大型貫流機(jī)組存在主要問(wèn)題的探討

羅 煜

（新疆有色金屬工業(yè)（集團(tuán)）稀有有限金屬責(zé)任公司富蘊(yùn)836300）

大型貫流機(jī)組存在主要問(wèn)題的探討

羅 煜

（新疆有色金屬工業(yè)（集團(tuán)）稀有有限金屬責(zé)任公司富蘊(yùn)836300）

目前我國(guó)低水頭徑流式水電站建設(shè)之勢(shì)方興未艾，貫流式機(jī)組以其優(yōu)良的水力特性和顯著的經(jīng)濟(jì)效益倍受到廣大水電開(kāi)發(fā)者的青睞。但是由于該機(jī)組發(fā)展的時(shí)間較短，在設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行各方面或多或少存在一些問(wèn)題，影響了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。本文對(duì)設(shè)計(jì)或考察過(guò)的貫流式水輪機(jī)運(yùn)存在的問(wèn)題進(jìn)行探討，希望能夠?qū)ω灹鳈C(jī)組的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供有益的參考。

貫流機(jī)組問(wèn)題

1 引言

目前，國(guó)內(nèi)外已投運(yùn)的燈泡貫流機(jī)組幾千臺(tái)套，在國(guó)內(nèi)，燈泡機(jī)組雖然起步較晚，但經(jīng)過(guò)二十多年的努力，亦有了一定的規(guī)模和水平，已建和在建的電站超過(guò)30個(gè)，作為大型貫流機(jī)組，應(yīng)該說(shuō)國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)、制造、安裝已經(jīng)達(dá)到一定的水平。貫流電站在國(guó)內(nèi)雖然發(fā)展速度很快，但在建設(shè)中為了追求工期和業(yè)績(jī)，缺少必要的歸納總結(jié)和設(shè)計(jì)優(yōu)化，在運(yùn)行中或多或少存在一些問(wèn)題，有的是由于設(shè)計(jì)選型造成的、有的是制造工藝方面的問(wèn)題、有的則是由于安裝質(zhì)量造成的，究其原因，大多是由于近年來(lái)水電站開(kāi)發(fā)速度較快，針對(duì)貫流機(jī)組的設(shè)計(jì)制造安裝各方面技術(shù)都缺少總結(jié)，重視不足，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題往往缺乏交流，以致于一些業(yè)主在調(diào)研一些電站后設(shè)計(jì)選型改變貫流機(jī)組的設(shè)計(jì)方案，一些運(yùn)行人員往往反映貫流機(jī)組運(yùn)行存在問(wèn)題，檢修相對(duì)困難，但是瑕不掩瑜。

2 存在的問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)貫流機(jī)組電站的運(yùn)行的確存在一些問(wèn)題，比如機(jī)組出力不足、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架斷裂、輪轂漏油、槳葉操作連接螺栓斷裂、主軸密封磨損嚴(yán)重、轉(zhuǎn)輪室漏水、重錘重量偏輕、定轉(zhuǎn)子掃膛等等，有的問(wèn)題在一個(gè)電站中發(fā)生，在另外的電站接連重復(fù)發(fā)生，有的問(wèn)題雖經(jīng)處理，但依然不能從根本上解決問(wèn)題，雖然一些問(wèn)題尚沒(méi)有嚴(yán)重到事故停機(jī)，但嚴(yán)重的威脅到機(jī)組的安全運(yùn)行，本文將收集到的一些共性問(wèn)題進(jìn)行剖析，希望有助于這些問(wèn)題的解決。

2.1 機(jī)組的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)

大多數(shù)的大型燈泡貫流機(jī)組采用單支點(diǎn)雙懸臂結(jié)構(gòu)，僅依靠管形座的固定導(dǎo)葉及發(fā)電機(jī)部分的輔助支臂支承固定在流道外壁的混凝土基礎(chǔ)中，燈泡體承受著靜水壓力，水錘、水流脈動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、沖擊、水的正反向瞬間增大的推力等動(dòng)水壓力，本體自重以及發(fā)電機(jī)在不同工況下的扭矩、熱應(yīng)力等多種負(fù)荷。受力比較復(fù)雜，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)投運(yùn)的大型貫流機(jī)組，如凌津?yàn)?、飛來(lái)峽、青居、尼那等電站先后出現(xiàn)了阻尼線圈斷裂、管形座變形、轉(zhuǎn)子支臂開(kāi)裂、發(fā)電機(jī)氣隙嚴(yán)重超標(biāo)等問(wèn)題，各種因素嚴(yán)重地影響了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，究其原因或多或少與結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度的設(shè)計(jì)有一定的關(guān)系，現(xiàn)在各個(gè)廠家雖然一般都進(jìn)行了剛強(qiáng)度計(jì)算，但各家對(duì)于剛強(qiáng)度的校核準(zhǔn)則不盡相同，加上對(duì)機(jī)組的振動(dòng)擺度的評(píng)估國(guó)家尚缺乏統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，所以盡管設(shè)計(jì)院在機(jī)組招標(biāo)文件中對(duì)主要部件的剛強(qiáng)度有一定的要求，但由于各個(gè)廠家所采用材料的不同，有限元計(jì)算建模邊界條件的差異，制造工藝水平的差異，導(dǎo)致考核的標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。

