弹性金属塑料瓦/推力瓦、聚四氟乙烯/PTFE板、超高分子量聚乙烯/UHMWPE板、自润滑轴承、固体润滑轴承 技术文件   弹性金属塑料瓦的使用效益分析 一、概 况 随着国民经济的高速发展以及各地区能源储备不平衡，水力发电在电力工业中的地位和作用越来越重要，随着水电的大发展，可以实现跨大区域送电，也可以有效地承担调峰、调频和事故备用任务，进而提高电网安全运行的稳定性和可靠性。在水电站，推力轴承是机组的重要结构部件，其运行性能的好坏，将直接影响整台机组乃至整个电站的安全运行水平，推力轴承轴瓦过去一直采用巴氏合金瓦结构（俗称钨金瓦）、随着机组单机容量的不断增长，机组推力负荷也越来越大，随之而来，钨金瓦推力轴承运行可靠性差的问题也就越发突出。水轮发电机组运行故障的统计数字表明，在全部故障中，推力轴承运行故障率占的比重很大。在国内采用钨金瓦推力轴承的大中型机组中，多次发生轴瓦磨损和烧瓦事故，特别是近几年大容量和大推力的机组投产后，这一问题更显突出，通过采用水冷瓦和高压油顶起装置，情况虽有所改善，但没能彻底解决问题，同时也增加了更多的运行和安装调试的环节，使整个系统的可靠性下降。如葛洲坝水电站共有21台大型机组，总装机容量2715MW，其中有2台单机容量170MW的机组（推力负荷3800t），有19台单机125MW的机组（推力负荷3000t），自1981年装机投产以来，先后共发生了十几起磨瓦事故。另外，乌江渡、大化、白山、龙羊峡、新安江、岩滩、铜街子、东风等水电站的机组也都曾有类似事故发生。据前苏联大负荷推力轴承的运行统计，在1956—1975年的二十年间，大约发生了550起推力轴承故障，其中大约有300起事故导致了机组紧急停机，这期间某些年份的推力轴承的运行故障率竟达水电站水力机械设备总故障的70%。如布拉茨克水电站，共18台单机250MW的机组，推力负荷为14.5MN，从1961年第一台机组投产，到1982年共发生87次推力轴承事故。为解决大型、重载推力轴承长期运行的可靠性问题，对现有钨金瓦推力轴承进行技术改造，其行之有效的途径之一是采用弹性金属塑料瓦（简称塑料瓦）替代常规的钨金瓦。弹性金属塑料瓦是用耐磨、耐热、抗裂、绝缘性能好、摩擦系数小的聚四氟乙烯塑料作为摩擦面，并把氟塑料热压复合在预压成型的铜垫层上，然后把复合弹性塑料层焊接在铜质瓦基上。从前苏联的使用情况来看，自1974年至今，已在60多座水电站300多台机组上应用了塑料瓦，也就是说，在全苏所有的大型水电站的各种型式的推力轴承上都应用了塑料瓦。从国内应用的情况看，从1991年起，龙羊峡、葛洲坝、丹江口以及大化、乌江渡、万安、龚咀、映秀湾、白山等水电站先后从俄罗斯引进并安装了塑料瓦推力轴承，与此同时，国内的制造厂和有关研究部门也纷纷研制开发生产塑料瓦，并相继用于真机上。大量的、长期的应用实践和运行经验证明，塑料瓦是一种很有前途的新型轴瓦，可在大、中、小型水电机组上推广使用。水电站选用塑料瓦推力轴承，无论是进口塑料，还是国产塑料瓦（技术成熟的），其运行性能都优于钨金瓦推力轴承，因此提高了机组运行可靠性和灵活性，还可以避免推力轴承事故的发生，而且在一定程度上增加水电站的经济收入，减少不必要的经济损失，具有十分重大的社会效益和经济效益。 二、社会效益 在我国大、中型机组的钨金瓦推力轴承，事故频繁，可靠性差，使得机组在电力电网中的作用不能很好发挥，使得因国民经济发展而不断增长的电力需要越来越无法得到保障。如龙羊峡电站1989年因推力瓦事故损失发电量15亿KWh，不仅给电站带来巨大的经济损失，还影响了该地区工农业生产的正常进行。