單級單吸混流式水泵水輪機幾個設(shè)計問題的探討

宮讓勤，戴 然

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單級單吸混流式水泵水輪機幾個設(shè)計問題的探討

宮讓勤1,2，戴 然1,2

（1. 哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；2. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱150040；）

本文根據(jù)作者近十幾年參加抽水蓄能機組的前期方案論證、投標文件的編制、機組的設(shè)計、制造、現(xiàn)場調(diào)試的經(jīng)驗，提出了對額定水頭選取、駝峰區(qū)余量、導(dǎo)葉漏水量、導(dǎo)葉端面間隙、取消調(diào)相壓水系統(tǒng)消水環(huán)排水管、主軸檢修密封、輸入調(diào)速器的水頭或揚程信號等問題的看法。

水泵水輪機；性能參數(shù)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；

0 引言

國內(nèi)大中型抽水蓄能機組水泵水輪機和電動發(fā)電機技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了第一階段的十三陵抽水蓄能電站機組的分包生產(chǎn)模式，第二階段的從國外引進水泵水輪機水力設(shè)計推力軸承等關(guān)鍵技術(shù)自行設(shè)計制造抽水蓄能機組模式，第三階段以市場換技術(shù)的抽水蓄能機組打捆招標的模式，第四階段的以國內(nèi)主機制造廠作為主包商制造，國外制造廠作為技術(shù)責(zé)任方的模式。通過前四個階段的實施，特別是第三階段比較全面的技術(shù)引進，為第五階段的國內(nèi)主機制造廠自主設(shè)計、自主制造的模式實現(xiàn)奠定了良好的基礎(chǔ)。通過近十幾年參加抽水蓄能機組的前期方案論證、投標文件的編制、機組的設(shè)計、制造、現(xiàn)場調(diào)試，提出以下幾個問題與同行一起探討，以提高水泵水輪機設(shè)計技術(shù)。

1 需探討的問題

1.1 額定水頭的選取

水輪機工況額定水頭直接關(guān)系到水泵水輪機容量、機組尺寸和電站運行的穩(wěn)定性。通常，額定水頭越高，水輪機工況的運行范圍就會越靠近最優(yōu)效率區(qū)，越有利于水泵水輪機組參數(shù)的優(yōu)化和運行穩(wěn)定性的提高。有資料表明，國外抽水蓄能電站最大水頭一般小于等于1.1倍額定水頭。較低的額定水頭，達到額定出力時要求轉(zhuǎn)輪直徑就要大些；同時隨著額定水頭的降低，水輪機運行區(qū)將向高單位轉(zhuǎn)速偏移，即偏離水輪機工況最優(yōu)點更遠，水輪機壓力脈動值可能要更大些；同時，最小運行水頭偏離最優(yōu)點越遠，距離“S”不穩(wěn)定運行區(qū)就越近，水輪機工況空載起動穩(wěn)定性保證的難度也將增大。水輪機額定水頭的選定受電站的運行條件和電網(wǎng)系統(tǒng)對水泵水輪機組運行參數(shù)要求等因素的限制很大。就水力設(shè)計而言，合理的水輪機額定水頭將有利于開發(fā)“S”優(yōu)良，穩(wěn)定性好的水泵水輪機。建議水輪機工況額定水頭盡可能地選取為大于0.000184×max+0.8835倍最大水頭，額定點單位流量與最優(yōu)點單位流量的比值不應(yīng)大于1.4。如額定水頭靠近最小水頭，在額定負荷運行時機組的振動和噪聲較大，不利于電站的安全穩(wěn)定運行。

1.2 駝峰區(qū)余量

在水泵水輪機水泵工況-特性曲中，在一定的較小流量區(qū)域，揚程隨著流量的減小而急劇下降，然后又逐漸上升，此區(qū)域即為水泵水輪機的駝峰區(qū)。駝峰區(qū)是泵及水泵水輪機的固有特性之一。

水泵水輪機的招標書中通常有這樣的要求：“在最大揚程，正常運行最小頻率范圍內(nèi)，H/Q對應(yīng)的點與駝峰區(qū)的開始點之間的裕度（簡稱駝峰區(qū)安全裕度）不小于最大揚程的2%~3%”。這樣要求的目的是水泵工況起動時，導(dǎo)葉逐漸開啟過程中，水泵的抽水量從零增加到最小協(xié)聯(lián)開度對應(yīng)的流量過程中，在最大毛揚程經(jīng)過駝峰區(qū)時，揚程仍有一定的余量。然而機組在水泵工況起動導(dǎo)葉開度逐漸增大，在駝峰區(qū)的開始點時，導(dǎo)葉的開度小于最小協(xié)聯(lián)開度，駝峰區(qū)安全裕度遠大于2%，從這個意義上來講，這樣的駝峰區(qū)安全裕度要求沒有直接意義。

