天花板水電站水力機(jī)械設(shè)計(jì)

郭喜兵，李仕宏

（中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院，北京 100024）

天花板水電站為混合式開發(fā)，主要由碾壓混凝土攔河拱壩、引水系統(tǒng)、岸邊式廠房等組成。電站安裝2臺(tái)90 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組。本工程等別為三等工程，工程規(guī)模為中型。電站以發(fā)電為主，電力送入云南電網(wǎng)。

1 主機(jī)設(shè)備選型及特點(diǎn)

1.1 水輪機(jī)

1.1.1 水輪機(jī)的選型及主要參數(shù)

本工程對機(jī)組臺(tái)數(shù)，2×90、3×60 MW 和 4×45 MW 3個(gè)方案進(jìn)行了比選。比較認(rèn)為，在技術(shù)上無限制性因素，但在工程總投資上和樞紐布置上2臺(tái)機(jī)方案具有明顯的優(yōu)勢，能滿足電站運(yùn)行要求，投資較少，且日常運(yùn)行維護(hù)較方便，最后確定為2臺(tái)機(jī)方案，單機(jī)容量90 MW。

天花板水電站除了擔(dān)負(fù)系統(tǒng)中調(diào)峰和用電需求外，還需要滿足運(yùn)行要求。這就要求水輪機(jī)有較高的效率、較寬的高效率區(qū)、良好的抗空蝕性能和水力穩(wěn)定性。在對國內(nèi)水頭容量相近的水電站資料分析及向廠家咨詢的基礎(chǔ)上，結(jié)合本電站運(yùn)行條件要求，最終確定了立軸混流式水輪機(jī)，俯視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，水輪發(fā)電機(jī)組采用兩根軸結(jié)構(gòu)。其主要參數(shù)為：水輪機(jī)型號(hào)HLD294A-LJ-340，最大水頭107.43 m，額定水頭89 m，最小水頭84.63 m，額定出力92.3 MW，額定轉(zhuǎn)速214.3 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速410 r/min，額定流量116.2 m3/s，額定工況效率91%，旋轉(zhuǎn)方向俯視為順時(shí)針，蝸殼包角345°，吸出高度-3 m。

1.1.2 水輪機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）轉(zhuǎn)輪采用0Cr16Ni5Mo不銹鋼材料制造，葉片采用VOD（真空吹氧脫碳）精煉。轉(zhuǎn)輪的上冠和下環(huán)設(shè)有止漏環(huán)，上冠設(shè)有梳齒。轉(zhuǎn)輪上冠設(shè)有轉(zhuǎn)輪泵，并充分利用止漏環(huán)的漏水作為機(jī)組技術(shù)供水的輔助水源。

（2）主軸采用中空鍛焊式結(jié)構(gòu)，主軸的水機(jī)端法蘭為外法蘭結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)端法蘭也為外法蘭結(jié)構(gòu)。主軸與轉(zhuǎn)輪靠摩擦傳遞轉(zhuǎn)矩。

（3）主軸密封裝置設(shè)置在導(dǎo)軸承下方，主軸穿過頂蓋的部位，采用無接觸密封，不需要水潤滑。

（4）蝸殼外設(shè)彈性墊層，蝸殼材料為Q345C鋼板。

（5）頂蓋上設(shè)置銅基石墨自潤滑導(dǎo)葉軸承和導(dǎo)葉軸頸密封。其上設(shè)有梳齒止漏環(huán)，材料均采用0Cr13Ni4Mo。

（6）為了使水輪機(jī)在導(dǎo)水葉部分開啟狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行，在發(fā)電機(jī)上端設(shè)置中心補(bǔ)氣裝置。補(bǔ)氣管通過軸系內(nèi)孔延伸至轉(zhuǎn)輪上冠出口，補(bǔ)氣管通徑DN250。

1.2 發(fā)電機(jī)型號(hào)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.2.1 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

發(fā)電機(jī)型號(hào)SF90-28/6800，額定容量102 857 kV·A，額定功率90 000 kW，額定電壓13 800 V，額定電流4 303.2 A，額定功率因數(shù)0.875（滯后），額定頻率50 Hz，額定轉(zhuǎn)速214.3 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速410 r/min，勵(lì)磁方式自并激靜止可控硅勵(lì)磁，旋轉(zhuǎn)方向俯視順時(shí)針，效率98.1% （保證值），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 GD25 500 t·m2。

1.2.2 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)

（1）本發(fā)電機(jī)為立軸懸式結(jié)構(gòu)，并具有上、下導(dǎo)軸承。推力軸承位于上機(jī)架之上部，與上導(dǎo)軸承分開，單獨(dú)使用1個(gè)油槽。

