熊德朝，楊榮國(guó)，鄒登海，謝國(guó)華，楊會(huì)龍

（1.國(guó)能長(zhǎng)源恩施水電開(kāi)發(fā)有限公司，湖北恩施 445000；2.武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430000）

0 引言

軸承是動(dòng)力設(shè)備的重要組成部分，其漏油問(wèn)題一直備受關(guān)注［1-4］。尤其是水電領(lǐng)域，軸承座作為水輪發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，其漏油情況向來(lái)是機(jī)組運(yùn)維檢修的重點(diǎn)之一［5，6］。湖北某水電站裝設(shè)有2 臺(tái)3.2 MW 臥式三支點(diǎn)水輪發(fā)電機(jī)組，軸承采用水冷油盆式潤(rùn)滑，軸承端蓋與主軸密封主要采用傳統(tǒng)的羊毛氈條進(jìn)行密封。自投運(yùn)以來(lái)，機(jī)組軸承端蓋與主軸之間漏油情況越來(lái)越嚴(yán)重，一定數(shù)量的油霧、油滴飛濺到設(shè)備周?chē)言诘孛嫘纬奢^大積污，為設(shè)備運(yùn)行和人員巡視操作帶來(lái)安全隱患。

長(zhǎng)此以往將存在以下弊端［7，8］：一是潤(rùn)滑油可能被吸入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，污染線圈、破壞絕緣從而降低設(shè)備壽命，增大設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)；二是油污容易腐蝕設(shè)備表面，使得油漆變色老化，且所形成的地面積污將增大運(yùn)維檢修工作量與巡視人員滑倒概率，后者易引起次生安全事故；三是將污染環(huán)境，不利于企業(yè)環(huán)?？己?；四是油耗將明顯增多，為企業(yè)帶來(lái)一定經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

作為應(yīng)對(duì)措施，現(xiàn)場(chǎng)曾采用“傳統(tǒng)密封+人工清潔”方式處理漏油問(wèn)題［9］。然而其具有密封材料購(gòu)置與維護(hù)成本較高、清潔人員存在一定人身安全隱患等不足，使得漏油問(wèn)題陷入“治標(biāo)不治本”的困境。

因此，針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)水電機(jī)組軸承座漏油成因以及傳統(tǒng)方法弊端展開(kāi)進(jìn)一步分析，提出了一種基于負(fù)壓方式的軸承座防漏油改造方法，通過(guò)設(shè)計(jì)研發(fā)負(fù)壓抽真空智能調(diào)控裝置并在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用，為后續(xù)同類(lèi)水輪發(fā)電機(jī)組軸承座防漏油改造提供工程參考。

1 軸承座漏油情況分析

臥式水輪發(fā)電機(jī)組中潤(rùn)滑油具有潤(rùn)滑和降溫兩大作用。隨著主軸及甩油環(huán)運(yùn)動(dòng)，其在軸承座內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量高溫氣泡和油霧并飛濺［10］。前者增加了油位高度，同時(shí)由于內(nèi)外溫差，軸承座內(nèi)部壓力高于外部，導(dǎo)致潤(rùn)滑油自軸承上部對(duì)軸承進(jìn)行冷卻時(shí)，部分油液將漏流至主軸。進(jìn)一步考慮到端蓋密封材料與主軸之間的摩擦使得密封間隙增大，油質(zhì)流動(dòng)特性和主軸旋轉(zhuǎn)慣性將致使?jié)櫥蛷目p隙處被甩出。按照漏油情況輕重，以油霧擴(kuò)散或者油珠滴落形式呈現(xiàn)。

針對(duì)上述軸承端蓋與主軸漏油問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)初期通過(guò)安裝羊毛氈密封及人工清潔的方式處理。然而密封材料半年左右即需更換，一方面費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)羊毛氈安裝要求較高，清潔維護(hù)耗時(shí)數(shù)小時(shí)，成本較大，且在轉(zhuǎn)動(dòng)部位附近工作使得人員安全也存在一定隱患；另一方面在水情較好的情況下，水電站不可能隨時(shí)停機(jī)處理，存在漏油應(yīng)對(duì)“真空期”。

