大型水电机组推力轴承运行稳定性及故障诊断.doc

大型水电机组推力轴承运行稳定性及故障诊断刘晓亭1 刘 昱2（1.湖北省电力试验研究院 2.清华大学计算机科学系）摘 要 本文在调研的基础上，分析了当前大型水电机组推力轴承运行状况及其故障原因，并结合电网和水电厂的运行实际，按照电力系统实施运行机组状态检修目的和要求，建立了一个大型水电机组推力轴承运行稳定性状态监测及故障诊断系统。文章叙述了该系统结构的基本内容及其关键技术。关键词 运行机组 推力轴承 稳定性 故障诊断中图分类号：TP2771 前言随着我国水电事业的发展，大型机组的投产，各种容量机组数量增多，轴承运行状态及故障（特别是推力轴承的运行故障）对水电机组的安全稳定性运行影响越来越大，一是由于机组尺寸增大，转轮部件重量加大，固定部件的强度和刚度对推力轴承的运行影响；二是推力轴承本身结构尺寸增加，运行负载加大。当前大型水电机组推力轴承负载能力已发展超过50000KN（三峡水电厂VGS推力轴承负荷能为50500KN，ABB推力轴承负荷能力为55000KN），推力轴承单位负荷发展超过7.0Mpa，直接影响到推力轴承运行稳定性。国外因为轴承（推力轴承）运行故障带来运行机组的事故停机甚为普遍，约占水电机机械设备总故障的二分之一有多，据有关国家对水电机组机械故障的统计资料表明约5060%出自运行机组推力轴承的原因，把它列为可靠性程度最低的重要部件。我国近年建成投运的大型水电厂葛洲坝、白山、龙羊峡、隔河岩、广蓄、水口等大型水电机组都曾发生过推力轴承瓦面温度升高，瓦面烧损研磨（含弹性金属塑料瓦）的故障现象，直接影响到机组的可靠性运行。科研单位和制造厂，针对推力轴承实际运行故障，在轴承结构和轴瓦材料等方面下功夫进行改进，但实践表明引起推力轴承烧损研磨仍然存在，有的还很严重。因此，作为大型水电机组推力轴承运行稳定性的状态监测和故障诊断仍然是机组运行中的一项重要任务和可靠手段，它对保证机组安全经济运行是至关重要的。2 影响推力轴承运行稳定性的基本原因12.1 推力轴承运行因素水轮发电机组运行，在其转动部件和轴瓦之间（即推力轴承镜板与推力轴承轴瓦之间）形成一层楔形油膜。由于油膜存在，一方面起着传递负荷作用，另一方面使磨擦面之间不发生直接接触。这种油膜的存在和最小油膜厚度的保持是推力轴承运行稳定性的关键。运行油膜厚度与推力轴承负荷、推力轴承结构以及机组的结构和机组的运行特性均有密切关系。如果一旦油膜破坏，就会导致轴瓦磨损，事故停机。2.2 推力轴承故障的原因众多的调研资料表明，推动轴承运行故障主要有三个方面的原因，一是推力轴承本身由于结构尺寸不合理和加工制造质量较差所引起的；二是由于机组运行特性不良所引起的；三是由于安装和运行管理不善所引起的。2.2.1 结构设计及加工质量的影响推力轴承设计时，是根据设计机组给定的负荷和转速，计算确定推力轴承的主要润滑数据，如推力轴承扇形瓦的块数，内、外径，长宽比和支承位置及轴承的其他结构部件尺寸。同时对推力轴承的运行工况进行精确的计算机计算，选择最佳润滑参数，实现推力轴承安全可靠运行。推力轴承运行稳定性，由于大型水电机组本身结构尺寸加大，使推力轴承在结构设计上不确定因素较多，给精确计算出轴瓦块数，内、外径；长宽比和支承位置以及轴承其他结构部件尺寸带来一定的难度。