对一个水电厂来说，一年的发电量主要是靠汛期来完成，错过了就没有任何办法补救，所以确保汛期每台机组都尽量多发电是保证全年多发电的关键。因而要提高水电站安全、稳定、经济运行水平、减少或消灭电站的“烧瓦”事故，减少停机，停车次数，确保机组稳发、满发，解决电站运行中不可靠的问题，就尤为重要。 （一）可靠性 机组改用塑料瓦后，由于瓦面可以承受较高温度，并可取消高压油顶起装置和油瓦的水冷却系统，还可降低制动转速及必要时惰转停机，以及取消瓦面修刮工序等等，这些因素无疑都将大大提高机组运行的可靠性。 现役的一些机组钨金瓦推力轴承存在瓦温偏高现象，特别在汛期（负荷大、冷却水温高），情况更为严重，为了保证推力轴承的正常运行，不得不采取临时限荷措施，降负荷运行，即使如此，也常发生烧瓦事故，使机组无法正常渡过汛期；存在这一问题，不仅严重威胁机组的安全运行，也影响整个电网的安全运行，给国家造成很大的经济损失。如丹江口水电站，是六十年代末至七十年代初投产的大型电站，有6台单机容量150MW的机组，原采用钨金瓦推力轴承，投产20多年来，始终存在着瓦温过高的现象，自从更换塑料瓦后，全厂机组出力增至1000MW，不仅提高机组的安全可靠性，而且对整个华中电网的安全经济运行起到积极的促进作用。例如大寨电站的机组转速属国内之最，高达1000rpm，原钨金瓦运行瓦温长期处于临界状态，改成水冷瓦，夏季仍无法正常运行，更换塑料瓦后，年最高运行瓦温48℃，较钨金瓦低20—25℃，油温也有所下降，消除此型机组投运10年，因瓦温高而限负荷，滥停机的历史，满足了常年发电要求，为电网输送了大量电能。 塑料瓦能在短时断水条件下运行，大大提高机组的运行可靠性，如龙羊峡电站3号机换用塑料瓦后在带265Mpa负荷时，完全中断向推力油槽冷却器供水，机组连续运行4小时15分钟，轴瓦温度指示值为58—61℃，油槽的热油温度为49℃。葛洲坝电站2号机换用塑料瓦后,取消了薄瓦的水冷却系统，也做过推力油槽冷却器断水试验，断水时间为20分钟。平均瓦温上升到52℃，油温为49℃。丹江口电站2号机带111MW负荷运行时，停止向推力油槽冷却器供水5小时30分钟，测得最高瓦温为49℃，油温41℃。富春江电厂2#机更换塑料瓦后，在95年汛期中，有数次发生江面漂流物堵塞冷却器，致使推力轴承瓦温油温上升，而机组仍可安全稳定运行渡过了汛期，运行瓦温48℃（通常32℃），为电厂盈得了社会和经济效益，若是钨金瓦，则必须停机检修清理之后，才能投入运行。另外，装有钨金瓦的推力轴承，如遇一块轴瓦烧损，不仅其它轴瓦超过自身所能承受的负荷，而且镜板还会把溶化的钨金带到下一块轴瓦，堵塞其进油，因而引起各块轴瓦都磨损。而在采用塑料瓦的推力轴承上，当某一块瓦以外受损而磨损破坏时，它不会扩展、殃及到其余各块瓦，而且其它轴瓦具有足够的承载力承担所增加的负荷，因而也就提高了推力轴承运行的可靠。 （二）灵活性 我国的水电厂均在电网中担任调频、调峰及事故备用任务，而且，目前的电力系统中，调频、调峰及事故备用容量极为短缺，因此，水电机组的开、停机次数就极为频繁，如湖南镇水电站每台机组的年开停机次数，几年来的统计资料均在1000次以上，且开停机间隔时间极短，有时仅为3—10min。白山电站机组起停频繁程度是国内大型水电机组中所少见的，根据多年统计表明，年平均起停421次，最多达577次/台年。频繁起动实际上是热起动，热起动是在轴承工作温度较高、轴瓦温度分布梯度较大及热变形也较大的条件下进行的，此时油温高、粘度小、油膜薄、压强分布非正常、轴瓦承载能力降低，轴瓦材料机械强度下降，是极易发生轴瓦烧损现象的。