淺析向家壩右岸地下電站主軸中心補氣系統(tǒng)

胡學龍，賴見令，唐啟堯，張吉嬌

（向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612)

1 概述

向家壩右岸地下電站安裝有4臺單機800 MW、目前世界上單機容量最大的水輪發(fā)電機組，由天津阿爾斯通（TAH）供貨。水輪機補氣采用主軸中心自然補氣的方式，同時在基礎(chǔ)環(huán)、底環(huán)、頂蓋各設(shè)有2、8、6個強迫補氣孔，在需要時可以進行強迫補氣。向家壩電站發(fā)電機層高程為274.74 m，主軸中心補氣的補氣閥安裝在發(fā)電機集電環(huán)室，高程為276.063 m，向家壩電站7～9月下游多年平均尾水位均在276 m以上，高于補氣閥的安裝高程。因此補氣閥及補氣管故障導(dǎo)致漏水，可能影響機組及電站的安全。

2 大軸中心補氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

TAH機組主軸中心孔補氣系統(tǒng)由外部進氣管道及消音器、排水管、補氣閥、浮球閥、中心補氣管、補氣管支撐等組成，如圖1。補氣閥為空氣緩沖、自潤滑結(jié)構(gòu)，補氣閥直徑650 mm；補氣管為插入式結(jié)構(gòu)，分5節(jié)組成，出口伸至轉(zhuǎn)輪泄水錐上部；為防止高尾水位時尾水從主軸中心補氣管大量溢出，保證機組安全運行，在補氣系統(tǒng)上設(shè)有緩沖式浮球盤型逆止閥（浮球閥），浮球閥過流面積與補氣管相匹配，并設(shè)有緩沖裝置防止浮球閥在運行過程中快速上下串動。

2.1 補氣閥結(jié)構(gòu)

圖1 TAH機組大軸中心補氣系統(tǒng)

補氣閥安裝于補氣管頂部，主要由閥座、閥盤、閥桿、彈簧和緩沖活塞等五部分組成。如圖2所示：閥座安裝在補氣管最上端，起到支撐作用，閥盤位于閥座下，通過螺母固定于閥桿的最下端。閥軸安裝在閥軸導(dǎo)向套內(nèi)，為防止工作環(huán)境對閥軸與導(dǎo)向套的磨損，導(dǎo)向套采用自潤滑防泥沙、防銹結(jié)構(gòu)設(shè)計。補氣閥彈簧安裝在閥座內(nèi)的彈簧護筒內(nèi)，通過安裝于閥軸上端的彈簧壓蓋螺母使彈簧具備一定的預(yù)緊力，在彈簧預(yù)緊力的作用下，通過閥桿將閥盤固定于閥座下面，閥盤與底座接觸面之間設(shè)置有密封裝置，以防止返水進入補氣閥上部。緩沖裝置位于補氣閥最上端，與閥座上的彈簧套筒一起構(gòu)成了空氣壓縮緩沖活塞缸，閥桿通過十字連接器與空氣壓縮緩沖活塞連在一起，進行上下隨動。由于閥軸和緩沖活塞之間采用了十字連接器，有效地解決了補氣閥安裝和長期運動時，由于閥桿與緩沖活塞同心度偏差過大，造成的緩沖活塞與活塞缸之間卡阻的問題，提高了設(shè)備的工作壽命和運行可靠性。

圖2 TAH機組補氣閥

2.2 浮球閥結(jié)構(gòu)

浮球閥也稱緩沖式浮球盤型逆止閥，如圖3所示，其結(jié)構(gòu)主要由浮球、浮球護罩、閥盤、閥桿、閥座、彈簧等6大部分組成。浮球閥固定于第一節(jié)補氣管內(nèi)法蘭上，浮球閥的浮球由螺帽固定于閥桿底部，浮球的上端安裝有緩沖彈簧，緩沖彈簧與閥盤接觸，閥桿安裝于閥軸內(nèi)，閥桿的上端安裝了平衡彈簧浮，平衡彈簧長期處于壓縮狀態(tài)。浮球隨著閥桿上升時，吸能彈簧被壓縮，閥盤在彈簧的作用下，向上運動，迅速關(guān)閉閥盤，防止返水繼續(xù)向上運動。當浮球失去浮力后，浮球在吸能彈簧的作用下，則隨著閥桿向下運動，平衡彈簧同時被緩慢壓縮，防止因浮球閥運動過快，損壞設(shè)備，當平衡彈簧和吸能彈簧彈力達到平衡時，浮球閥恢復(fù)到設(shè)計狀態(tài)，浮球的下部設(shè)計有浮球護罩，護罩四周安裝在閥盤圓周上，可有效地防止浮球脫落，同時阻止雜物進入護罩內(nèi)，影響到浮球的動作靈活性。

