頂蓋取水作為機組技術(shù)供水的不適性研究

張奇

（云南華電金沙江中游水電開發(fā)有限公司梨園發(fā)電分公司，云南 麗江 674100）

頂蓋取水作為機組技術(shù)供水的不適性研究

張奇

（云南華電金沙江中游水電開發(fā)有限公司梨園發(fā)電分公司，云南 麗江 674100）

頂蓋取水作為技術(shù)供水在運行實踐中存在不少問題，在國內(nèi)成功應(yīng)用極少。對新投產(chǎn)的600MW大型水輪機頂蓋取水作為技術(shù)供水的不適性進行了分析，為以后新建大型發(fā)電機組的技術(shù)供水設(shè)計選擇提供參考。

頂蓋取水；蝸殼取水；大型機組；技術(shù)供水

1 技術(shù)供水設(shè)計

云南華電金沙江中游水電開發(fā)有限公司梨園發(fā)電分公司（以下簡稱梨園發(fā)電分公司）水輪機單機容量為600MW，技術(shù)供水設(shè)計了2種取水方式，一種是頂蓋取水，一種是蝸殼取水，如圖1所示。設(shè)計用頂蓋取水作為主用，蝸殼取水作為備用，以期達到節(jié)能目的。

圖1 梨園發(fā)電分公司技術(shù)供水系統(tǒng)

2 問題的提出

當(dāng)用頂蓋取水作為技術(shù)供水來調(diào)試運行時，機組推力瓦溫升高，使本來就逼近報警值的瓦溫和油溫更加處于風(fēng)險的邊緣；機組主軸密封漏水量增加，3臺頂蓋排水泵同時啟動也無法控制水位，梨園發(fā)電分公司被迫放棄頂蓋取水作為技術(shù)供水的運行方式，改用蝸殼取水。

3 原因分析

頂蓋取水不適于作為該項目技術(shù)供水的原因有以下幾方面。

3.1 技術(shù)供水增加機組軸向水推力

技術(shù)供水對水溫、水壓、水質(zhì)、水量有要求，尤其是導(dǎo)軸承冷卻器水壓一般需要控制在0.20～0.40 MPa。而梨園發(fā)電分公司機組主變壓器冷卻器高程為1524m，頂蓋處的高程為1496m，這2處的高程差為28m（0.28MPa），加上主變壓器冷卻器自身需求壓力為0.20～0.40MPa，高程差所需壓力與冷卻器自身壓力需求相加，使頂蓋的壓力需要達到0.48 MPa以上才能滿足技術(shù)供水的水壓要求。如圖1所示，電站采用蝸殼取水后，頂蓋沒有憋壓需要，頂蓋內(nèi)腔水暢通無阻地流向尾水，此時的頂蓋壓力為0.02MPa（現(xiàn)場實采數(shù)據(jù)）。梨園發(fā)電分公司水輪機水推力分布如圖2所示，在這些推力中，上、下止漏環(huán)外側(cè)表面所受軸向水推力F11和F21非常大，而其他各項水推力則相對很小，可以忽略其影響，因此轉(zhuǎn)輪軸向水推力的計算值主要取決于F11和F21。由于F21在轉(zhuǎn)輪下方，其大小與上腔是否憋壓無關(guān)，加之考查的是頂蓋憋壓和不憋壓2種情況對推力負載的影響，因此只需計算頂蓋取水方式與蝸殼取水方式下所產(chǎn)生水推力F11的相對大小。

轉(zhuǎn)輪上冠承受的軸向水推力計算式為

式中：F為軸向水推力；p0為已知點處的靜壓力，Pa；ρ為水的密度，kg／m3；n為轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速，r／min；r0為已知點處的半徑，m；r1為轉(zhuǎn)輪聯(lián)軸處法蘭半徑，r1＝1.6m；r2為轉(zhuǎn)輪上冠半徑，r2＝3.45m；K0為圓周速度系數(shù)，一般取0.5。

圖2 水輪機軸向水推力分布

由于式中的變量只有壓力，因此只需考慮p0＝0.02MPa和p0＝0.48MPa時兩者之間的差值，便可得出頂蓋壓力為0.48MPa時新增的水推力，即

頂蓋水壓增加，推力負載也增加，加重了推力瓦的負擔(dān)，瓦溫比蝸殼取水方式下增加了約2℃，油溫增加了3℃左右，證明頂蓋取水對機組推力溫度有一定影響。

3.2 頂蓋內(nèi)腔憋壓導(dǎo)致主軸密封漏量劇增

梨園發(fā)電分公司主軸密封水系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 主軸密封水系統(tǒng)

