王青華，孟繁聰，姜朝暉，楊 斌

（1.華東電力試驗(yàn)研究院有限公司，上海 200437；2.華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇宜興 214200）

0 引言

華東宜興抽水蓄能電站裝有4臺(tái)單機(jī)容量為250MW可逆式水泵水輪機(jī)組，總裝機(jī)容量為1GW，受華東電網(wǎng)和地方省網(wǎng)雙重調(diào)度，擔(dān)任調(diào)峰、填谷、調(diào)相及事故備用任務(wù)。水泵水輪機(jī)為立軸、單級混流式，額定轉(zhuǎn)速為375r／min，水輪機(jī)運(yùn)行最高凈水頭為410.7m，最低凈水頭為344.0m，額定凈水頭為363m。機(jī)組為懸式結(jié)構(gòu)，設(shè)有上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)軸承，推力軸承為預(yù)壓應(yīng)力多彈簧支撐結(jié)構(gòu)。

4臺(tái)機(jī)組在1年內(nèi)先后投產(chǎn)運(yùn)行，3號和1號機(jī)組自首次投產(chǎn)運(yùn)行到第3年的C級檢修，先后出現(xiàn)因軸瓦間隙引起的故障。其中3號機(jī)組故障比較嚴(yán)重，導(dǎo)致上導(dǎo)軸瓦溫度嚴(yán)重超標(biāo)而更換了軸瓦；1號機(jī)組上導(dǎo)軸瓦溫度也發(fā)生異常，嚴(yán)重威脅到機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 3號機(jī)組上導(dǎo)軸瓦溫度異常分析

2011年3月10日至16日，3號機(jī)組進(jìn)行C級檢修，17日22：06在機(jī)組完成發(fā)電工況熱運(yùn)行試驗(yàn)后，機(jī)組負(fù)荷降至19MW時(shí)，發(fā)電機(jī)斷路器（GCB）拉閘解列后轉(zhuǎn)速開始下降，而此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)顯示上導(dǎo)軸瓦溫度突然上升。機(jī)組停穩(wěn)后，吊起風(fēng)罩，打開上導(dǎo)軸承，取出14塊巴氏合金瓦塊進(jìn)行全面檢查。經(jīng)檢查，3號機(jī)組上導(dǎo)軸承的全部軸瓦表面沿機(jī)組發(fā)電工況大軸旋轉(zhuǎn)方向，均出現(xiàn)大小一致的整周被刮擦現(xiàn)象，而且刮擦面發(fā)亮，在軸瓦面旋轉(zhuǎn)終點(diǎn)處發(fā)現(xiàn)有烏金燒結(jié)現(xiàn)象。

檢查大軸與上導(dǎo)軸瓦工作面的接觸情況，大軸軸頸處表面沒有受損現(xiàn)象，但發(fā)現(xiàn)在上導(dǎo)軸瓦的油槽內(nèi)，沿大軸圓周散布著許多金屬碎屑和少量金屬顆粒。分析認(rèn)為，這些碎屑和顆?？赡苁菑氖軗p的上導(dǎo)軸瓦表面脫落而來。

通過查詢設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)（SIS）的歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)機(jī)組在進(jìn)行發(fā)電工況熱運(yùn)行試驗(yàn)一段時(shí)間以后，上導(dǎo)軸瓦溫度開始有上升的趨勢，但變化并不明顯，直到機(jī)組GCB跳閘解列后，上導(dǎo)軸瓦溫度才急劇上升。通過分析現(xiàn)場振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，機(jī)組軸系各處的擺度幅值，在整個(gè)熱運(yùn)行試驗(yàn)中均比較穩(wěn)定。而對上導(dǎo)軸瓦的擺度幅值進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)頻譜中出現(xiàn)多倍頻成分，其中1倍頻成分占多數(shù)，這說明在上導(dǎo)軸瓦附近，已經(jīng)表現(xiàn)出了軸頸與上導(dǎo)軸瓦發(fā)生輕度碰磨的頻譜分布特征。而在機(jī)組解列后，上導(dǎo)軸瓦擺度頻譜中的多倍頻成分立即增加，從而使得上導(dǎo)瓦處大軸擺度通頻幅值陡增，此時(shí)上導(dǎo)軸瓦工作面可能已經(jīng)與軸頸發(fā)生嚴(yán)重的碰磨。