日本公司對于水泵水輪機在最大揚程運行時揚程安全裕度的取法與我國不同，取運行范圍內(nèi)的最小協(xié)聯(lián)開度下水泵二次回流從大流量到小流量的開始點對應(yīng)的水泵水輪機最高揚程與水泵水輪機運行在正常的電網(wǎng)頻率范圍內(nèi)電站最高揚程之間的差值與電站最高揚程之比，該比值一般要求大于4%。

機組在起動過程中，尾水管進口和蝸殼出口有較大的壓力脈動，某百米水頭的水泵水輪機在水泵工況運行時，蝸殼進口與尾水管出口的壓差的壓力脈動雙幅值為6%，大量的模型試驗和電站實測表明，隨著水頭的增加，壓力脈動降低。對從百米水頭到600m水頭的水泵水輪機取其幅值的一半3%，再考慮1%的安全余量，比值取4%是比較合理的。對于單機單管引水系統(tǒng)的機組，該值可適當減小，對于一管四機引水系統(tǒng)的機組，該值可適當增大；對于低水頭機組，該值可適當增大，對于高水頭機組，該值可適當減小。建議在新電站的模型驗收試驗時，按該比值判斷機組在水泵工況高水頭運行時揚程的安全余量，兼顧考慮駝峰區(qū)安全裕度，在滿足該值時，駝峰區(qū)安全裕度可適當降低。

1.3 導(dǎo)葉漏水量

混流式水泵水輪機基本技術(shù)條件規(guī)定，在額定水頭下，當導(dǎo)水機構(gòu)設(shè)有端面密封時，導(dǎo)葉漏水量不應(yīng)大于水泵水輪機額定流量的3‰；當導(dǎo)水機構(gòu)不設(shè)端面密封時，導(dǎo)葉漏水量保證值由供需雙方商定?，F(xiàn)在的招標文件中一般均要求導(dǎo)葉漏水量不應(yīng)大于水泵水輪機額定流量的3‰。由于采用了新的調(diào)相壓水系統(tǒng)，為減小水泵造壓時的水環(huán)厚度，水環(huán)的水需通過導(dǎo)葉端面間隙甩入到蝸殼中，再通過平壓管流入尾水。另一方面由于抽水蓄能電站一般情況下水頭較高，如導(dǎo)水機構(gòu)端面密封結(jié)構(gòu)不合理，端面密封很容易被水沖走，現(xiàn)在設(shè)計的抽水蓄能機組一般導(dǎo)水機構(gòu)不設(shè)置端面密封，導(dǎo)葉漏水量不應(yīng)按設(shè)置有端面密封的3‰要求。建議在導(dǎo)水機構(gòu)不設(shè)端面密封時，導(dǎo)葉漏水量保證值按5‰要求或不作考核。抽水蓄能機組與常規(guī)的混流式機組不同，關(guān)機即關(guān)閉球閥，適當放大導(dǎo)葉漏水量對電站的經(jīng)濟和安全運行沒有影響。

1.4 導(dǎo)葉端面間隙和導(dǎo)葉下軸徑的排水

大中型抽水蓄能機組導(dǎo)葉端面總間隙一般為0.2~0.6mm，大尺寸低水頭機組取大值，小尺寸高水頭機組取小值。近幾年運行和正在調(diào)試的機組出現(xiàn)了導(dǎo)葉上端面抗磨板劃傷的情況，主要原因是安裝時導(dǎo)葉上下端面間隙匹配不合理；制造完成后導(dǎo)葉上下端面間隙偏??；導(dǎo)葉止推壓板設(shè)計剛度不足；導(dǎo)葉下軸徑的減壓排水排到尾水管，在機組過渡工況時，尾水管的壓力在很短的時間內(nèi)變化約40~50m，圖1為某電站在水輪機工況甩100%負荷時，在5s之內(nèi)，尾水管的壓力從1.0bar快速上升到6.6bar，由于導(dǎo)葉下軸徑的排水排到尾水管，單個導(dǎo)葉將承受41kN的向上水推力，該力遠大于單個導(dǎo)葉的重量，如導(dǎo)葉止推壓板設(shè)計的剛度不足，導(dǎo)葉上端面將與導(dǎo)葉上抗磨板相撞，導(dǎo)葉上抗磨板出現(xiàn)劃傷。

