王貴來，易吉林

(構(gòu)皮灘發(fā)電廠，貴州 余慶 564408)

1 問題的提出

我國水力發(fā)電事業(yè)現(xiàn)已進(jìn)入特大型、巨型水電機(jī)組時(shí)代，推力軸承的可靠性對保證機(jī)組安全運(yùn)行至關(guān)重要。已投運(yùn)和在建大型水電機(jī)組的推力軸承均采用傳統(tǒng)的巴氏合金軸瓦，并依靠進(jìn)口或引進(jìn)國外技術(shù)制造，軸瓦運(yùn)行溫度較高，安全裕度小，設(shè)備投入費(fèi)用大。20世紀(jì)90年代前，我國水力發(fā)電機(jī)組推力軸承(特別是大型機(jī)組推力軸承)頻繁發(fā)生燒瓦事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在水電機(jī)組機(jī)械事故中，僅推力軸承事故就占水電機(jī)組機(jī)械事故率的70%以上，嚴(yán)重影響了機(jī)組的正常發(fā)電運(yùn)行。1990年初，葛洲壩、龍羊峽、丹江口等水電站先后引進(jìn)俄羅斯研制開發(fā)的彈性金屬塑料推力瓦，安裝運(yùn)行后取得了明顯效果。多年來，彈性金屬塑料推力瓦在水電機(jī)組上的普遍應(yīng)用，大幅度減少了推力軸承事故率。在保證機(jī)組安全運(yùn)行方面發(fā)揮了巨大作用。

2003年構(gòu)皮灘水電站開工建設(shè)，構(gòu)皮灘發(fā)電廠600 MW機(jī)組在吸收、借鑒三峽進(jìn)口機(jī)組基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化，而構(gòu)皮灘600 MW機(jī)組無論在線速度、軸承比壓和pv值等參數(shù)均高于國內(nèi)其他機(jī)組。構(gòu)皮灘發(fā)電廠在600 MW水電機(jī)組上嘗試使用推力負(fù)荷達(dá)30 000 kN彈性金屬塑料瓦，取得了良好的效果。

2 彈性金屬塑料瓦的機(jī)制

新材料采用增強(qiáng)改性聚四氟乙烯材料，形成了具有骨架、高耐磨質(zhì)點(diǎn)和聚四氟乙烯潤滑基體的復(fù)合結(jié)構(gòu)，制成了低摩擦的環(huán)保型高性能化復(fù)合材料。推力瓦外形及剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示，表層耐磨材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 彈性金屬塑料瓦外形及其剖面結(jié)構(gòu)

在顯微鏡下觀察，材料表面組織中均勻分布著密集的亮點(diǎn)，主要是以高耐磨工程塑料為基體的耐磨質(zhì)點(diǎn)。從材料斷口形貌可以看出，高強(qiáng)纖維均勻分布于樹脂之間，形成了增強(qiáng)網(wǎng)格骨架，提高了材料的抗壓和抗剪強(qiáng)度，從而大幅度提高了摩擦材料的抗磨損性能，同時(shí)也提高了摩擦材料與金屬絲墊之間的結(jié)合牢度。新型高性能環(huán)保型彈性金屬塑料瓦主要技術(shù)指標(biāo)見表1，與巴氏合金瓦特性對比見表2。

3 彈性金屬塑料瓦的模擬計(jì)算分析

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，分析驗(yàn)證了彈性金屬塑料軸瓦在構(gòu)皮灘發(fā)電廠600 MW機(jī)組上應(yīng)用效果。機(jī)組推力瓦運(yùn)行參數(shù)見表3。

表3分析了彈性金屬塑料瓦的模擬潤滑計(jì)算結(jié)果，當(dāng)平均線速度為24.21 m/s且軸承比壓為4.58MPa時(shí)，軸承pv值達(dá)到110.91 MPa·(m/s)，此時(shí)最小油膜厚度為49 μm，完全滿足機(jī)組安全運(yùn)行的要求。

圖2 彈性金屬塑料瓦摩擦表面結(jié)構(gòu)和材料斷口組織結(jié)構(gòu)

表1彈性金屬塑料瓦主要技術(shù)性能指標(biāo)

技術(shù)性能指標(biāo)數(shù)值說明壓縮強(qiáng)度/MPa45彈性模量/kPa1900～2400線膨脹系數(shù)/℃7.8×10-5導(dǎo)熱系數(shù)/[W·(m·K)-1]0.71絕緣電阻/M Ω∞摩擦因數(shù)干摩擦0.14～0.18平試樣滴油潤滑0.01～0.02平試樣,10～15滴/min滴水潤滑0.08～0.10平試樣,15～20滴/min磨損系數(shù)/[cm3·(N·m)-1]干摩擦3.55×10-10平試樣滴油潤滑4.68×10-11平試樣,10～15滴/min滴水潤滑8.15×10-9平試樣,15～20滴/min