水轮发电机技术条件规定钨金瓦不能热启动。实践证明，塑料瓦在停机后3—5min内可以热启动，就是对大负荷推力轴承，在不需要高压油顶起转子的情况下，也可以热启动，这为调峰蓄能机组的频繁启动提供了条件，采用塑料瓦后，对钨金瓦的某些运行限制条件取消了。水轮发电机技术条件规定，钨金瓦在10℃以下不允许冷启动，钨金瓦制动时，制动转速需要在额定转速的35%左右，更不允许惰转停机。为了保证启动和停机安全，大机组推力轴承还要加装高压油顶起装置。而塑料瓦允许机组冷启动，允许在低转速下制动和惰性停机，不需要高压油顶起装置，这些已被多次试验所证实。 综上所述，机组选用塑料推力瓦，可以简化机组运行的条件，提高运行的灵活性和可靠性，使在电网中承担调峰、调频和事故备用任务，起动频繁的大型机组，能够更好的发挥作用，更好地为电网服务。 三、经济效益 （一）机组多发电的经济效益 钨金瓦推力轴承，由于瓦温过高，不能带满负荷（只能限荷运行），改用塑料瓦后，机组能够带满负荷运行，并可适当加大容量运行。如岩滩电站4台单机302.5MW额定容量，使用钨金瓦推力轴承，由于瓦温过高（73℃），只能带200MW负荷运行，再稍加负荷，就烧瓦，换上塑料瓦后，可带满负荷运行，瓦体温度43℃，还可提高负荷到329MW运行，瓦温正常。又如白山水电站5台机组全部改用塑料瓦，机组增加了容量，每台机组提高出力10%，即每台机组增容30MW，共增容150MW，每年可为电网提供高峰电力1.5—2亿kWh，年经济收入2700万元。另外还有船场溪、石泉、丹江口等电站也存在类似情况。 采用塑料瓦后，使机组的故障率下降，缩短机组安装、检修时间，为机组早发电、多发电创造了条件，并提高了机组年利用小时数和系统调用的可调小时数。如大寨电站，更换塑料瓦后，由于现场不需对瓦进行研刮处理，缩短了检修工期，按人力计算4人5天的工作量，就可提高年可利用小时数折和约200h。特别是大机组，其经济效益十分可观。如天生桥电站单机容量220.5MW，按上网电价0.2元/kW·H计算，一天24h的纯发电收入就达100万元，经济收入相当可观。 （二）节能降耗效益 采用塑料瓦后，可减少推力轴承的冷却水量，对大型机组可以取消水冷瓦系统和高压油顶起装置，减少水泵耗电量，如白山电站，机组带负荷运行时，冷却水量减少2/3，仅此一项每年可节水发电14.6—24.8万kWh；葛洲坝电站2号机，每年可省电7万kWh；另外，采用塑料瓦，推力轴承损耗减少，如白山电站，每台机组降低推力轴承损耗127.7kW，每年减少电能损失110—184kWh。 （三）塑料瓦的使用寿命长 塑料瓦的使用寿命主要取决于瓦面的磨损速率。目前使用时间最长的塑料瓦是列宁伏尔加水电站9号机的推力瓦，它是1974年11月投入运行的，在累计运行小时数达8万多、启动停机次数各为1300多次以后检查时，厚度为1.5mm的氟塑料层只被磨去0.10—0.15mm。根据前苏联一些水电站的运行经验推算，对于单位负荷为6.5Mpa以下，一年内停机次数小于400次的推力轴承，塑料瓦的使用寿命均在20年以上。 目前国内对引进塑料瓦的使用寿命要求是，在机组每年运行小时数为5000以下，每年启动停机数各为1200次以内的条件下塑料瓦的使用寿命应在40年，国产塑料瓦的使用寿命一般也在20年以上。 四、综合效益 （一）缩短安装检修工期 机组推力轴承采用塑料瓦后，给安装单位和电厂检修部门带来很大的方便，塑料瓦不需刮瓦、研瓦、挑花；盘手时只需在瓦面上涂上润滑油即可。