因此，造成推力轴瓦尺寸实际运行的不合理，轴承的强度和刚度都有较大偏差。这个问题的存在集中表现以下几个方面：推力轴承机械变形大。有的机组在长期运行中，由于推力轴承在较大的轴向水推力作用下，轴瓦的机械变形大，在园周方向上呈凸形，加上轴瓦的温度变形，往往使轴瓦局部负荷增加，局部油膜破坏，造成推力轴瓦支承中心区域磨损；有的机组推力轴承镜板变形呈波浪形或弓形，高低两处差值达1.5mm，造成轴瓦烧损，镜板进行处理。偏心值偏低。为了防止推力轴瓦出油边的磨损，使推力轴承承受较大的负荷，在设计时，轴瓦的偏心值易选偏低值，即轴瓦偏心值的选择在设计规范的下限。从推力轴承运行事例可知，采用偏低的偏心值，推力轴承润滑油在轴瓦与镜板之间形成的楔形油膜是不理想的，难以确保推力轴瓦出油边最小油膜厚度的设计值（0.04mm），只会造成推力轴承润滑条件的恶化。镜板镜面不平度过大。镜板镜面不平度过大系指推力轴承镜板波浪度和粗糙度超过允许范围，这是影响推力轴瓦（含弹性金属塑料瓦）使用寿命的重要因素。通常，巴氏合金瓦镜板粗糙度控制在Ra0.20.4m范围（弹性金属塑料瓦镜板粗糙度Ra0.64m），波浪度0.05mm。众多的推力轴承的镜板的粗糙度和波浪超过了限定值，有的进口机组，推力轴承镜板不平度虽有限定值，但是实际现场检查，发现镜板凸凹不平，其粗糙度和波浪度之大，使轴瓦局部接触面仅有4060%。由于镜板镜面不平度过大，轴瓦运行温度升高，事故停机经常发生，同时也使镜板镜面划伤磨损，特别是弹性金属塑料瓦磨损后磨出金属丝，更加加剧镜板镜面的划伤磨损。由于加工质量及材料的机械性能存在着不同的问题，使推力轴承支承结构在运行中发生异变，个别的支承螺丝球面和铬钢垫表面出现深浅不一的压痕；弹性油箱压裂或漏油变为刚性支承；上下平衡块蠕动，定位螺钉挤压发卡，起不到设计预想的平衡调节作用等，都导致了推力轴瓦之间受力不均，使个别推力轴瓦超过了其所能承受的最大受力，发生磨损，进而造成所有推力轴瓦磨损烧毁。2.2.2 机组运行特性的影响机组运行特性对推力轴承稳定性影响主要反映两个方面：机组振动稳定性较差。水电机组属低速旋转机械设备，影响机组运行稳定性的水力干扰，机械干扰及电磁干扰都在不同程度上影响对推力轴承运行稳定性。转子动不平衡、轴不对中倾斜、固定部件刚度削弱、支承部件逐步恶化以及机组运行时的强大的脉动负荷，使机组轴系和轴承系统、机组机架和支承部件运行状态发生异变，造成推力轴承运行时，轴瓦负荷分配不均，镜板不水平，推力头松动，支承部件压塌受损，轴瓦油膜厚度受到破坏，导致推力轴承瓦严重磨损。水轮机转轮空蚀磨损加剧，也是加速推力轴承老化的一个原因。转轮空蚀磨损严重时，往往引起水轮机转轮不均匀受力及导叶、蜗壳、尾水管水流分布发生变化，使推力轴承运行稳定性变差。强大的水压脉动和空腔脱流，造成机组强烈振动和摆度，严重影响到推力轴瓦的润滑特性。2.2.3 安装和运行管理的影响近年投产运行的大型推力轴承启动投产时，烧瓦事故较多，就其原因，除了设计制造因素外，在安装过程中由于安装质量问题也是原因之一。安装质量不符合规程要求，例如导轴承间隙调整不良，轴线垂直度加大，镜板和推力头水平没有控制在规范之内（0.02mm/mm）等，加剧了推力轴承运行条件的恶化，引起运行中的镜板镜面的颤动，在轴承中出现脉动力，导致钨金与轴瓦钢质体分离并剥落。