經(jīng)過對現(xiàn)場機(jī)組部件受損情況的分析和已有相關(guān)數(shù)據(jù)的比對，分析認(rèn)為3號機(jī)組上導(dǎo)軸瓦碰磨現(xiàn)象發(fā)生的誘因是在機(jī)組發(fā)電熱運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)束GCB拉閘，上導(dǎo)軸承附近電磁拉力消失的同時(shí)，原來與這部分力相平衡的機(jī)械不平衡力和水推力，對主軸造成了沖擊。在C級檢修期間，機(jī)組正好處以冷態(tài)，下導(dǎo)軸瓦間隙的縮小和機(jī)組軸系狀態(tài)的某些改變則是發(fā)生碰磨的根本原因。為此，拆卸3號機(jī)組的上導(dǎo)和下導(dǎo)軸承，排盡含雜質(zhì)的軸承油、清理金屬碎屑，調(diào)整機(jī)組軸系中心，在確認(rèn)軸線間隙合格后，將GCB拉閘負(fù)荷設(shè)定在10MW以下，于3月24日再次開機(jī)，在先后完成發(fā)電方向空轉(zhuǎn)和抽水調(diào)相（SCP）工況熱運(yùn)行后，于20：15—21：10進(jìn)行了帶負(fù)荷發(fā)電試驗(yàn)，期間，上導(dǎo)軸瓦和下導(dǎo)軸瓦附近各個(gè)測點(diǎn)的擺度典型波形如圖1所示。

由圖1各個(gè)測點(diǎn)的擺度波形可看出，3號機(jī)組在發(fā)電過程中，大軸下導(dǎo)軸承基本以1倍頻振動(dòng)為主，上導(dǎo)仍含有部分倍頻成分，但上下導(dǎo)波形穩(wěn)定、大小均勻。期間，機(jī)架的振動(dòng)和擺度一樣，也很穩(wěn)定，說明該機(jī)組的擺度和振動(dòng)均正常。在隨后的不同試驗(yàn)工況期間，各個(gè)測點(diǎn)的溫度也正常，尤其在帶負(fù)荷發(fā)電停機(jī)GCB拉閘瞬間，未再見上導(dǎo)軸瓦溫度急劇上升現(xiàn)象，機(jī)組正常運(yùn)行后也能順利完成抽水等運(yùn)行工況。

2 1號機(jī)組啟動(dòng)后瓦溫異常分析

2011年4月18日1號機(jī)組C級檢修結(jié)束，翌日進(jìn)行20min的發(fā)電方向空轉(zhuǎn)，測得各點(diǎn)的振動(dòng)值和擺度值大小均合格，并在各個(gè)測點(diǎn)溫度都正常的情況下，進(jìn)行了SCP工況和220MW負(fù)荷發(fā)電工況試驗(yàn)。

圖1 修后3號機(jī)組發(fā)電期間擺度波形圖

4月20日17：17，1號機(jī)組由靜態(tài)變頻勵(lì)磁（SFC）拖動(dòng)，轉(zhuǎn)速逐漸上升，進(jìn)行泵工況和200MW負(fù)荷發(fā)電工況試驗(yàn)，17：22并網(wǎng)進(jìn)入SCP工況，大約運(yùn)行50min后，18：13停機(jī)。期間，各個(gè)測點(diǎn)的擺度值如表1所示，其監(jiān)測點(diǎn)的波形圖如圖2所示；振動(dòng)值如表2所示，其監(jiān)測點(diǎn)波形圖如圖3所示。

表1 抽水調(diào)相工況下各測點(diǎn)擺度值μm

表2 抽水調(diào)相工況下各測點(diǎn)振動(dòng)值1）mm／s

圖2 抽水調(diào)相工況下各測點(diǎn)擺度典型波形圖

圖3 抽水調(diào)相工況下各測點(diǎn)振動(dòng)典型波形圖

圖2 顯示上導(dǎo)和水導(dǎo)擺度波形比較亂，但基本的波形還是能看得出，這主要是因?yàn)樯蠈?dǎo)和水導(dǎo)擺度的1倍頻比較??；下導(dǎo)擺度波形因?yàn)榛疽?倍頻為主，所以波形特征比較明顯。圖3上下機(jī)架波形特征比頂蓋處的振動(dòng)明顯，這是因?yàn)樯舷聶C(jī)架主要以1倍頻為主，而頂蓋振動(dòng)幅值比較小，且頻率成分因?yàn)楦蓴_變復(fù)雜顯得凌亂。