表2 彈性金屬塑料瓦與巴氏合金瓦特性對比

表3 (構(gòu)皮灘發(fā)電廠水輪發(fā)電機(jī))彈性金屬塑料軸瓦參數(shù)

圖3～圖5為計(jì)算機(jī)模擬構(gòu)皮灘發(fā)電廠機(jī)組推力瓦運(yùn)行的油膜厚度、壓力和溫度的三維圖形，運(yùn)行情況較為理想，完全滿足安全可靠運(yùn)行的要求。

圖3 油膜厚度分布

圖4 油膜壓力分布

圖5 油膜溫度分布

4 彈性金屬塑料瓦在國產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行分析

在推力負(fù)荷達(dá)到30 000 kN時(shí)，彈性金屬塑料瓦磨損量、瓦溫分析結(jié)果如下。

4.1 運(yùn)行近5 000 h后磨損量分析

自2009年投產(chǎn)以來，構(gòu)皮灘發(fā)電廠共進(jìn)行了6臺(tái)次B級(jí)以上檢修，分別為#1機(jī)組B級(jí)檢修2次，#2機(jī)組B級(jí)檢修2次，#3機(jī)組B級(jí)檢修2次。在每次機(jī)組檢修過程中，構(gòu)皮灘發(fā)電廠將推力彈性金屬塑料瓦表面檢查及厚度測量列為重點(diǎn)檢查項(xiàng)目，檢查結(jié)果表明，#1，#2，#3機(jī)組推力彈性金屬塑料瓦面狀態(tài)良好，僅有輕微摩擦痕跡，且在規(guī)程的允許范圍內(nèi)。表4～表6為3臺(tái)機(jī)組推力彈性金屬塑料瓦不同運(yùn)行時(shí)間后瓦厚度測量結(jié)果。

表4 #1機(jī)組運(yùn)行近5 002 h后瓦厚度測量結(jié)果 mm

續(xù)表

表5 #2機(jī)組運(yùn)行近4 688 h后瓦厚度測量結(jié)果 mm

通過對以上3臺(tái)機(jī)組瓦厚度數(shù)據(jù)測試結(jié)果分析可知，瓦厚度最小值為299.94 mm，最大值為300.02 mm，推力瓦的厚度尺寸設(shè)計(jì)值為300 mm，出廠檢驗(yàn)記錄厚度在299.96～300.00 mm之間，說明彈性金屬塑料瓦具有良好的低摩擦性能和極佳的抗磨損性能。以機(jī)組運(yùn)行5 000 h計(jì)算，瓦面的年平均最大磨損量為0.06 mm，按照塑料層厚度2 mm推算，塑料瓦壽命可達(dá)30年以上，證明該型號(hào)國產(chǎn)瓦具有使用壽命長的特點(diǎn)。

4.2 運(yùn)行近5 000 h后瓦溫分析

對全廠3臺(tái)機(jī)組600 MW負(fù)荷下運(yùn)行溫度進(jìn)行了跟蹤，#1～#3機(jī)組推力彈性金屬塑料瓦運(yùn)行溫度在46 ℃左右，且各瓦間溫差在2 ℃左右，運(yùn)行完全達(dá)到了機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)瓦體溫度低于50 ℃的要求，證明該塑料瓦在推力負(fù)荷達(dá)30 000 kN時(shí)使用是安全、可靠的。3臺(tái)機(jī)組600 MW負(fù)荷下運(yùn)行溫度情況見表7。

表6 #3機(jī)組運(yùn)行5 748 h后瓦厚度測量結(jié)果 mm

表7 3臺(tái)機(jī)組600MW負(fù)荷下運(yùn)行溫度情況 ℃

5 30 000 kN彈性金屬塑料瓦應(yīng)用效益分析

構(gòu)皮灘發(fā)電廠5臺(tái)600 MW機(jī)組推力軸承采用了國產(chǎn)30 000 kN彈性金屬塑料瓦，每臺(tái)機(jī)組節(jié)約投資560萬元，5臺(tái)機(jī)組可節(jié)約設(shè)備投資金額2 800萬～3 000萬元。采用彈性金屬塑料瓦后，因檢修時(shí)無需刮瓦工藝，縮短了檢修工期。人力工作時(shí)間若按4人5個(gè)工作日的工作量計(jì)算，1個(gè)檢修周期就可提高年可利用小時(shí)數(shù)100 h，構(gòu)皮灘發(fā)電廠單機(jī)容量600 MW，按上網(wǎng)電價(jià)0.297元/(kW·h)計(jì)算，1 d(24 h)的純發(fā)電收入就達(dá)427.7萬元，每年1次大修可節(jié)約經(jīng)費(fèi)1782.1萬元，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。