运行管理不善。机组开停机频繁，启动时轴瓦单位负荷增大，甩负荷过多，造成推力轴承运行自然老化；润滑油变质，含有水份，油污和铁屑杂物进入，造成镜板镜面光洁度破坏，严重时，高压油顶起轴瓦油室磨损，磨擦系数加大，油膜减少或破坏或轴瓦与镜板严重磨损。3 推力轴承运行稳定性的监测3.1 参数的确定及测点的优化根据推力轴承运行特性及故障特征，通常测量的参数1：一是推力轴承润滑参数，即轴瓦的油膜厚度，油膜压力，油膜温度（瓦温）和瓦体温度（油温）；二是推力轴承受力特性参数，主要是轴承的负荷特性和轴承支承结构受力；三是推力轴承的辅助参数，即机组运行振动稳定性参数和机组运行的相关参数（如上下游水位、水头、功率、转速等）；另外考虑推力轴承水冷瓦结构时，还需测量水冷瓦的能量特性；具有高压油顶起装置的轴瓦还需增测轴瓦油室压力和磨擦系数。如此多的监测参数，测点数量相当多，其测点布置是相当繁杂的。经长期试验研究，根据测点布置的优化原则，分析推力轴承运行性能、结构特点及故障特征，以逻辑诊断的原理选择和布置以下参数测点：3.1.1 润滑参数及测点布置在推力轴承性能参数选择上，考虑到油膜压力可以依赖油膜厚度和油膜温度及旋转周速的监测，应用数值分析获得，因此，选择布置了推力轴承的油膜厚度和轴承温度（含轴瓦温度及油温）两个参数测点。推力轴承的温度测点的位置和数量按轴瓦的数量及布置结构而定（不一定非要在每块瓦上布置测点）；油膜厚度的测点取决于机组的水力运行特性及推力轴承的结构，其测点按X、-Y方向分别在轴承支承布置园的轴瓦出口边上安装，如果是弹性金属塑料瓦测点或双排轴瓦，其（含内瓦）测点布置要求同样。值得注意的，在进行轴瓦温度监测时，必须监测轴瓦温度变化率，以便为推力轴承运行稳定性故障诊断分析提供判断依据。3.1.2 推力轴承负荷特性测点布置推力轴承负荷特性主要有轴承受力和轴承脉动负荷参数测点。推力轴承受力测点的位置，应根据轴承的负荷特性和轴承支承结构不同而不同，其测点数量和方向按90方向分别在轴承支承布置园的支承上安装两个测点，如图1所示。为了监测轴承镜板镜面不平度引起的轴承运行出现的负荷脉动，需在轴承镜板的垂直位置按X、-Y方向布置两个测点。3.1.3 辅助监测参数及测点布置辅助监测参数主要是指机组运行稳定性参数，包括机组的振动摆度值以及过流部件的压力和压力脉动值，其测点位置和布置可参考文献2。另外，机组相关参数的监测，如机组上下游水位、水头、机组功率、转速、油位、油温及轴承油质等，可以直接通过数据转换器由机组的监控系统提供。图1 推力轴承受力监测点的布置图 图2 温度及温度变化率关系图3.2 轴承温度过程特性分析与处理3轴瓦温度和温度变化率的信号获得，对监测诊断推力轴承运行稳定性有着十分重要的作用，这是轴承温度过程特性分析的关键参数。为了达到分析诊断推力轴承运行故障的目的，在软件上应作两方面的技术处理：3.2.1 利用温度变化率来评价推力轴承运行状态，作出判定故障是否出现的事实。通常轴承异常温度变化过程可以由正常润滑不良油膜破坏轴瓦磨损分成三个阶段，这样就可以通过把监测温度变化变成监测温度上升变化率的方式来判定轴承运行出现的异常问题及严重程度。