從表1和表2各測點(diǎn)數(shù)據(jù)來看，該工況下機(jī)組振動(dòng)和擺度幅值均非常小，表示1號機(jī)組軸系運(yùn)行非常穩(wěn)定。但是在此次SCP工況期間，上導(dǎo)軸瓦1號瓦塊和11號瓦塊的進(jìn)出口油溫發(fā)現(xiàn)異常，即進(jìn)油側(cè)溫度高于出油側(cè)溫度。由于1號機(jī)組剛進(jìn)行過C級檢修，故懷疑是瓦塊與軸頸磨合不充分所致。又由于異常點(diǎn)的溫度并不太高，所以暫時(shí)不對該異常情況處理，待完成發(fā)電工況試驗(yàn)后再做決定。

18：23 1號機(jī)組發(fā)電方向啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速迅速升至375r／min后并網(wǎng)，18：26負(fù)荷升至220MW，在該負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行約1h，19：38停機(jī)。在220MW負(fù)荷發(fā)電工況期間，各測點(diǎn)的擺度值如表3所示，振動(dòng)值如表4所示，由表3和表4的數(shù)值可以看出，在這期間所測各點(diǎn)的幅值較小，機(jī)組擺度和振動(dòng)良好。

表3 220MW負(fù)荷發(fā)電工況下各測點(diǎn)擺度值μm

表4 220MW負(fù)荷發(fā)電工況下各測點(diǎn)振動(dòng)值 mm／s

1號機(jī)組在此次帶220MW負(fù)荷發(fā)電運(yùn)行期間，發(fā)現(xiàn)該工況初期上導(dǎo)軸瓦的1號瓦塊和11號瓦塊進(jìn)油側(cè)溫度均比出油側(cè)溫度低，但到該工況結(jié)束前，出油側(cè)溫度與進(jìn)油側(cè)溫度又都相差不大，分析表3和表4中的數(shù)據(jù)，認(rèn)為1號和11號瓦塊的溫度異常與機(jī)組擺度及振動(dòng)無直接關(guān)系。

為了檢測SCP工況期間1號瓦塊和11號瓦塊溫度的實(shí)際值，1號機(jī)組于19：46再次由SFC拖動(dòng)，4min后達(dá)到375r／min，并網(wǎng)進(jìn)入SCP工況，20：36機(jī)組解列停機(jī)。此次SCP工況期間，軸系運(yùn)行平穩(wěn)，但上導(dǎo)軸瓦的1號瓦塊和11號瓦塊的進(jìn)油側(cè)溫度仍比出油側(cè)溫度高。分析其原因，可能是測溫探頭熱電阻（RTD）溫度檢測器異常、溫度測點(diǎn)位置安裝不合適或者瓦塊間隙異常等原因造成。

在此次SCP工況結(jié)束后，查詢1號機(jī)組C級檢修前SCP工況下上導(dǎo)軸瓦11號瓦塊溫度歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)進(jìn)油側(cè)溫度均比出油側(cè)溫度高，但在發(fā)電工況下則基本正常。由于此次C級檢修期間已對RTD探頭進(jìn)行過現(xiàn)場校驗(yàn)屬于合格，故在排除RTD探頭裝置異常外，分析認(rèn)為可能是RTD探頭測點(diǎn)的位置安裝不合適，也可能是瓦塊間隙發(fā)生了異常，應(yīng)該作重點(diǎn)檢查。

當(dāng)晚1號機(jī)組停穩(wěn)后打開上導(dǎo)軸瓦蓋板，發(fā)現(xiàn)RTD測點(diǎn)位置安裝正確，故對上導(dǎo)軸瓦的1號瓦和11號瓦的進(jìn)油側(cè)和出油側(cè)進(jìn)行間隙測量，測量結(jié)果為軸瓦間隙偏小，隨即將這兩塊瓦抽出，對其進(jìn)出油側(cè)進(jìn)行研磨，然后回裝。

4月20日1：30左右1號機(jī)組開始泵工況運(yùn)行，至7：00左右停機(jī)。整個(gè)泵工況期間，上導(dǎo)軸瓦1號和11號瓦塊的進(jìn)油側(cè)和出油側(cè)溫度恢復(fù)正?！M(jìn)油側(cè)溫度低于出油側(cè)溫度。為了檢驗(yàn)發(fā)電工況下各個(gè)測點(diǎn)的真實(shí)溫度，1號機(jī)組于9：02啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速迅速升至375r／min，9：03并網(wǎng)發(fā)電，AGC投入，負(fù)荷在170MW左右波動(dòng)，至9：47，推力瓦、上導(dǎo)軸瓦和下導(dǎo)軸瓦的各測點(diǎn)溫度正常（進(jìn)油側(cè)溫度低于出油側(cè)穩(wěn)定），如圖4所示。圖4中，內(nèi)側(cè)數(shù)字為軸瓦號，外側(cè)數(shù)字為測溫點(diǎn)序號，最外側(cè)數(shù)字為各測點(diǎn)溫度值。