圖3 TAH機組浮球閥

3 存在的風險

由于大軸中心補氣的存在，將下游尾水與廠房連接在一起，中間只設(shè)補氣閥和浮球閥隔開，因此浮球閥、補氣閥以及補氣管各段之間的密封可靠性至關(guān)重要，是水電站的危險源之一。同時向家壩TAH機組大軸內(nèi)從上端軸至泄水錐為互通結(jié)構(gòu)，發(fā)電機上端軸內(nèi)布置有轉(zhuǎn)子正負極勵磁引線。當軸內(nèi)進水時，積水將可能直接進入發(fā)電機上端軸，造成發(fā)電機短路，向家壩電站汛期下游尾水位在發(fā)電機高程之上，該問題尤為突出。主要存在可能的風險：

（1）高尾水位運行時，補氣閥與浮球閥密封不好，補氣裝置轉(zhuǎn)動部件與固定部件密封失效，尾水從補氣裝置涌出，可能造成機組進水，甚至水淹廠房；

（2）機組甩負荷等情況時，因水錘作用，水從中心補氣管中上涌，補氣閥與浮球回關(guān)不及時，可能造成機組進水；

（3）補氣管分段密封損壞，導(dǎo)致大軸內(nèi)積水，可能導(dǎo)致發(fā)電機絕緣下降、轉(zhuǎn)子中心體進水；

（4）補氣管第一節(jié)脫落，導(dǎo)致江水大量返涌，可能導(dǎo)致發(fā)電機上端軸進水，導(dǎo)致機組事故停機甚至水淹廠房。

4 風險分析

4.1 高尾水位運行時，補氣閥與浮球閥發(fā)卡或密封差，補氣裝置轉(zhuǎn)動部件與固定部件密封失效，尾水從補氣裝置涌出，可能造成機組進水，甚至水淹廠房

向家壩右岸地下電站TAH機組的主軸中心補氣閥采用自關(guān)閉型式的補氣閥，補氣閥下方設(shè)計有浮球閥，補氣閥為常閉狀態(tài)，浮球閥為常開狀態(tài)。當尾水上涌時，浮球靠水的浮力與上部密封接觸，達到密封的效果，作為防止返水的第一道防線。浮球閥的密封結(jié)構(gòu)簡單，浮球為球體，可以任何角度與密封圈配合。因此只要浮球不發(fā)生變形，浮球閥都可以實現(xiàn)密封，浮球閥不能密封的可能性較小。

在補氣閥的正下方設(shè)置有漏水盆，漏水盆連接有1根φ325的排水管路引至廠房滲漏排水總管。用以排除當補氣閥與浮球閥不能關(guān)閉，或者密封不好時補氣管內(nèi)的返水。補氣閥外罩屬于固定部分，補氣閥屬于轉(zhuǎn)動部分，在二者之間設(shè)有接觸式密封和集水槽，可有效地防止機組返水進入機組內(nèi)部，造成機組短路，集水槽底部設(shè)置排水管。但是漏水箱內(nèi)未設(shè)置水位監(jiān)視開關(guān)，不能及時有效地監(jiān)視補氣管的返水。