為應(yīng)對(duì)上述不足，水電站曾采用加大回油槽泄油孔、增加羊毛氈密封槽數(shù)量、使用開(kāi)口氟膠骨架密封圈等新材料新工藝進(jìn)行處理，但均無(wú)法徹底解決機(jī)組漏油問(wèn)題。究其原因，在于上述方法無(wú)法避免主軸與密封材料的摩擦，高速旋轉(zhuǎn)的主軸使得后者易磨損，漏油情況不可避免。一方面，密封材料壓得太緊將導(dǎo)致摩擦溫度升高，加快材料老化，縮短運(yùn)行時(shí)間與檢修周期；另一方面，密封材料壓得太輕則將導(dǎo)致漏油量增多，或者直接失去密封效果。

若不考慮改進(jìn)密封材料、工藝，而是改造主軸結(jié)構(gòu)和軸承座內(nèi)部結(jié)構(gòu)，則面臨機(jī)組大小、主軸直徑、轉(zhuǎn)速、生產(chǎn)廠家不同等各種問(wèn)題，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不充足，改造難以推進(jìn)。

2 基于負(fù)壓方式的軸承座防漏油方法

遵循“堵不如疏”的指導(dǎo)思想，結(jié)合現(xiàn)有密封技術(shù)所面臨困境，提出了一種基于負(fù)壓方式［11，12］的軸承座防漏油方法。首先，采用真空抽氣設(shè)備將軸承座內(nèi)部設(shè)置成負(fù)壓狀態(tài)，以切斷油霧自由無(wú)序流向外部的路徑，破壞漏油的產(chǎn)生條件；其次，構(gòu)造負(fù)壓通道令油霧通過(guò)給定管道有序流動(dòng)；最后，將油霧過(guò)濾分離實(shí)現(xiàn)再利用，從而解決機(jī)組漏油問(wèn)題。

針對(duì)所提方法，設(shè)計(jì)了配套負(fù)壓抽真空智能調(diào)控裝置，其工作流程如圖1所示，步驟如下所述，具體設(shè)計(jì)研發(fā)細(xì)節(jié)及應(yīng)用成效見(jiàn)后闡述：

圖1 基于負(fù)壓方式的軸承座防漏油配套裝置工作流程圖Fig.1 Working flow chart of supporting device for oil leakage prevention of bearing pedestal based on negative pressure mode

（1）在軸承上蓋安裝負(fù)壓抽真空設(shè)備，并加裝前置過(guò)濾裝置，以濾掉大量油滴。

（2）設(shè)計(jì)現(xiàn)地負(fù)壓自動(dòng)控制單元，通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)與流量控制調(diào)節(jié)負(fù)壓大小。負(fù)壓過(guò)大，會(huì)帶走過(guò)量油滴，影響潤(rùn)滑效果；負(fù)壓過(guò)小則無(wú)法有效防止漏油。

（3）將通過(guò)負(fù)壓裝置抽取的油霧送入油氣分離系統(tǒng)，分離后的氣體經(jīng)凈化排入周?chē)h(huán)境中，而油液則回收于下軸承座再利用。

3 負(fù)壓抽真空智能調(diào)控裝置設(shè)計(jì)研發(fā)及應(yīng)用

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 負(fù)壓抽真空設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)用

針對(duì)該水電站機(jī)組實(shí)際情況，一臺(tái)機(jī)組配備一臺(tái)油霧前置過(guò)濾裝置、真空抽氣設(shè)備及若干軸承座油水狀態(tài)測(cè)量元件，并通過(guò)一條不銹鋼主管道和3 條支管將3 個(gè)軸承座大蓋互聯(lián)。具體步驟為：