（2）發(fā)電機(jī)冷卻方式為密閉自循環(huán)空氣冷卻，空氣冷卻器采用銅質(zhì)穿片式冷卻器。冷卻器按0.5 MPa的最大水壓設(shè)計(jì)。

（3）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由中心體、磁軛和磁極組成，轉(zhuǎn)子采用無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子輪轂采用ZG20SiMn。

（4）發(fā)電機(jī)制動(dòng)方式為機(jī)械制動(dòng)。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速的20%～30%時(shí)，通入壓力為0.5～0.7 MPa的壓縮空氣進(jìn)行連續(xù)制動(dòng)。

（5）發(fā)電機(jī)消防采用水噴霧滅火方式，滅火環(huán)管分別布置在發(fā)電機(jī)定子線圈的上下兩端，上下分別設(shè)有滿足定子、轉(zhuǎn)子線圈消防的噴霧頭。

（6）本發(fā)電機(jī)分別在上、下導(dǎo)軸承油槽與推力軸承油槽的上、下端設(shè)置了防油霧裝置。

1.3 輔助設(shè)備

1.3.1 起重設(shè)備

（1）主廠房橋機(jī)。機(jī)組安裝時(shí)主廠房內(nèi)吊運(yùn)的最重件為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，質(zhì)量約280 t，加上起吊工具和平衡梁，最大起吊質(zhì)量約為290 t，選用1臺(tái)2×1 600 kN電動(dòng)雙梁雙小車橋式起重機(jī)，跨度19 m。

（2）GIS橋機(jī)。在主變開關(guān)樓GIS內(nèi)設(shè)有1臺(tái)LDT型1 00 kN電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)，跨度12.5 m。

1.3.2 進(jìn)水蝶閥

進(jìn)水蝶閥為雙平板、雙偏心的通流式，設(shè)液壓操作的臥軸式活門，工作為硬橡膠軟密封，檢修密封為金屬硬密封。蝶閥通過上、下游延伸管段和伸縮節(jié)與壓力鋼管和水輪機(jī)蝸殼連接，伸縮節(jié)放置于進(jìn)水閥的下游側(cè)，開啟、關(guān)閉時(shí)間在90 s內(nèi)完成。

進(jìn)水閥型號(hào)為PDF120-WY-430，設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa。油壓裝置型號(hào)為4 300 YYZ-3，額定工作油壓為16 MPa。

1.3.3 調(diào)速器

本電站在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰等作用，因此要求其調(diào)速器穩(wěn)定性好、靈敏度高，調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良、精度高、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)良好。最終，選用的調(diào)速器為數(shù)字式微機(jī)型WB（L）T-80-6.3調(diào)速器，機(jī)電分柜、導(dǎo)葉單調(diào)節(jié)方式。

調(diào)速系統(tǒng)額定操作油壓6.3 MPa，操作用油為L-TSA 32透平油。油壓裝置型號(hào)為HYZ-2.5-6.3。

2 輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

2.1 技術(shù)供水系統(tǒng)

機(jī)組技術(shù)供水采用減壓自流供水方式，供水對象為機(jī)組各軸承冷卻器、發(fā)電機(jī)空冷器和主變冷卻器；頂蓋供水作為備用水源。

機(jī)組供水以壓力鋼管減壓供水為主，為了簡化供水系統(tǒng)管路，頂蓋供水直接接入空冷器進(jìn)出水總管上，當(dāng)頂蓋供水不滿足水壓、水量要求時(shí)，直接排入下游尾水。技術(shù)供水系統(tǒng)取水口設(shè)2個(gè)，分別自每臺(tái)機(jī)組的壓力鋼管取水，形成全廠技術(shù)供水高壓總管。

2.2 廠內(nèi)檢修滲漏排水系統(tǒng)

（1）檢修排水系統(tǒng)。設(shè)置2臺(tái)檢修排水深井泵，同為工作泵。因水泵排水管管路較長，在水泵出口設(shè)有排氣閥和泵控閥，并適當(dāng)加大排水管管徑，有利于減小水擊壓力對管路和設(shè)備的危害。

（2）滲漏排水系統(tǒng)。水力機(jī)械輔助系統(tǒng)防震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是廠房滲漏排水系統(tǒng)。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，廠房設(shè)備有可能被損壞，水系統(tǒng)管路可能被破裂而導(dǎo)致漏水，廠房水工建筑物漏水也可能會(huì)增加，因此應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)廠房滲漏排水系統(tǒng)排水能力。在不增加廠房尺寸的前提下，滲漏集水井有效容積設(shè)計(jì)盡量大，排水設(shè)備選用3臺(tái)深井泵 （2臺(tái)工作，1臺(tái)備用）。另設(shè)1臺(tái)潛水排污泵，作為集水井清淤用，特殊條件下作為排滲漏水備用泵。