機(jī)組整體的剛強(qiáng)度分析不但包含CFD的靜、動(dòng)應(yīng)力分析，還應(yīng)包含軸系的動(dòng)力特性分析以及振動(dòng)頻率的相關(guān)計(jì)算，另外對(duì)支撐機(jī)組的管形座的應(yīng)力計(jì)算要考慮機(jī)組振動(dòng)的影響，還要在設(shè)計(jì)上考慮混凝土澆筑的設(shè)計(jì)變形，一些主要結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)措施要考慮現(xiàn)場(chǎng)的安裝手段和工藝水平，有些制造商要求的公差在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法達(dá)到，所以在后續(xù)的安裝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生許多糾紛，對(duì)設(shè)備的整體質(zhì)量產(chǎn)生影響。對(duì)于貫流機(jī)組而言，氣蝕影響不大，除非是泥沙較大的地區(qū)，但是由于貫流機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，對(duì)于支撐燈泡的從近年來(lái)國(guó)內(nèi)大型貫流機(jī)組的運(yùn)行情況來(lái)看，許多電站都存在一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題而導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生故障。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要特別注意結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、應(yīng)力、剛度、電機(jī)溫度變化及派生等引起的變形、穩(wěn)定及振動(dòng)的固有頻率計(jì)算。在機(jī)組標(biāo)書中我們要求，制造廠家在機(jī)組正常運(yùn)行工況下，對(duì)關(guān)鍵的部位和賣方認(rèn)為需要的任何部件，可采用較低的工作應(yīng)力，重要部件的最大應(yīng)力值不大于材料屈服強(qiáng)度的1/3，最大應(yīng)力值不宜超過(guò)110MPa，應(yīng)力變形的絕對(duì)位移不大于2mm，在飛逸工況下可以適當(dāng)放寬。

2.2 槳葉操作系統(tǒng)漏油

對(duì)于貫流機(jī)組而言，槳葉操作系統(tǒng)漏油大多產(chǎn)生在兩個(gè)部位，一個(gè)是輪轂體上下腔的竄油，導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)丟油；另一個(gè)是槳葉操作油管路漏油。這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)的油泵頻繁啟動(dòng)，引發(fā)其他故障產(chǎn)生。

槳葉的調(diào)節(jié)依靠調(diào)速的系統(tǒng)的壓力油管利用大軸的中空結(jié)構(gòu)操作，大多數(shù)大型貫流機(jī)組的油壓為6.3MPa中壓油系統(tǒng)，由于油管較長(zhǎng)且要隨大軸旋轉(zhuǎn)和操作槳葉前后運(yùn)動(dòng)，這樣對(duì)油管接口密封的結(jié)構(gòu)提出了很高要求。

2.3 主軸密封設(shè)計(jì)

燈泡貫流機(jī)組主軸密封是經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題的地方之一，主軸密封形式多種多樣，主要有梳齒密封、盤根密封、多道V型密封、多道L型密封、端面+盤根密封等多種形式。國(guó)內(nèi)已運(yùn)行的大部分貫流機(jī)組主軸密封均有不同程度的漏水，甚至部分電站的主軸密封在汛期根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)密封水的作用，曾多次導(dǎo)致停機(jī)。故在選擇主軸密封的形式中首先應(yīng)對(duì)燈泡貫流機(jī)組主軸密封常用的型式有所了解，并應(yīng)積極收集各已建電站在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中的情況，選擇應(yīng)用較為成熟的設(shè)計(jì)型式；其次，對(duì)于密封材料的選擇也非常重要，例如：可采用進(jìn)口的聚四氟乙烯材料作為盤根密封，端面或密封材料可采用進(jìn)口的高分子材料，如塞斯德?tīng)?、塞龍等?/p>

2.4 潤(rùn)滑油系統(tǒng)管路

貫流機(jī)組受油器竄油問(wèn)題在很多電站均不同程度的體現(xiàn)。一些水電站整個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)分為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，即軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)由軸承高位油箱、輪轂高位油箱、低位油箱以及高低位油箱之間的各種管路和自動(dòng)化元件組成；調(diào)速系統(tǒng)由回油箱、漏油箱以及其間的各種管路和自動(dòng)化元件組成。就從主機(jī)廠的原設(shè)計(jì)來(lái)講，輪轂高位油箱的油壓用于轉(zhuǎn)輪輪轂內(nèi)增壓擋水，壓力一般不會(huì)泄壓，所以可認(rèn)為輪轂高位油箱無(wú)需補(bǔ)油。調(diào)速器漏油箱用來(lái)接從受油器漏出的油，按照原理上來(lái)說(shuō)，僅有少量油會(huì)漏出，等油位到達(dá)一定程度，便直接油泵打至回油箱中。所以，在普通燈泡貫流機(jī)組設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員對(duì)此應(yīng)引起足夠的注意，建議將輪轂高位油箱和調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)一為一個(gè)系統(tǒng)，漏油箱的油可直接打至輪轂油箱，而輪轂油箱可接溢油管至回油箱。針對(duì)貫流機(jī)組結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，潤(rùn)滑油泵對(duì)于機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行是非常重要的，通常在低位油箱上設(shè)置有2臺(tái)油泵，單臺(tái)油泵的容量應(yīng)能滿足各部軸承的潤(rùn)滑需要，以保證各部軸承瓦溫在允許的范圍之內(nèi)，一臺(tái)為主用，一臺(tái)為備用。容量的選擇計(jì)算書，以復(fù)核其是否能滿足運(yùn)行要求。