（1）在每臺(tái)機(jī)組的3個(gè)軸承座大蓋上加工一個(gè)孔徑?25 mm且為水管螺紋的圓孔以用于連接管道。

（2）輸氣管道采用?32 mm 不銹管作為主管，?25 mm 不銹管作為支管連接各軸承座，其中推力軸承上管道需采取絕緣隔離措施。

（3）在位于軸承座管道連接處安裝高精度差壓計(jì)，精確測(cè)量軸承座負(fù)壓值且?guī)M量信號(hào)輸出，為后續(xù)自動(dòng)控制單元測(cè)量、調(diào)節(jié)壓力提供數(shù)據(jù)支持。

（4）在每條支管上配置一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)型不銹鋼球閥以調(diào)整負(fù)壓值，該閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)閉迅速以及便于遠(yuǎn)距離控制的優(yōu)點(diǎn)。球閥型號(hào)根據(jù)漏油量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)給出。

（5）在每條支管上配置一個(gè)壓力傳感器監(jiān)測(cè)負(fù)壓工作情況，精度小于±0.05%，具有報(bào)警輸出功能。

（6）每條管道的分支處使用活動(dòng)連接以便于拆卸檢修。

以水電站中某一臺(tái)機(jī)組為例，對(duì)應(yīng)負(fù)壓抽真空設(shè)備裝設(shè)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 負(fù)壓抽真空設(shè)備實(shí)際裝設(shè)運(yùn)行圖Fig.2 Actual installation and operation diagram of negative pressure vacuum equipment

一臺(tái)機(jī)組配備一臺(tái)機(jī)械式油霧凈化器以過(guò)濾回收真空抽出的空氣油霧。其中，分離后的油液將被收集并自動(dòng)添加至軸承座再利用，而凈化后的氣體則排入大氣。排放滿足國(guó)標(biāo)要求，過(guò)濾效果≥99%，噪音≤55±2 dB，過(guò)濾級(jí)數(shù)5 級(jí)，最大流量600 m3∕h。

3.1.2 現(xiàn)地負(fù)壓自動(dòng)控制單元設(shè)計(jì)應(yīng)用

水電站內(nèi)一臺(tái)機(jī)組配備一套現(xiàn)地負(fù)壓自動(dòng)控制單元，負(fù)責(zé)軸承座及管道壓力、油位、漏油量等信號(hào)的實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)視，并根據(jù)測(cè)量信號(hào)調(diào)整球閥開(kāi)度和集油箱抽油泵電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)整定，負(fù)壓下限控制在-400 Pa，可以滿足機(jī)組運(yùn)行要求，其絕對(duì)值太低容易產(chǎn)生輕微漏油現(xiàn)象，太高則會(huì)帶走過(guò)量的油霧，縮短油量補(bǔ)充周期?；诖耍詣?dòng)控制單元采用采用西門(mén)子新型S7-1200PLC，可實(shí)現(xiàn)1 Pa 步長(zhǎng)下±500 Pa 穩(wěn)定調(diào)節(jié)，且實(shí)際值與設(shè)定值誤差小于0.05%。

自動(dòng)控制單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平面圖如圖3 所示，可通過(guò)液晶顯示面板進(jìn)行交互操作。其具有手動(dòng)、自動(dòng)兩種工作模式：

（1）手動(dòng)工作模式。需將面板上油霧凈化裝置控制把手切換至“手動(dòng)”，機(jī)組轉(zhuǎn)速不為0 時(shí)，待負(fù)壓抽真空設(shè)備啟動(dòng)，3 個(gè)軸承座球閥開(kāi)度將被調(diào)整至手動(dòng)設(shè)定值。