2.3 大壩排水系統(tǒng)

電站首部大壩設(shè)有大壩滲漏集水井及排水泵房，設(shè)2臺(tái)滲漏排水井用潛水泵，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用。井內(nèi)設(shè)1套浮子式水位計(jì)、1套壓電式水位計(jì)，互為備用。水泵排水排至下游河道，水位信號(hào)送至大壩值班室。

2.4 中壓氣系統(tǒng)

中壓氣系統(tǒng)的供氣對象為2臺(tái)調(diào)速器油壓裝置，供氣壓力為6.3 MPa。由于蝶閥油壓裝置采用蓄能罐型式，故中壓氣系統(tǒng)只為調(diào)速器油壓裝置提供氣源。根據(jù)用氣設(shè)備要求，選用2臺(tái)活塞式空壓機(jī)，1個(gè)V=2 m3，PN=7.0 MPa的中壓儲(chǔ)氣罐，儲(chǔ)氣罐設(shè)計(jì)壓力為7.5 MPa。

2臺(tái)空壓機(jī)工作方式為1臺(tái)工作，1臺(tái)備用。每臺(tái)空壓機(jī)還具備自動(dòng)、手動(dòng)、停止等操作方式，可任意選擇，并有相應(yīng)位置的信號(hào)輸出。

2.5 低壓氣系統(tǒng)

低壓氣系統(tǒng)主要供氣對象為機(jī)組制動(dòng)、檢修和水輪機(jī)主軸密封用氣，最大工作壓力為0.8 MPa，儲(chǔ)氣罐設(shè)計(jì)壓力為0.88 MPa。機(jī)組制動(dòng)按1次壓氣設(shè)計(jì)，適當(dāng)留有余量。為增加機(jī)組制動(dòng)供氣可靠性，把檢修貯氣罐的供氣口與制動(dòng)貯氣罐供氣口相連接，管路之間設(shè)止回閥，使檢修氣罐成為制動(dòng)氣罐的備用氣源。選用2臺(tái)低壓螺桿式空壓機(jī)，設(shè)1個(gè)3 m3制動(dòng)儲(chǔ)氣罐、1個(gè)3 m3的檢修儲(chǔ)氣罐。

2.6 油系統(tǒng)

（1）透平油系統(tǒng)。本工程單臺(tái)機(jī)組透平油用量約18 m3，主要供給機(jī)組推力、下導(dǎo)、上導(dǎo)、水導(dǎo)軸承以及油裝置用油。

（2）絕緣油系統(tǒng)。由于天花板水電站交通較為方便，考慮暫不設(shè)絕緣油庫，但保留所有絕緣油所需設(shè)備。

2.7 水力監(jiān)測系統(tǒng)

水力監(jiān)測系統(tǒng)主要分為兩部分，全廠性測量和機(jī)組段測量。

（1）全廠性測量。本電站設(shè)置了上游水位、電站毛水頭、下游尾水位和攔污柵壓差的監(jiān)測。

（2）機(jī)組段量測包括：頂蓋壓力測量，尾水管進(jìn)口壓力測量，肘管進(jìn)口壓力測量，尾水管出口壓力測量，水輪機(jī)有效水頭，蝸殼進(jìn)口壓力測量，蝶閥前壓力測量，機(jī)組震動(dòng)和大軸擺度測量。

2.8 消防供水系統(tǒng)

（1）主要機(jī)電設(shè)備消防供水對象。消防供水系統(tǒng)主要供2臺(tái)發(fā)電機(jī)、2臺(tái)主變消防用水及廠內(nèi)外建筑消防用水，發(fā)電機(jī)消防和主變消防用水采用水噴霧滅火方式。

（2）消防水源。本電站在1 020 m高程3號(hào)施工支洞口設(shè)有370 m3消防水池。在引水隧洞放空后，尾水渠內(nèi)水體為電站可靠水源，故消防水池的補(bǔ)水必須從尾水渠取水，用水泵加壓后進(jìn)行補(bǔ)水。從水池引兩根DN250管路至主廠房消防供水總管，形成環(huán)路，分別供主廠房、副廠房建筑消火栓用水和發(fā)電機(jī)、主變壓器水噴霧滅火用水。

3 結(jié)語

天花板水電站屬中型水電站，其水輪機(jī)參數(shù)的選擇，結(jié)合了國內(nèi)現(xiàn)有成熟技術(shù)和機(jī)型進(jìn)行比較。天花板水電站首臺(tái)機(jī)組自2010年11月啟動(dòng)以來，運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)小、噪聲低；輔助系統(tǒng)運(yùn)行正常、可靠。 實(shí)踐證明，機(jī)組及輔助設(shè)備選擇是合理的。