，返厂时间不允许；而现场割圆虽能完成，但无法保证机架局部受热变形问题。
在对照实物时，发现径向轴承座顶部（＋Y方向）有一加工通孔，孔径为20mm，可否利用此孔作为润滑冷却油进口？经分析论证：机架上部布置有风道（为不受力结构），如果将管路由风道进入（筋板厚度20mm）连接到轴承顶部的加工通孔上，由于供油路径的改变，润滑冷却油先进入径向轴承，然后流回推力油盆，这就充分保证了径向轴承的润滑冷却油量，比原设计更为合理。认为此方案可行，经试验改造后的轴承管路，供油效果良好。
4.2 针对桨叶操作压力油泄漏问题，考虑到低位油箱内的多余油量应及时排出，同时应将此部分“多余”油量及时补充到压力油槽。改造时利用低位油箱的排油孔（制造时予留两个排油孔），将两台油箱联接后利用管路与漏油箱连接（低位油箱与漏油箱同高程）。由漏油箱上的油泵将“多余”油量直接送回压力油槽。
另外将两台高位油箱也串联起来，因为，两台机组在运行时，高、低位油箱的油位不可能在同一时间内在同一刻度上，必定有差距，这样两台机组可以互补盈亏，提高机组运行的可靠程度（在试运行期间，高、低位油箱内的液位信号器因质量问题，曾造成高位油箱内的油量放空而未动作发信号，低位油箱内的油量外溢而油泵未启动而造成被迫停机事件）。经改造后的厂内油务系统联成了一个整体循环管网，满足了机组正常运行的需要。
5 几点设想
①在高位油箱与油库之间增设一条联络管路；②在高位油箱与压力油槽之间增设一条联络管路；③在低位油箱与压力油槽之间增设一条联络管路；④在低位油箱与漏油箱之间增设一条联络管路；⑤在低位油箱与油库之间增设一条联络管路；⑥建议在今后机组轴承润滑供油管路设计时，从高位油箱到每台机组应尽可能采用独立大口径管道供油，到机组附近再分支管到轴承，这样，一是减小管路的沿程和局部损失，保证供油压力和油量；二是节省材料和减少安装工作量；⑦建议制造厂在今后生产同型号机组时，把桨叶操作压力油泄漏问题作为研究课题彻底解决。
增设以上管路及相应附属设备，即可将电站各自独立的润滑油系统和调速油系统改造成一个有机的整体的电站油务系统，将极大地提高电站运行的可靠程度，同时改善和减少了运行隐患及运行工作量。
关键词：灯泡贯流式机组；轴承润滑油系统；技术改造；设想
1 概况
黄河大河家水电站位于甘肃积石山县大河家镇、甘青公路黄河大桥上游约100m处黄河右岸边。该电站总装机容量6 Mw(2×3Mw)，设计水头7m，Z大水头7.95 m，设计引用流量100.50m3/s。水轮机型号GZSIIIB-WP-275，发电机型号SFWG3000-40/2860。主机设备由重庆水轮发电机厂制造，设计单位甘肃省水电勘测设计研究院，安装单位由甘肃省水电工程局承担。在机组安装过程中，发现了设计和制造上的诸多不合理之处，因各种原因对其部分零部件进行了技术改造。
2 润滑油系统供油方式
本电站采用外循环冷却间接供油方式，即油泵→高位油箱→主供油电磁阀→轴承→低位油箱。电站油务系统包括润滑油系统和调速器油系统，统一采用L-TSA46汽轮机油。
3 油系统中存在的问题
3.1 设备制造错误
3.1.1 发电机推力轴承和径向轴承为组合轴承，布置在转子上游侧，设计采用单根油管（GN25 mm）供油进行润滑冷却。分析设计原理：进油管自机架＋X方向进入（机架内油管路制造厂已配置），部分油量流入径向轴瓦间隙（筒式瓦）润滑冷却后流回推力油盆；部分油量直接流入推力轴承油盆。推力油盆－Y方向两侧45°方向上各开设一溢油孔，其高度在油盆正常油位线上，通过轴承后的热油经溢油孔流进推力轴承下方的回油槽。由回油槽流入低位油箱（即回油箱），低位油箱内设双层过滤器和双冷却器。
径向轴承座设计为水平套装在机架内，按设计原理：机架内供油管出口与轴承座进油孔（孔径φ20mm）应在同一方向、同一位置，润滑冷却油方能顺利进入径向轴瓦间隙；同时主轴旋转方向为顺时针，润滑冷却油随主轴旋转沿径向轴瓦进油边进入主轴下半部，形成油膜而起到润滑冷却作用。
但是，在对径向轴承座进行解体、轴瓦刮研、组装时发现，轴承座进油孔虽然也开在＋X方向上，但与机架进油管口水平错位（偏向下游）达200mm，且机架与轴承座之间组装配合间隙仅1mm。同时，在轴承座外圆上进油孔与机架出油管口之间还设置了一道橡胶密封圈，要使润滑油顺利流进径向轴瓦内，根本没有可能，经查制造厂设计图与实物对照两者完全一致，说明是制造厂设计错误。
3.1.2 转轮桨叶操作压力油泄漏问题。该电站水轮机转轮为转桨式，转轮腔内十字滑块及桨叶枢轴润滑油由高位油箱（即重力油箱）设置独立管路供给（设计油压0.18Mpa），而桨叶操作压力油由调速器供给（设计油压2.50Mpa）。因制造原因操作压力油有泄漏现象，其泄漏量约为15L/h（数据由制造厂运行时提供）。由于润滑油油压低于操作油油压，因而桨叶操作压力油由高压腔向低压腔泄漏，压力油经泄漏进入十字滑道内经润滑油管路反窜到高位油箱。机组在运行时，调速器油压装置油槽内的油量将逐渐减少，必须定时补充油量；而低位油箱内（或回油箱）的油量则逐渐增加，必须定时排放，这将严重危害机组的正常运转。
