小型水电站机组轴承油雾问题研究与治理

黄德建

(四川水利职业技术学院，四川 都江堰，611830)

1 引言

水轮发电机组轴承油雾外溢是机组运行过程中出现的一种较为普遍现象，从早期的三门峡水电站，容量大一点的葛洲坝水电站、二滩水电站、瀑布沟水电站、溪洛渡水电站等，容量小一点的福建华安水电站，江西罗湾水电站等都出现了不同程度的油雾问题。发电机组油雾问题给机组安全稳定运行带来巨大的隐患和危害。由于各个水电厂布置和结构形式不一样，轴承油雾产生的位置和严重程度也不一样，因而，各个水电厂解决机组轴承油雾外溢的方法也各有不同。本文主要介绍四川阿坝州LT水电站机组轴承油雾问题及处理措施。

2 水电站情况介绍

四川阿坝州LT水电站装有3台立式混流式水轮发电机组，总装机容量3×8MW。水轮机型号：HLA 296-LJ-160，发电机型号：SF8000-16/3250，额定转速：375r/min，发电机为悬式结构，推力轴承为内循环冷却结构。自投运以来，3台机组轴承油槽均出现了不同程度油雾外溢现象，其中以3号机组最为突出。该电站的油雾是上导推力组合轴承油槽产生的，油雾主要是通过密封盖上的通气罩外溢。外溢的大量油雾充斥在滑环罩中，冷凝后与碳粉一同附着在集电环摩擦面上，产生油性碳粉污垢。一方面影响碳刷散热，另一方面过多的积炭造成电刷与集电环接触不良，接触电阻增大，以至于碳刷与集电环接触面产生火花。火花产生后，又使碳刷工作环境更加恶劣，从而恶性循环，使碳刷冒火更严重，更加剧碳刷磨损。只要3号机组运行，随时都看得到碳刷与集电环接触面产生火花的情况，严重时3号机组每天都得更换新碳刷，即使更换各种牌子的碳刷也无济于事。油雾问题已严重地影响到电站安全运行和经济效益，对此，必须对轴承油雾问题进行分析，提出具体的防治对策。

3 发电机推力轴承及导轴承油槽油雾产生的机理及影响因素

3.1 发电机推力轴承及导轴承油槽油雾产生的机理

机组在运行时，大轴带动轴承上的镜板、推力头等其他旋转部件在油槽里运动，这些旋转部件随之带动静止油运动，油槽内的油在离心力作用下向油槽外壁等固定部件飞溅，同时，轴承动、静部件在工作中摩擦生热，从而导致油温升高，在周期性循环作用下，推力轴承等部件不断搅动透平油，油槽内的油持续飞溅，从而产生大量油雾。

3.2 机组轴承油雾的影响因素

3.2.1 与机组的结构形式和转速有关

轴承动、静部件尺寸越大，转速越高、搅动速度就越快，产生的温度就越高，因此产生油雾就越严重。可见，轴承油雾与机组的结构形式和转速有关。

3.2.2 与轴承油槽容积有关

机组运行时大轴带动轴承的镜板、推力头、轴领等部分不断转动，机组动、静部件在工作中相互摩擦生热，导致油槽内油温升高，使润滑油受热膨胀；加之油槽内的剧烈扰动使油面上的空气混入油中，油内大量充气，不仅使油的体积增加，更主要的是在油内形成大量气泡，造成了油槽内油面升高，使得油槽内部油雾混合空气压力高于油槽外部气压，高压力油雾会从油槽各缝隙处溢出。油槽容积越小，内部压力就越大，油雾外溢就越严重。

另一方面，油雾的凝结需要一定空间，过多的油雾如果在狭小油槽内没有及时凝聚成油滴，一旦产生油雾饱和，造成油雾从油槽各缝隙处逸出。油槽容积越小，凝结时间就越短，油雾外溢就越严重。因此，轴承油雾与轴承油槽容积有关。

3.2.3 与发电机轴承油槽密封有关

发电机轴承油槽密封不好，容易形成油雾的主泄漏通道

3.2.4 与发电机轴承油槽油雾防止装置有关

发电机轴承油槽油雾防止装置不理想，防油雾效果不佳，油雾溢出也会很严重。

4 油雾溢出的危害

(1)大量油雾外溢，严重地影响了碳刷与集电环的接触性能，加剧了碳刷磨损，频繁地更换新碳刷，增加了消耗，增加了现场人员日常维护工作量，增加了机组运行成本。

(2)大量油雾外溢还会导致滑环罩周围形成油污，影响散热和导体的绝缘。另外，外溢的油雾还会在发电机附近地面形成一定积油面，极易使人滑倒。特别是对电站运行人员和检修人员来说，如果在日常工作中没有注意到地面的情况，则极易滑倒，给工作人员带来伤害的风险。同时还影响美观，给电站运行环境带来一些影响。也增加了维护人员对环境和设备卫生打扫的工作量。