使安装检修省时省力，安装工艺简单，为工期提前创造了条件，减少了安装和检修的工作量。 （二）降低运行和维护的工作量 机组推力轴承采用塑料瓦，允许机组冷启动（在启动前无需顶转子）。热启动，如白山电站4号机塑料瓦，在室温6℃情况下，起动5次，一切正常，允许机组在低速（额定转速的10—20%）制动或惰转停机，还可以简化推力轴承结构及其辅助设备，避免单向阀泄压和软管破裂以及高压油顶起装置自动控制系统发生异常带来的不良后果，因此，减轻了日常运行和维护的工作量。 （三）减少环境污染 发电机粉尘危害一直是干扰水电站多年的一个老大难问题，它不仅污染环境，而且危及机组的安全运行。发电机粉尘是在机组停机制动过程中，闸瓦与转子制动环的磨损产生的，由于频繁的开、停机，粉尘充满发电机内外风洞。发电机粉尘是一种致癌物，严重危害检修和运行人员的身体健康，大量粉尘堆积在定转子通风沟内，堵塞了风道，严重影响发电机内部的散热效果，加大电机的温升，使电机效率降低，妨碍电机出力的发挥，粉尘附着在定子线棒和转子磁极线圈上，加速了磁极线圈和定子线棒的老化，容易引起转子接地及定子线棒电晕放电甚至击穿。采用塑料瓦，由于它有良好的低转速性能，可使制动转速大大降低（从35%额定转速降至10%—20%的额定转速），减轻了制动环与闸板的磨损以及制动环的热变形，减少粉尘，对发电机的绝缘、空气冷却器的冷却效果及风洞内的卫生均有益。如西洱河一级电站，采用塑料瓦成功地解决了因制动转速高，闸板磨损严重的问题。 机组推力轴承和上导轴承在运行中的甩油现象和所产生的油雾扩散也是一些水电站普遍存在的一个难题。不仅要消耗大量的润滑油，更重要的是它将严重污染发电机风洞及定子线棒、损坏线棒绝缘，降低线棒的绝缘强度及使用寿命，严重影响水轮发电机组的安全经济运行，增加了运行人员的工作量。轴承甩油的主要因素之一是油温偏高，所以降低轴承温度和油温是解决轴承甩油和油雾扩散的一个主要途径。采用塑料瓦，可以降低瓦温和油温，如红枫窄巷口电站3号机和富春江电站的2号机、3号机装上塑料瓦后，瓦温降低在12℃左右，红山咀电站1号机，瓦温降低8℃左右，上导瓦温也下降4℃，另外，大寨电站的机组瓦温下降20—25℃，因此，改钨金瓦为塑料瓦，可以减少甩油和污染发生，减缓水轮发电机定子线圈因油污染而产生的老化现象，净化发电机风洞内部环境，减少工人的劳动强度，改善了推力轴承的运行条件。如红枫发电总厂窄巷口电站3号机，于1970年投入运行后，经常发生上导油箱油位偏高，轴承甩油等情况，造成下导盖板上出现较多的油迹，该机于1991年将钨金瓦换成塑料瓦后，年平均瓦温下降12℃左右，又于1994年更换塑料上下导瓦，通过采用塑料导瓦，降低了油位运行，解决了该机20多年存在的甩油问题。 五、结 论 随着水电事业的高速发展，大容量、重推力荷载的水轮发电机组数量日益增多，推力轴承运行可靠性问题日趋尖锐。在水电机组上采用塑料瓦推力轴承，简化推力轴承结构，既可以提高推力轴承运行的可靠性和灵活性，完全杜绝推力轴承故障，打破过去对钨金瓦推力轴承运行工况的所有限制条件，使水电站达到调频、调峰和事故备用的目的，增加机组的可调小时数，又可以减少推力轴承在安装、检修及维护中的工作量，提高机组年利用小时数，在一定程度上增加水电站的经济效益，减少不必要的经济损失。同时，减少电站环境污染，节约环保投资。其社会效益，经济效益和综合效益十分显著，对促进电网和电站建设起着重要作用。 摘自《水利学报》1997年第11期 作者：邴颂东 郭 江 孟建军