2.5 燈泡機(jī)組的漏水問(wèn)題

在目前運(yùn)行的很多大中型燈泡貫流機(jī)組在很多地方存在漏水現(xiàn)象，尤其是底部操作廊道漏水，其主要的漏水源有：（1）水工結(jié)構(gòu)影響，即帷幕灌漿質(zhì)量或混凝土永久縫的澆注質(zhì)量?？刹扇「鞣N灌漿、化學(xué)、樹(shù)脂、水力等方式進(jìn)行處理；（2）導(dǎo)葉軸套漏水。在比較早的導(dǎo)葉軸套設(shè)計(jì)中采用“O”型密封圈，而與密封圈相配合的“O”型槽設(shè)計(jì)較淺，在安裝公司的安裝過(guò)程中很容易將密封圈擠至槽外，而引起軸套的漏水，解決這種漏水的方法主要是加深“O”槽深度，另外在密封圈材質(zhì)的選用上亦應(yīng)采用不易磨損，不易斷裂的材料；（3）在轉(zhuǎn)輪室與基礎(chǔ)環(huán)連結(jié)的法蘭面處也存在大量漏水的現(xiàn)象。其原因主要是安裝質(zhì)量問(wèn)題，即沿法蘭面圓周的螺栓未全部上緊或局部斷裂，故在機(jī)組發(fā)電前應(yīng)嚴(yán)格檢查螺栓的松緊程度，必要時(shí)在機(jī)組招標(biāo)文件中可要求采用高強(qiáng)螺栓；（4）流道檢修閥漏水。鑒于貫流機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及廠房布置特點(diǎn)，水輪機(jī)流道排水閥一般均布置在底部操作廊道，該廊道地處底部，容易受潮，且閥門布置空間小，容易出現(xiàn)閥上不緊等缺陷，故在設(shè)計(jì)中一方面在選擇閥門時(shí)應(yīng)充分考慮此處工作環(huán)境，選擇較好的閥門、法蘭材質(zhì)。另外，因排流道水時(shí)水內(nèi)含有大量泥沙，閥門應(yīng)采用硬密封。

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平基本保持同步，在適應(yīng)式變參數(shù)PID調(diào)節(jié)、電機(jī)式電/機(jī)轉(zhuǎn)換、雙機(jī)交叉冗余和機(jī)組功率控制模式上處于國(guó)際領(lǐng)先地位，但在產(chǎn)品可靠性、產(chǎn)品質(zhì)量、工藝水平等方面與國(guó)外產(chǎn)品有一定差距；系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模式：電氣-機(jī)械/液壓轉(zhuǎn)換元件+主配壓閥的經(jīng)典形式，控制方式依然采用傳統(tǒng)模擬控制或間接數(shù)字控制，并未得到根本性的改變，隨著液壓集成和電子控制領(lǐng)域技術(shù)迅速進(jìn)步，如何加快現(xiàn)代液壓技術(shù)在調(diào)速器機(jī)柜中的應(yīng)用、推動(dòng)調(diào)速器機(jī)柜的升級(jí)換代，在系統(tǒng)設(shè)備的調(diào)節(jié)控制方式，主要元件多采用國(guó)際知名品牌標(biāo)準(zhǔn)液壓件、模塊化、集成化程度，以及元件的穩(wěn)態(tài)耗油泄漏量、使機(jī)柜的工作可靠性有了全面的保證。真正做到調(diào)速系統(tǒng)免維護(hù)，并在技術(shù)上精益求精，適應(yīng)式變參數(shù)的頻率調(diào)節(jié)規(guī)律、快速、無(wú)超調(diào)的機(jī)組功率控制規(guī)律、系統(tǒng)集成的產(chǎn)品模式和全數(shù)字式水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器等方向是水輪機(jī)數(shù)字式電液調(diào)速器的主要發(fā)展趨勢(shì)。很有可能成為推動(dòng)和促進(jìn)我國(guó)調(diào)速器產(chǎn)品迅速擠身國(guó)際先進(jìn)水平最有希望的快捷途徑之一。

[1]魏守平.現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù).華中科技大學(xué)出版社，2002，01.

[2]田樹(shù)棠.貫流式水輪發(fā)電機(jī)組及其選擇方法.中國(guó)電力出版社，2000，05.

[3]沙錫林.貫流式水電站.中國(guó)水利水電出版社，1999，12.

[4]魏守平，羅萍，盧本捷.我國(guó)水輪機(jī)數(shù)字式電液調(diào)速器評(píng)述.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2003,27(5):1-6.

收稿：2015-03-10

10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2015.04.039