里底电站水淹水导轴承快速原因查找与处理

祁英明，龚自成，黄伟

（华能澜沧江水电股份有限公司，云南 维西 674600）

1 引言

里底水电站位于云南省迪庆州维西县巴迪乡境内的澜沧江上游河段，是澜沧江上游梯级开发中的第3级电站。电站总装机容量为420 MW，装有3台单机容量为140 MW的轴流转桨式水轮发电机组。水轮机型号为ZZ(460)-LJ-740，发电机型号为SF140-56/12000。最大设计水头41.2 m，额定水头34.0 m，最小水头28.9 m，设计最大流量455.17 m3/s，年设计发电量15.79亿kW·h。2018年10月31日首台机组投入商业运行，2019年4月30日最后一台机组投入商业运行。

2018年10月13日，首台机组启动试运行。在调速器事故配压阀动作停机试验过程中，当机组转速降低20%额定转速时，顶盖水位迅速上升，水淹水导轴承。检查发现顶盖排水泵空转，不能正常抽水。经过对水淹水导轴承原因分析，制定解决方案，通过改造，未发生水淹导轴承事件。

2 原因分析

2.1 水轮机主轴密封结构方面

（1）水轮机工作密封水压力突然减小，可造成主轴密封漏水量增大。

里底电站水轮机主轴密封装置布置在水导轴承下方，主要由工作密封和检修密封组成。工作密封采用端面水压密封结构，工作密封主要由转环、密封环等部件构成。转环安装在主轴上面，密封环装在顶盖上面，结构见图1。密封环为钢托结构。工作密封工作原理是机组运行时，主轴密封压力水一方面推起密封环靠近转换密封端面起密封作用，另一方面主轴密封压力水的通过密封环孔洞进入转环的密封端面的分水环槽中，起一定的润滑作用[1]。机组停机时压力水变小，是由于钢托的重力作用，密封环回落到原始位置，解决了密封环紧贴转换只上不下的问题，同时减少了运行中主轴密封压力水中断干烧密封环的风险。因此，从结构上分析可以得出，当主轴密封水的水压力刚好满足推起密封环向下的重力和密封环端面密封水向下的合力时，主轴密封受力平衡（见图2）[1]，机组正常运行。当主轴密封水因主轴密封供水滤器堵塞，致水压不稳定，会引起压力突然减小，平衡破坏，密封环受重力作用向下运动，可造成主轴密封水漏水量突然增大。

（2）机组抬机、密封环发卡，可造成主轴密封漏水量突然增大。

机组停机过程中，导叶迅速关闭，转轮受到反水锤和水泵升力的共同作用，机组向上的轴向水推力大于机组的转动部分重量，造成机组抬机。正常情况下，转环、密封环都会随机组抬机向上运动。但因转环随机组向上的加速度比主轴密封水压力推动密封环的加速度大，或因泥沙含量大致使密封环发卡，又遇到机组抬机，转环与密封环间隙将会增大，可造成主轴密封水漏水量突然增大。

图1 主轴密封结构

图2 主轴密封受力简图

2.2 顶盖排水系统方面

里底电站水轮机顶盖排水系统主要有2台富兰克林无密封自吸泵，型号为80WFB-6A1；2台赛莱默不锈钢潜水泵，型号为3S27185。自吸泵布置在顶盖内，高程为1 771.89 mm。潜水泵布置在支持盖内，高程为1 768.065 mm。2台自吸泵出水管分别通过Φ89 mm不锈钢管独立排至顶盖排水总管，2台潜水泵出水管共用1根Φ89 mm不锈钢管排至顶盖排水总管，顶盖排水总管将水排至油污水集水井。正常情况下，水位上升到380 mm时，顶盖内1台自吸泵和2台潜水泵启动工作。水位上升到1 100 mm时，备用自吸泵启动工作。当水位降低到75 mm时，自吸泵和潜水泵均停止工作。顶盖水位达到1 300 mm，机组LCU报警。排水泵水位信号设定值见图3。