圖4 處理后發(fā)電工況穩(wěn)定時(shí)的各瓦溫測點(diǎn)溫度

3 兩起故障的共性分析

3號機(jī)組在C級檢修期間，因上導(dǎo)軸瓦間隙過小，導(dǎo)致C級檢修后的各項(xiàng)試驗(yàn)工況下，上導(dǎo)軸瓦均存在輕微碰摩的頻譜特征，由于碰摩程度不是很嚴(yán)重，因此軸瓦溫度并不是非常高。如果大軸在穩(wěn)定運(yùn)行而不受外界沖擊的情況下，上導(dǎo)軸瓦各個(gè)測點(diǎn)瓦溫將會(huì)穩(wěn)定在某一幅值附近，這也是該機(jī)組C級檢修后并網(wǎng)前其它試驗(yàn)工況能夠順利過關(guān)的原因。但在發(fā)電工況結(jié)束前，由于GCB拉閘動(dòng)作瞬間，機(jī)組受到來自電磁力瞬間消失的沖擊，原本過于狹小的軸瓦與軸頸間隙難以承受大軸的沖擊，使得軸頸擠壓軸瓦表面，最終導(dǎo)致上導(dǎo)軸瓦因溫度過高而無法工作的惡性事故。

1號機(jī)組雖然在C級檢修期間各軸瓦的測量間隙均符合要求，但在測量時(shí)只選擇軸瓦的中間部分（由于設(shè)計(jì)要求，該部位與軸頸的距離最?。┳鳛闇y量點(diǎn)，這樣，如果因軸瓦在制造過程中出現(xiàn)誤差——瓦面兩側(cè)的高度和中間高度相差不大，則導(dǎo)致整個(gè)軸瓦間隙不合格。1號機(jī)組上導(dǎo)軸瓦進(jìn)油側(cè)和出油側(cè)的實(shí)際溫度與理論溫度不符主要緣于此。1號機(jī)組的1號瓦和11號瓦的溫度異常在排除RTD故障嫌疑后，針對這兩塊軸瓦進(jìn)出油側(cè)瓦間隙偏小的缺陷，進(jìn)行研磨處理。處理完畢回裝后，機(jī)組泵工況和發(fā)電工況期間，1號瓦和11號瓦的瓦溫均恢復(fù)正常（出油側(cè)溫度高于進(jìn)油側(cè)溫度）。

4 建議

和其它大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械一樣，大型抽水蓄能機(jī)組均配備滑動(dòng)軸承，為保證這些旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)部件正常工作，滑動(dòng)軸承的軸瓦與軸頸必須建立合適的油膜，此油膜不但可以潤滑軸瓦與軸頸的工作環(huán)境、帶走其間因摩擦產(chǎn)生的熱量，而且可以起到緩沖轉(zhuǎn)子傳遞給軸承的壓力和支撐轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行的作用。但是建立合適的油膜，軸瓦與軸頸之間保持合理的間隙是首要條件。3號機(jī)組和1號機(jī)組在C級檢修后發(fā)生的兩起故障案例，均因軸瓦與軸頸之間的間隙不合理所致。

另外，在1號機(jī)組瓦溫異常的診斷過程中，耗時(shí)過長，其中的一個(gè)主要原因是因?yàn)樯?、下?dǎo)瓦的分塊瓦的進(jìn)出油側(cè)溫度測點(diǎn)并沒有完全監(jiān)測。如果每個(gè)分塊瓦的進(jìn)出油側(cè)均布置了RTD溫度探頭，類似的故障就會(huì)很容易地排除。因此建議：

1）在抽水蓄能機(jī)組導(dǎo)瓦的每個(gè)分塊瓦的進(jìn)出油側(cè)，均設(shè)置RTD測溫探頭，方便運(yùn)行人員對機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，保證機(jī)組的運(yùn)行安全。

2）對導(dǎo)瓦間隙進(jìn)行測量時(shí)，需將每個(gè)分塊瓦的進(jìn)出油側(cè)間隙一并測量。