采用彈性金屬塑料瓦后，省去了高壓油頂起裝置，提高了機(jī)組運(yùn)行可靠性，降低了機(jī)組安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。彈性金屬塑料瓦具備低速及惰性停機(jī)性能，即使機(jī)組偶爾發(fā)生惰轉(zhuǎn)，也不會(huì)存在燒瓦的風(fēng)險(xiǎn)。彈性金屬塑料瓦具有優(yōu)越的水潤滑性能，當(dāng)水作為潤滑介質(zhì)時(shí)，有良好的低摩擦性能和極佳的耐磨損性能。當(dāng)水輪機(jī)組推力油槽混入水后，能降低或避免燒瓦風(fēng)險(xiǎn)；還可在停機(jī)5 min內(nèi)熱啟動(dòng)，為系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻創(chuàng)造了條件，保證了電網(wǎng)的安全。

彈性金屬塑料瓦在構(gòu)皮灘發(fā)電廠的成功應(yīng)用，為國產(chǎn)彈性金屬塑料瓦在大型機(jī)組的應(yīng)用積累了運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。繼構(gòu)皮灘發(fā)電廠機(jī)組成功使用后，哈爾濱電機(jī)廠又成功研發(fā)出推力負(fù)荷達(dá)40 000 kN的彈性金屬塑料瓦，擬在今后國產(chǎn)更大容量機(jī)組上使用，使水輪發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化又邁上了新的臺(tái)階。

6 結(jié)論

(1)彈性金屬塑料瓦在大負(fù)荷條件下比相同工況的巴氏合金軸瓦油膜厚度大，檢修后機(jī)組啟動(dòng)瓦瓦溫穩(wěn)定所需的時(shí)間較短，巴氏合金軸瓦瓦溫穩(wěn)定時(shí)間需6 h，而彈性金屬塑料瓦瓦溫穩(wěn)定時(shí)間只需4 h即可。

(2)彈性金屬塑料瓦安裝維護(hù)簡單，它與巴氏合金軸瓦相比，彈性金屬塑料瓦推力軸承在安裝時(shí)不需刮瓦，機(jī)組盤車容易，整套瓦的負(fù)荷均勻性要求較低。

(3)運(yùn)行性能優(yōu)異。彈性金屬塑料瓦推力軸承的許用單位壓力和溫升比巴氏合金軸瓦推力軸承高，瓦體溫度和損耗比巴氏合金軸瓦推力軸承低。在每年累計(jì)5 000 h的運(yùn)行和1 200次啟、停機(jī)的條件下，彈性金屬塑料瓦推力軸承的壽命可達(dá)30年。

(4)運(yùn)行條件限制較少。允許頻繁啟動(dòng)并允許熱啟動(dòng)。轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的10%情況下可加閘制動(dòng)。油槽內(nèi)冷卻器短時(shí)停水時(shí)，推力軸承仍可正常運(yùn)行。

(5)無需高壓油頂起系統(tǒng)。彈性金屬塑料瓦省去了高壓油頂起系統(tǒng)，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單且運(yùn)行可靠性高，節(jié)約了高壓油頂起裝置的設(shè)備投資。

(6)彈性金屬塑料瓦推力軸承吸收沖擊的性能較高，可有效降低設(shè)備振動(dòng)。

(7)價(jià)格優(yōu)勢。目前國內(nèi)生產(chǎn)的推力彈性金屬塑料瓦與進(jìn)口同類型軸瓦比較，每塊瓦價(jià)格低24萬元左右，與傳統(tǒng)巴氏合金軸瓦比較，每塊瓦價(jià)格低15萬元左右。按照構(gòu)皮灘發(fā)電廠5臺(tái)機(jī)組使用96塊軸瓦計(jì)算，可節(jié)約設(shè)備投資2 800萬～3 000萬元。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐華，呂長春，朱均.復(fù)合材料軸瓦的力學(xué)性能研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),1999(6):55-59.

[2]李文白,劉顯耀.氟塑料推力瓦的應(yīng)用與效果[J].四川水力發(fā)電,1995(2): 84-87.

[3]賈慧娟.彈性金屬塑料瓦表面性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué),2003.