图3 排水泵原水位信号设定值

自吸泵是不需在吸入管路内充满水就能把水抽上来的一种离心泵。泵运转前，泵腔内存有一定量的液体和气体。当泵启动后，由于叶轮的旋转作用，使管路的空气和液体充分混合，并排到气液分离室，气液分离室上部的气体溢出，下部液体返回叶轮，重新和吸入管路的剩余气体混合，直到把自吸泵管路内气体全部排尽，完成自吸，使自吸泵进入正常工作状态。根据水泵的工作原理，顶盖排水泵空转，不能正常抽水的问题，最有可能的原因是水泵进水管的管口潜水深度不够，离水面太近。对其原因分析如下。

（1）自吸泵进口浸水深度降低，排水可靠性降低。检查发现自吸泵进水管管口高程偏高，与设计图纸要求不符。为了保护水泵，在自吸泵的进口增加了过滤器装置，过滤装置见图4。由于设计未考虑到过滤装置，排水泵启、停泵水位未做相应修改，致使自吸泵进口浸水深度不够，抽水可靠性降低。自吸泵安装后实际浸水深度为100 mm，而设计图纸要求自吸泵浸水深度至少200 mm。

图4 自吸泵进水口过滤器

（2）自吸泵排水管存在虹吸现象，顶盖水位继续降低，自吸泵进口进气，降低泵抽水的可靠性。排水泵启停水位值重新设置后，发现顶盖排水系统抽水至310 mm左右，自吸泵及潜水泵均停止工作，顶盖内水位会继续下降，下降高度距检修密封座约为150 mm。初步分析是自吸泵停止工作的瞬间，泵腔内压力突然消失，因泵的出口管路高程低于顶盖排水总管高程，泵出口管路中的水会在惯性和重力作用下继续向前移动，管路出现真空，自吸泵管路瞬间存在虹吸现象，顶盖水位降低。自吸泵滤水器露出水面，进水口进气，泵再次启动后，排气时间延长，降低泵抽水的可靠性。

3 解决方案

针对上述原因分析，结合现场实际情况，重新调整主轴密封水压力设定值、排水系统水泵启停水位设定值、潜水泵进口高程，增加浮球阀等措施。

（1）调高主轴密封水压力设定值。将主轴密封水压力由0.2 MPa设定值调整为0.3 MPa。在设计技术要求中，主轴密封水压力值为0.2～0.3 MPa，满足设计的要求。通过调高主轴密封水压力，提高密封环向上的推力，减小了主轴密封漏水量。

（2）调整顶盖排水系统水泵启停水位设定值。将停泵水位75 mm调整至310 mm。启泵水位380 mm调整至500 mm。提高了启停泵水位，避免了虹吸现象。

（3）排水管增设不锈钢底阀，确保自吸泵充水排气。在自吸泵管路进水口处设置一套不锈钢底阀，当顶盖排水系统停止工作，底阀关闭，自吸泵进水管路充水，具备下一次启动排气的准备条件。当排水系统启动，自吸泵排气抽水，底阀打开，进水管路进水。

（4）调高潜水泵进水管口高程。为确保自吸泵正常工作，调高潜水泵安装高程，距检修密封座距离300 mm，比自吸泵管路进水口高度略高。当泵启动后，支持盖内的存水量满足自吸泵正常要求，首先开始排水，然后潜水泵工作。

（5）增加浮球式透气阀，破坏自吸泵排水管虹吸条件。在自吸泵出口增设一套浮球式透气阀，破坏自吸泵排水管路中的真空度。当排水系统停止工作，透气阀打开，空气进入自吸泵出水管，破坏自吸泵产生虹吸的条件。当排水系统启动，透气阀关闭。

4 结语

通过以上方案改造后，里底电站3台机顶盖排水系统运行正常，未再发生水淹导轴承的事件。实践证明，里底电站水淹导轴承快速原因查找的工作思路及方案处理是可行的，这可为国内轴流转桨式机组主轴密封及排水系统的设计、安装、运维检提供借鉴。