二灘電站發(fā)生過因補氣閥卡阻而造成尾水返水的情況，主要原因是補氣閥的緩沖結(jié)構(gòu)不可靠，運行一段時間后閥桿變形而發(fā)生卡阻，補氣閥不能復(fù)位，二灘電站改造后的補氣閥運行穩(wěn)定。三峽左岸ALSTOM機組運行中發(fā)生多次補氣閥損壞，其原因就是補氣閥結(jié)構(gòu)不合理，采用油作為緩沖介質(zhì)，存在泄漏現(xiàn)象；同時緩沖閥同心度很難一致，造成補氣閥關(guān)閉緩慢。向家壩TAH機組的補氣閥緩沖結(jié)構(gòu)為空氣壓縮緩沖，與三峽ALSTOM補氣閥改造后使用的結(jié)構(gòu)類似，保證了補氣閥不會產(chǎn)生因緩沖介質(zhì)自身原因造成的補氣閥緩沖失效，同時解決了由于閥盤動作過快造成的閥盤變形、閥桿斷裂、補氣閥工作噪音過大和閥盤與閥座密封裝置工作壽命過短等問題，大大提高了設(shè)備的運行可靠性。實際應(yīng)用表明比較可靠，該結(jié)構(gòu)在國內(nèi)其他電站的應(yīng)用也比較成功，因此補氣閥發(fā)生卡阻不能關(guān)閉的可能性不大。

綜上所述，使用成熟結(jié)構(gòu)的補氣閥和加裝浮球閥后，向家壩右岸地下電站因補氣裝置失效而機組進水、水淹廠房的的可能性較小。但是不能及時直接地監(jiān)視補氣管返水，需要從滲漏集水井水位或消音器的返水來分析補氣管的返水情況。

4.2 機組甩負荷等情況時，因水錘作用，水從中心補氣管中上涌，補氣閥與浮球閥回關(guān)不及時，可能造成機組進水

向家壩右岸地下電站補氣閥結(jié)構(gòu)為常閉，在尾水管真空度為-0.01 MPa時才打開進行補氣。在甩負荷等特殊工況下，補氣閥打開補氣降低尾水管內(nèi)的真空度；出現(xiàn)返水錘時尾水管內(nèi)壓力會上升，補氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，不會導(dǎo)致補氣管返水。即使補氣閥卡阻，浮球閥也可以實現(xiàn)密封，因此，因水錘返水的可能性也較小。

綜上所述，在甩負荷等特殊工況下，水從中心補氣管中涌出的可能較小。

4.3 補氣管分段密封損壞，導(dǎo)致大軸內(nèi)積水，可能導(dǎo)致發(fā)電機絕緣下降、轉(zhuǎn)子中心體進水

向家壩TAH機組主軸中心的補氣管為5節(jié)連接而成，各節(jié)之間設(shè)有密封，其密封結(jié)構(gòu)布置如表1所示。由于補氣管布置于大軸內(nèi)部，在機組運行時，補氣管隨機組做圓周運動，為了防止補氣管在圓周方向上因擺度過大做成，設(shè)備損壞，在大軸內(nèi)部設(shè)置了三道帶孔結(jié)構(gòu)的支撐面，由上而下分別安裝在轉(zhuǎn)子、發(fā)電機大軸和水輪機大軸的下法蘭面上。為了防止補氣管與支撐法蘭之間發(fā)生鋼性碰撞，在支撐法蘭內(nèi)側(cè)設(shè)置有彈性導(dǎo)向套。

表1 TAH機組補氣管密封結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)以往運行經(jīng)驗，補氣管分段之間的密封，采用端面密封較為可靠，而立面密封在轉(zhuǎn)動部件中可能會產(chǎn)生相對運動，因此可靠性相對差些。并且如果此處發(fā)生漏水，水漏至補氣管與大軸之間，積水能直接上至發(fā)電機上端軸內(nèi)，很可能導(dǎo)致發(fā)電機事故停機。向家壩TAH機組轉(zhuǎn)輪上冠與水輪機軸聯(lián)接法蘭面采用的立面密封由兩道“O”型橡膠圈組成，以提高其可靠性。并在補氣管安裝時對該立面密封結(jié)構(gòu)做耐壓密封試驗（水壓0.5 MPa，時間30 min），保證該裝置的可靠性。雖然可在轉(zhuǎn)子中心體進人孔處安裝密封門以防止在極端情況下積水上升至轉(zhuǎn)子中心體時從進人孔溢出，但由于軸內(nèi)從上端軸至泄水錐為互通結(jié)構(gòu)，如果軸內(nèi)進水，很可能直接上升至發(fā)電機上端軸，導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)子短路。三峽左岸11F曾經(jīng)出現(xiàn)過補氣管末端密封處滲水，導(dǎo)致發(fā)電機大軸底部及轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)有大量的積水，致轉(zhuǎn)子絕緣下降。