圖1 機組甩負荷時尾水進口壓力變化曲線

如導(dǎo)葉下軸徑的減壓排水排到滲漏集水井，可避免在過渡工況導(dǎo)葉下軸徑端面產(chǎn)生較大的上抬力，不會引起導(dǎo)葉上端面與導(dǎo)葉上抗磨板相撞。但在導(dǎo)葉下軸徑的密封失效時，導(dǎo)葉下軸徑端面的壓力較高，排到漏集水井的水量成倍地增加，排水泵起動頻繁，增加了水淹廠房的危險。建議在設(shè)計時選取合理的導(dǎo)葉端面總間隙，在安裝時取導(dǎo)葉上端面的間隙為2倍的下端面間隙，采用可靠的止推壓板結(jié)構(gòu)形式，避免過渡工況導(dǎo)葉上端面與導(dǎo)葉上抗磨板相撞事件的發(fā)生。

1.5 取消調(diào)相壓水系統(tǒng)消水環(huán)排水管

我公司早期設(shè)計生產(chǎn)的白山機組設(shè)有從進水閥前到閥后導(dǎo)葉前的經(jīng)減壓閥減壓的補水管，回龍機組設(shè)有從尾水管到閥后導(dǎo)葉前的經(jīng)水泵加壓的補水管，其作用是向蝸殼內(nèi)補入壓力水，在充氣壓水或調(diào)相運行時轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)，為防止蝸殼內(nèi)水壓低于轉(zhuǎn)輪腔內(nèi)的氣壓，避免由此引起的氣體進入蝸殼內(nèi)引起泵起動時產(chǎn)生有害的振動。由于補水的作用使蝸殼的水壓高于導(dǎo)葉后的水壓0.02~0.07MPa，導(dǎo)葉漏水量增加，水環(huán)較厚，水泵起動時阻力矩增大，所需的變頻器容量需相應(yīng)增大。日立公司對Okutataragi電站水泵水輪機在空氣中旋轉(zhuǎn)時的損耗進行了實測，在蝸殼水壓與導(dǎo)葉后水壓相等時，水泵水輪機在空氣中旋轉(zhuǎn)時的損耗約為3.5MW，在蝸殼水壓比導(dǎo)葉后水壓高0.07MPa時，該損耗約為8.8MW，可見水環(huán)的厚度對水泵起動時阻力矩影響最大。

在抽水蓄能技術(shù)引進后，采用了改進的調(diào)相壓水系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了從尾水管補水的方式，取消了消水環(huán)排水管，從而簡化了操作控制流程。由于使蝸殼的水壓與導(dǎo)葉后的水壓相等，導(dǎo)葉漏水量小，水環(huán)的水主要由止漏環(huán)的潤滑水提供，水環(huán)相對較薄，水泵起動時阻力矩小，所需的變頻器容量小。調(diào)相壓水系統(tǒng)的改進，有助于降低水泵水輪機在空氣中旋轉(zhuǎn)時的損耗，降低變頻器容量?，F(xiàn)結(jié)段的設(shè)計雖然采用了從尾水管補水的方式，但預(yù)埋了消水環(huán)排水管，從200m水頭段到550m水頭段水泵水輪機的運行結(jié)果表明，預(yù)埋的消水環(huán)排水管如果不從尾水管中封堵，在機組起動時常常會產(chǎn)生較大的噪音。由于該項技術(shù)比較成熟，在今后新機組的設(shè)計中可以取消預(yù)埋的消水環(huán)排水管。