经试验，每班次需向压力油槽内补充约150～200公升汽轮机油，而低位油箱则需排放相应的油量，给正常运行带来了不便和隐患（因电站设计图纸未设计调速器系统与润滑冷却油系统之间的联络管）。
3.2 设计缺陷
3.2.1 管路布置上的缺陷。重力油箱向机组轴承供油采用单管独立供油方式，水导轴承供油管径为GN25 mm镀锌管，发导与推力轴承供油管径为GN32 mm镀锌管（在轴承附近变径为GN25 mm）。重力油箱安装高程为1782.50 m，机组安装高程为1765.50m，其落差造成的油压为0.17Mpa（设计要求油压为0.18Mpa）。上游流道底板高程为1 763.32m。发导、水导供油管布置于管道电缆层上游侧墙内，发导与推力轴承供油管经上游流道底板由灯泡头下引入机组，管路为倒虹吸布置；水导轴承供油管沿管道电缆层底板由水轮机进人孔引入。由于管路长、管径小、弯头多，管路沿程和局部损失造成轴承进油口处实际油压不足0.10Mpa。
3.2.2 油系统管网中的缺陷
①油库与低位油箱、调速器压力油槽之间仅设计了净油供油管路，而未设计低位油箱、高位油箱、压力油槽向油库回收污油管路及相应的辅助设备。当机组润滑冷却油、调速器油需要进入油库污油桶净化时就十分麻烦。低位油箱布置在廊道层回油箱室，安装高程为1 761.80m，而油库地坪高程为1 769m，二者相差7.20m。当运行油需净化时要临时架设油泵及相应管路等辅助设施，无形中增加了检修不必要的工作量。②针对桨叶操作压力油泄漏问题，设计上没有给予足够的重视和采取相应的措施，以弥补设备制造上的不足。
3.3 安装中存在的问题 高位油箱安装在主厂房顶部，各供油管从油箱底部引出，经一悬空水平明管段后连接到管道电缆层上游侧墙内予埋管口，悬空高度为10.50m，安装较为困难，结果安装时将该段管路敷设成了逆坡降；另外，管路上设计选用的自动化元件有严重质量问题，在2号机组试运行时，由于油管内混入了空气使供油中断，造成了水导瓦严重烧伤而被迫停机事件（自动化元件如电磁阀、流量信号器均未动作和发出信号）。
4 技术改造
4.1 针对推力径向组合轴承进油管口错位问题，在充分领会设计原理和意图的基础上，将机架内原管路取消（即封堵）。并设想在原管口向下游平移200mm的位置上重新开孔布设管路，经查阅图纸对照实物，分析认为此方案行不通。原因是：机架是发电机的承重部件（机组为两支点），同时还承担着调节整台机组的水平度和发电机定转子空气间隙的任务，所以机架在结构上对强度和刚度要求很高，采用箱式结构双层钢板焊接而成，钢板厚度40mm。若在其上开孔（孔径Z小在30mm以上）只有两个途径：一是钻孔，二是氧气割圆。现场钻孔不具备条件，返厂时间不允许；而现场割圆虽能完成，但无法保证机架局部受热变形问题。
在对照实物时，发现径向轴承座顶部（＋Y方向）有一加工通孔，孔径为20mm，可否利用此孔作为润滑冷却油进口？经分析论证：机架上部布置有风道（为不受力结构），如果将管路由风道进入（筋板厚度20mm）连接到轴承顶部的加工通孔上，由于供油路径的改变，润滑冷却油先进入径向轴承，然后流回推力油盆，这就充分保证了径向轴承的润滑冷却油量，比原设计更为合理。认为此方案可行，经试验改造后的轴承管路，供油效果良好。
4.2 针对桨叶操作压力油泄漏问题，考虑到低位油箱内的多余油量应及时排出，同时应将此部分“多余”油量及时补充到压力油槽。改造时利用低位油箱的排油孔（制造时予留两个排油孔），将两台油箱联接后利用管路与漏油箱连接（低位油箱与漏油箱同高程）。由漏油箱上的油泵将“多余”油量直接送回压力油槽。
另外将两台高位油箱也串联起来，因为，两台机组在运行时，高、低位油箱的油位不可能在同一时间内在同一刻度上，必定有差距，这样两台机组可以互补盈亏，提高机组运行的可靠程度（在试运行期间，高、低位油箱内的液位信号器因质量问题，曾造成高位油箱内的油量放空而未动作发信号，低位油箱内的油量外溢而油泵未启动而造成被迫停机事件）。经改造后的厂内油务系统联成了一个整体循环管网，满足了机组正常运行的需要。
5 几点设想
①在高位油箱与油库之间增设一条联络管路；②在高位油箱与压力油槽之间增设一条联络管路；③在低位油箱与压力油槽之间增设一条联络管路；④在低位油箱与漏油箱之间增设一条联络管路；⑤在低位油箱与油库之间增设一条联络管路；⑥建议在今后机组轴承润滑供油管路设计时，从高位油箱到每台机组应尽可能采用独立大口径管道供油，到机组附近再分支管到轴承，这样，一是减小管路的沿程和局部损失，保证供油压力和油量；二是节省材料和减少安装工作量；⑦建议制造厂在今后生产同型号机组时，把桨叶操作压力油泄漏问题作为研究课题彻底解决。
增设以上管路及相应附属设备，即可将电站各自独立的润滑油系统和调速油系统改造成一个有机的整体的电站油务系统，将极大地提高电站运行的可靠程度，同时改善和减少了运行隐患及运行工作量。