為了能夠及時發(fā)現(xiàn)主軸內(nèi)部積水，TAH機組在水車室內(nèi)水導(dǎo)上油槽蓋板上方水輪機軸上設(shè)置有排水孔，當發(fā)現(xiàn)該孔漏水時，應(yīng)及時安排停機檢查，以避免強迫停機或水淹廠房等事故發(fā)生。綜上所述，向家壩右岸地下電站TAH機組補氣管密封設(shè)計較可靠，在轉(zhuǎn)子中心體進入孔可設(shè)密封門，水輪機軸上設(shè)計有排水孔可以及時發(fā)現(xiàn)大軸內(nèi)進水。但是由于大軸內(nèi)沒有設(shè)置密封隔離板，如果大軸與補氣管間進水，積水將直接涌至上端軸，導(dǎo)致機組事故停機，甚至水淹廠房。

4.4 補氣管第一節(jié)松動或脫落，使江水返涌，可能導(dǎo)致發(fā)電機上端軸進水，導(dǎo)致機組事故停機甚至水淹廠房

如圖4，補氣管的第一節(jié)喇叭口通過24個M20的螺栓固定于泄水錐上部，且連接面設(shè)有“O”型密封圈。由于連接面位于轉(zhuǎn)輪室內(nèi)，受水流流態(tài)影響運行工況復(fù)雜，對該斷面聯(lián)接強度要求較高。如果此處連接強度不夠或螺栓疲勞損壞很可能導(dǎo)致該節(jié)補氣管松動甚至撕裂脫落，使江水返涌至大軸與補氣管間，此時江水快速涌至發(fā)電機上端軸，造成事故停機或水淹廠房等事故。

圖4 TAH機組補氣管首節(jié)與泄水錐連接面結(jié)

5 總結(jié)

向家壩右岸地下的主軸中心補氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計較合理，補氣閥、浮球閥均選用成功應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。但大軸自然補氣系統(tǒng)布置于大軸內(nèi)部，出現(xiàn)的故障較為隱蔽，無相關(guān)有效的自動裝置監(jiān)視其運行工況及補氣管返水情況。并且大軸補氣裝置故障或大軸內(nèi)進水后果比較嚴重，特別是在高尾水位運行時。為保證其性能長期可靠，筆者認為可以采取以下幾個預(yù)控措施：

（1）在機組安裝階段，做好密封安裝質(zhì)量控制，盡可能減小立面密封的兩段補氣管的不同心，且對立面密封進行耐壓密封試驗，保證密封可靠；嚴格控制補氣管第一節(jié)與泄水錐連接面的安裝質(zhì)量與連接螺栓的設(shè)備質(zhì)量，確保其有足夠的強度應(yīng)對惡劣工況。

（2）加強對水輪機軸排水孔的檢查，及時發(fā)現(xiàn)大軸內(nèi)積水，及時安排檢查處理，避免大軸內(nèi)的水位繼續(xù)上升導(dǎo)致事故；

（3）加強對進風夾層內(nèi)消音器的檢查，發(fā)現(xiàn)消音器返水時，并且廠房滲漏集水井水位上升加快，可能是補氣閥與浮球閥發(fā)卡或密封損壞，應(yīng)及時安排檢查處理。

（4）機組檢修維護時，檢查補氣閥，浮球閥的設(shè)備情況，及時處理設(shè)備缺陷，保證補氣裝置的穩(wěn)定可靠，制定合適的密封檢查周期，定期檢查密封，確保密封的可靠。

（5）為避免大軸內(nèi)進水時，返水涌至上端軸導(dǎo)致發(fā)電機事故停機，在轉(zhuǎn)子中心體進人孔加裝密封門的同時，在發(fā)電機與上端軸聯(lián)接面安裝密封隔離板，使返水無法上涌至上端軸。

[1]姜德政.三峽ALSTOM水輪發(fā)電機組大軸補氣閥的改進[J].水電與新能源，2010(2):38-39.

[2]唐 敏，張紅偉，吳勵鳴.向家壩800 MW水輪機主軸中心孔補氣系統(tǒng)設(shè)計簡介[J].水電站機電技術(shù)，2011(6),6-8.