（2）自動(dòng)工作模式。需將面板上油霧凈化裝置控制把手切換至“自動(dòng)”，機(jī)組轉(zhuǎn)速超過(guò)35%時(shí)，待負(fù)壓抽真空設(shè)備啟動(dòng)，3個(gè)軸承座球閥開(kāi)度將按照所設(shè)定“軸承座給定壓力”、“軸承座壓力調(diào)整死區(qū)”、“球閥自動(dòng)開(kāi)度調(diào)整步長(zhǎng)”3個(gè)參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，使機(jī)組的3個(gè)軸承座負(fù)壓值持續(xù)跟蹤給定壓力。

而在兩種工作模式下，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速為0 時(shí)，3 個(gè)軸承座球閥開(kāi)度皆將自動(dòng)關(guān)至0。針對(duì)集油箱抽油泵，其按照集油箱液位啟泵、停泵開(kāi)關(guān)運(yùn)行。自動(dòng)控制單元設(shè)定了運(yùn)行超時(shí)接點(diǎn)，一旦超時(shí)，觸摸屏和水電站上位機(jī)將報(bào)警。

同時(shí)，為保證前述設(shè)備與機(jī)組同步啟停，考慮到手動(dòng)開(kāi)啟水輪機(jī)電氣部分無(wú)法完全確認(rèn)機(jī)組已啟動(dòng)，故基于機(jī)組轉(zhuǎn)速和頻率判斷機(jī)組啟停狀態(tài)。首先通過(guò)頻率模式下的轉(zhuǎn)速信號(hào)裝置采集數(shù)據(jù)；其次將數(shù)據(jù)傳輸至自動(dòng)控制單元以獲取機(jī)組狀態(tài)；最后基于PLC向3.1.1節(jié)所述負(fù)壓抽真空設(shè)備傳輸機(jī)組工作信號(hào)，實(shí)現(xiàn)其與機(jī)組的同步啟停。所設(shè)計(jì)自動(dòng)控制單元具備完善的保護(hù)裝置，能在不影響機(jī)組正常運(yùn)行前提下手動(dòng)緊急停止負(fù)壓去油霧工作。

3.2 軟件研發(fā)

采用面向?qū)ο?、?shù)據(jù)庫(kù)等軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，在該水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控上位機(jī)系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)負(fù)壓抽真空智能統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)地負(fù)壓自動(dòng)控制單元監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，生成報(bào)表和曲線圖，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)推薦最優(yōu)調(diào)節(jié)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整。同時(shí)，工作人員可通過(guò)上位機(jī)監(jiān)視和控制整個(gè)負(fù)壓去油霧流程。

3.3 裝置應(yīng)用成效

整套裝置應(yīng)用于湖北某水電站2 臺(tái)3.2 MW 水電機(jī)組。機(jī)組連續(xù)運(yùn)行時(shí)未發(fā)現(xiàn)軸承座漏油情況，密封效果良好，油溫正常，油氣泡減少，成功解決該水電站機(jī)組漏油問(wèn)題，有效提升其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。且裝置布局合理，所增設(shè)管道、設(shè)備未影響機(jī)組正常發(fā)電功能。

4 結(jié)論

本文針對(duì)湖北某水電站機(jī)組軸承座漏油案例進(jìn)行了研究，剖析了其漏油原因，并基于負(fù)壓方式提出了一種防漏油方法。進(jìn)而設(shè)計(jì)研發(fā)了相應(yīng)的智能調(diào)控裝置，包括負(fù)壓抽真空設(shè)備、現(xiàn)地負(fù)壓自動(dòng)控制單元等硬件裝置以及智能統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)。應(yīng)用實(shí)踐表明，疏導(dǎo)油霧并凈化的處理方式雖然增加了工序，但也有效突破了傳統(tǒng)密封方法所難以解決的密封材料磨損難題。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，機(jī)組漏油現(xiàn)象得到遏止，為國(guó)內(nèi)小型水電站應(yīng)對(duì)類(lèi)似問(wèn)題提供了工程經(jīng)驗(yàn)。