1.6 取消主軸檢修密封

抽水蓄能機組由于尾水位較高，主軸檢修密封的空氣圍帶一般需承受1.0MPa~1.4MPa的氣壓，空氣圍帶一般為橡膠制品，常出現(xiàn)接頭漏氣或空氣圍帶不能正常投退，使機組不能正常開機。主軸檢修密封的作用有兩個，其一為在機組停機時，投入檢修密封，使工作密封退出，延長工作密封的壽命；其二為在檢修工作密封時，投入檢修密封，可以不用排出蝸殼和尾水管的水，縮短檢修時間。中高水頭的抽水蓄能機組由于尾水位較高，在檢修工作密封時，如不排空蝸殼和尾水管的水，存在水淹廠房和檢修人員發(fā)生傷害的危險，不宜采用。抽水蓄能機組由于蝸殼和尾水管體積較小，檢修時排空蝸殼和尾水管中的水約需2~4h，所用時間不長，為安全起見，一般檢修工作密封均排空蝸殼和尾水管中的水，對于抽水蓄能電站主軸檢修密封的第二個作用基本不用。在機組停機時，對于初期運行的電站和水中有泥沙的電站，可保持主軸工作密封一直投入，主軸工作密封的潤滑冷卻水可采用引自上游壓力鋼管的備用水源供水。對于清水電站可關(guān)閉主軸工作密封供水，主軸密封的漏水通過自流排水排到滲漏集水井。建議對于水頭大于300m的抽水蓄能電站，取消主軸檢修密封。近年來南網(wǎng)的抽水蓄能電站均不設(shè)主軸檢修密封。

1.7 輸入調(diào)速器的水頭或揚程信號

抽水蓄能機組，由于“S”區(qū)的影響和起動過程中壓力脈動較大，如采用蝸殼進口和尾水管出口的壓差經(jīng)轉(zhuǎn)換輸入給調(diào)速器，造成機組水輪機工況空載并網(wǎng)困難。在水泵工況運行時，由于協(xié)聯(lián)的作用，導(dǎo)葉開度在不斷地變化，從而引起輸入功率不斷變化。建議用上下游水位經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸入給調(diào)速作為水頭或揚程信號，由于上下游水位為通信信號，發(fā)生故障的概率較大，采用兩路上下游水位為信號互為備用。在該信號故障時，用經(jīng)濾波后一定時段的蝸殼進口壓力和尾水管出口壓力的壓差均值作為備用水頭信號。

1.8 推力軸承瓦溫與電動發(fā)電機效率

近年來投入的抽水蓄能機組，由于采用了引進的技術(shù)，為提高發(fā)電電動機的效率，推力軸承較小，抽水蓄能機組工況轉(zhuǎn)換頻繁，在過渡工況水推力可達到正常運行工況的2~3倍，推力軸承設(shè)計是按正常工況進行設(shè)計，按過渡工況進行校核。按引進的技術(shù)設(shè)計的250~300MW的機組一般情況下正常工況下水推力不大于3000kN，過渡工況不大于6000kN。日本公司的設(shè)計在同等水泵水輪機，正常工況下水推力為4000~5000kN，過渡工況為8000~10000kN左右。推力軸承負荷略有增大，電站運行的推力軸承瓦溫一般小于75°。建議在今后推力軸承的設(shè)計中，略為加大推力軸承的尺寸，適當犧牲發(fā)電電動機的效率，降低推力軸承瓦溫，減少推力軸承燒瓦事故的發(fā)生。

2 結(jié)論

水泵水輪機技術(shù)近年來得到快速發(fā)展，特別是自主研發(fā)技術(shù)的不斷成熟，豐富了我們對許多技術(shù)問題的認識，在設(shè)計實踐過程中，不斷總結(jié)和梳理這些認識，逐步形成合理的設(shè)計輸入。

[1] 水泵水輪機最高揚程駝峰區(qū)安全裕度選取的建議[J], 大電機技術(shù), 2006,(4).

[2] 陸佑楣, 潘家錚. 抽水蓄能電站[M].中國水力電力出版社, 1992.

[3] 宮讓勤. 單級單吸混流式水泵水輪機啟動用變頻器容量的選擇[M], 中國水力電力出版社, 2011.

Design Issue of Single-stage and Single-suction Francis Pump-turbine

GONG Rangqin1,2, DAI Ran1,2

(1. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China; 2. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China)

According to experience from preliminary proposal study, bidding documents, pump-turbine design, manufacturing, debug at site, the author gives opinion about pump-turbine design, such as select of rated head, margin of hump zone, wicket gate leakage, wicket gate end clearance, drain pipe for condensing operation, main shaft sealing, water head input for governor.

pump-turbine; performance parameter; structure optimization

TK730

A

1000-3983(2014)01-0045-03

2013-04-20

宮讓勤（1963-），1984年畢業(yè)于西安理工大學(xué)，現(xiàn)從事于水輪機設(shè)計工作，高級工程師。

審稿人：趙越