把所对应时间的温度和温度变化率构成的关系可以判定推力轴承运行状态，如图2所示，表明了机组开机过程轴承温度上升变化率的动态特性。在正常运行情况下，推力轴承从过程开始到过程终止的任何时刻所转换的关系点都会在正常值斜倾线的左边，当温度变化率超过1级设定值就会发出异常报警，当超过2级异常设定值应进行故障处理。3.2.2 由于当前众多水电机组测温元件感温的滞后性，考虑到轴承温度滞后的传递特性，利用系统理论在限定条件下作线性滞后处理。温度传感器热量传递如同一阶（惯性）系统的动态响应，通过响应曲线（见图3）求出温度变化的终值，即在阶跃输入T3作用下，温度变化方程可写成：dT+T=TS （为时间常数） dt设3次采样值为T1、T2、T3用差分方程表示有：T2T1=TST2 tT3T1=TST3 t合并上2式可得TS值，即TS = T22T1T3ZT2T1T3Ts值实际上是由3次采样值判定阶跃作用的微励值，也是温度变化的终值。当终值Ts等于或超过设定的异常值，即发出报警或故障处理。4 推力轴承运行故障诊断4.1 推力轴承运行稳定性分析通过推力轴承运行状态监测，参数计算，信号分析与信号提取与推力轴承运行的限定值（即轴承的规程规范）分析比较，可得出不同工况的实时特性曲线：轴承负荷与油膜厚度的关系曲线；轴承负荷与油膜压力的关系曲线；轴瓦负荷与瓦温的关系曲线；轴承负荷脉动与镜板镜面不平度的颤动量的关系曲线；轴承受力负荷分配关系曲线。这些关系曲线为分析诊断推力轴承运行状态及故障提供了可靠的依据。通过轴瓦油膜特性的三个参数（即最小油膜厚度，平均油膜厚度及轴瓦的倾斜度），可以准确分析计算推力轴瓦运行时变形和轴承设计的偏心率是否合理；根据油膜厚度和轴瓦温度的监测，可以准确分析计算机组带某一负荷时的最高油膜压力值，承受总推力负荷时的平均油膜压力值及压力比，分析判断推力轴瓦承载能力及其好坏；根据轴承支承受力和镜板镜面不平度监测及其关系曲线，可以准确分析计算推力轴承的静动态载荷的最大值、平均值、最小值以及不均衡度，分析判断轴承运行时，负荷分配的不均匀性，各个轴瓦支承受力大小；通过镜板镜面不平度引起的颤动量，可以判定每块轴瓦上的脉动力及最大脉动值。4.2 推力轴承故障诊断模式44.2.1 基于推力轴承运行状态监测，分析计算，信号提取的诊断模式该模式总体结构布置（如图4所示）是由信号源、信号输入、状态监测，分析诊断及决策管理等部份组成。信号源主要来源三个方面，即推力轴承运行参数信号、机组振动稳定性的辅助参数信号及监控系统可提供相关参数信号。通过信号提取，对比识别，与机组不同工况限定值比较，状态分析，决策判断推力轴承运行状态及其设备故障。推力轴承运行状态监及故障诊断布置图信号源信号输入状态监测系统分析诊断决策决策判断与数据存储状态分析诊断与限定值比较（取决于机组运行工况）信号采集与预处理信号输入（一次传感元件）推力轴承运行信号参数计算信号提取油膜厚度瓦温及油温信号分析轴承负荷及支承受力镜板波浪度相关参算信号提取机组稳定信号监控系统信号图4 推力轴承运行状态监测及故障诊断系布置图4.2.2 监测诊断维护管理集成化模式4与水电机厂水电机组其他监测诊断系统集成，推力轴承运行设备，通过状态监测与诊断，专家系统 准确可靠的预测判断，形成正确结论，通