(3)运行人员还必须关注油槽的油位变化，油位下降至最低油位时应及时向油槽内加油，增加了透平油的浪费。

5 目前常用油雾治理措施

油雾治理措施通常有下面三大类。

5.1 第一大类为“围堵”油雾

目前国内外绝大多发电机轴承油槽油雾的防治措施是“围堵”油雾于轴承油槽内。其方法主要采用以下几种密封方式进行“围堵”。

5.1.1 接触式密封

接触式密封在运行时与大轴基本无间隙。密封环的作用类似于汽车上的雨刷，经过两道密封后，油基本上不会从此甩出。由于耐磨密封环为随动结构，它与支撑装置之间无法做到完全无间隙，因此在油雾内外压差过大的情况下，仍会有一定的油雾泄漏。接触齿材料为碳晶材质，易磨损，磨损后产生的黑色粉尘一部分散落在机组油槽里，对油槽里的油造成污染。同时该粉尘也会滞留在接触齿与转轴的接触处，导致接触齿存在卡、涩情况，影响密封效果。

5.1.2 梳齿式密封

密封截面是梳齿形，一方面起迷宫作用，增加阻力减少泄漏，另一方面是利用梳齿旋转部分带动空气产生的压力，有利于封住油槽内的油雾，即使油溅到梳齿上，也能甩回槽内。梳齿密封还常与压力空气密封结合使用，有利于油雾的防治。但当梳齿与转轴之间间隙过小时，容易与转轴碰撞，使转轴产生振动；间隙过大时，则很难达到密封作用。梳齿密封常用于德国及日本的水轮发电机产品中。

5.1.3 其他方式密封

另外的密封方式还有：毛毡密封、毛刷密封、螺纹密封、蜂窝密封和空气密封等。

5.2 第二大类为“疏导”油雾

将发电机轴承油槽油雾通过吸收装置疏导到油槽外面来，将油雾凝结成油，再流回到油槽内或者另外加以收集，这样降低发电机轴承油槽油雾浓度，减轻了发电机轴承油槽油雾的外溢。有些水电厂采用了这类不同形式的油雾吸收装置。

5.3 第三大类为“围堵”油雾与“疏导”油雾的结合

既利用各种密封方式“围堵”油雾于油槽内，又将油槽内油雾通过吸收装置疏导到外面来凝结成油，再流回油到槽内。一些大中型水电厂的技术改造采用了这类油雾吸收装置。

6 LT水电站轴承油雾的治理措施

针对以上水电厂采治理油雾的方法，结合LT水电站自身的特点，LT水电站采用了“围堵”油雾与“疏导”油雾相结合的治理措施。

LT水电站机组的密封盖与主轴动静配合部位是采用迷宫密封，迷宫密封虽能增加油雾逸出时的阻碍，但仍有空气间隙，由于油雾分子较小，逸出在所难免。为此，增加使用柔性密封的非金属复合材料，该材料具有良好的自润滑功能、摩擦系数较小，并具有耐油、耐高温、耐腐蚀等特性，有效地“堵住”油雾在该部位的逸出。但是，如何来解决大量油雾通过密封盖上的通气罩外溢问题？最早采用的方法是：溢出的油雾直接用瓶子进行收集，毫无效果。后来考虑用加装呼吸器来平衡油槽内外的压力，但油雾严重，随着运行时间增加，呼吸器滤芯很快饱和，此方法仍然不行。为此笔者设计了一款轴承油槽油雾收集装置(如图1)，采用该油雾收集装置后，完全解决了油雾外溢的问题。该油雾收集装置的结构及功能原理如下：

图1 油雾收集装置

(1)当油雾从水轮发电机轴承油槽盖板上的油雾排出孔进入本装置后，大部分油雾通过管道进入冷却器1凝结成油滴，液体的油滴流到阀门1上面的集油装置里，通过油位观察装置就可以看到流进的油位高低，当油位高时，打开阀门1放到集油瓶里。如果还有少量的油雾没有凝结成油滴，可以继续通过冷却器2凝结成油滴，液体的油滴流到阀门2上面的集油装置里，最后再放到集油瓶里。

(2)弹簧安全阀的作用是当管路发生堵塞时(这种可能性很小)，以保证内部气压过高或者过低时，可以通过弹簧安全阀与大气相通。弹簧安全阀一个是过气压释放，一个是欠压释放。

(3)根据物理原理，热气始终是往上升，这就是为什么设计装置油雾从上往下进入冷却器的原因。如果热的油雾从下往上进入冷却器，油雾会跑得快些，不便于冷却，油雾容易和气体逸出；反之，如果热的油雾从上往下进入冷却器，油雾相对会跑得慢些，便于冷却凝结成油滴。通过两个冷却器冷却后，油雾绝大部分凝结成油滴，只有极少数油雾逸出。

通过采用该油雾吸收装置技术改造后，LT水电站油雾外溢问题得到了彻底解决。电刷与集电环的污染问题、电刷与集电环打火问题以及频繁更换电刷问题随之而解，这样，降低了运行、维护人员的工作量，改善了机组周围的污染环境，取得了较好的经济效益。

7 结语

水轮发电机组轴承油雾外溢是困扰水电站的常见问题，许多水电站都普遍存在，只是污染程度不同而已。对此，各水电厂、制造单位和科研单位都进行了积极的探索与研究。由于各水电厂结构型式、轴承布置情况和冷却方式等各种因素均有所不同，故治理的方法也是多种多样。只有对油雾问题进行认真的研究，结合本电站的具体情况，就能够寻找到一种有效治理本电站轴承油雾外溢的方法，油雾问题是可以解决的。在油雾的治理中，必须充分了解轴承油槽的特性，了解油雾外溢的特点，系统地考虑问题，进行针对性的技术改造，水轮发电机组轴承油雾问题是能够得到有效解决的。