水輪機工作時用清潔潤滑水注入主軸密封動、靜密封環(huán)之間，此時清潔水壓克服彈簧壓力強行頂開動、靜密封環(huán)，以達到動密封外漏水的目的，同時起到潤滑、冷卻旋轉(zhuǎn)密封面的作用，總體構(gòu)想是利用少量清潔水來密封住大量外漏的渾水。動密封環(huán)是一個直徑3m、截面寬180mm的環(huán)形平面，有8個潤滑水進水點。為了測量動、靜密封環(huán)在注入清潔潤滑水時的脫開高度，沿密封環(huán)圓周選取了8個測點，架表監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)在注入清潔潤滑水后密封環(huán)面平均脫開了0.05mm，但各點脫開高度并不一致。由于機組運行時存在擺度和振動，整個密封環(huán)面的脫開高度沿圓周是不均勻的，各處的水壓也不一致，造成了渾水外漏。從大型電站阿海水電站的情況來看，無論電站把主軸密封水壓調(diào)高還是調(diào)低，每年汛期，機組頂蓋上都有厚厚的一層細膩泥沙，這些都是汛期時頂蓋渾水突破了動、靜密封面外漏產(chǎn)生的，說明在實際運行時清潔水不可能完全密封住渾水。這0.05mm的脫開空間在機組旋轉(zhuǎn)加上振擺的作用下，既是清潔潤滑水的外排通道，也是部分頂蓋內(nèi)腔水的外漏通道，即機組在運行時，清潔水部分流向了頂蓋內(nèi)腔，部份流向了頂蓋外部，渾水也部分突破了清潔水防線流向了頂蓋外部。既然外排通道截面積大體一定，頂蓋內(nèi)腔的渾水壓力越大，外漏能力也就越大。頂蓋憋壓作為技術(shù)供水的后果是導(dǎo)致該型密封的外漏量會有較大增加。

由于在機組旋轉(zhuǎn)時，任何時刻動、靜密封環(huán)沿圓周的狀態(tài)不易確定，無法定量計算外漏量，梨園發(fā)電分公司從維持頂蓋水位的排水泵流量上獲取了各種影響因素的數(shù)據(jù)。當(dāng)主軸密封潤滑水壓調(diào)節(jié)為0.40MPa，流量為600L／m時，用頂蓋泄壓管排水作為技術(shù)供水，隨著機組負荷的增加，頂蓋內(nèi)腔壓力逐步增加，外漏量也隨之增加，數(shù)據(jù)見表1。

表1 在不同頂蓋內(nèi)腔渾水水壓下注入相同壓力潤滑水時的排水?dāng)?shù)據(jù)

由表1可知，頂蓋內(nèi)腔壓力增高時，渾水突破防線的外漏能力增大，外漏流量也大幅增加。此時的密封水壓偏高，導(dǎo)致清潔水流量增加，自然外漏部分也會加大不少。用頂蓋內(nèi)腔憋壓作為技術(shù)供水存在這樣的矛盾。

3.3 機組在空轉(zhuǎn)和低負荷時水壓不夠

轉(zhuǎn)輪上部密封環(huán)和頂蓋之間的間隙為2.8mm，此間隙就是各種工況下的漏水通道。梨園發(fā)電分公司在壩前水位為1612m時做過試驗，當(dāng)機組在空轉(zhuǎn)和低負荷運行時，導(dǎo)葉開度為18%，導(dǎo)葉后壓力僅為0.5MPa，而額定負載時壓力為1.0MPa。轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)的過水能力較小，通過節(jié)流降壓后，由于壓頭不足，上送至上導(dǎo)軸承及主變壓器的流量不滿足冷卻要求，導(dǎo)瓦溫度偏高，主變壓器流量也不足。若汛期壩前水位在汛限水位1605m時運行，機組導(dǎo)葉后壓力還會進一步降低，矛盾會更突出。

極少數(shù)電站用頂蓋取水作為技術(shù)供水時往往考慮了一套補充供水系統(tǒng)來滿足低負荷時的冷卻水量要求，但這無疑又加大了初期投資和設(shè)備維護量，且環(huán)節(jié)越多越不可靠。

4 2種供水方式的經(jīng)濟性分析

梨園發(fā)電分公司單機容量達600MW，其額定引用流量為625m3／s。當(dāng)用蝸殼取水時，取水流量為1800m3／h，即0.5m3／s，占額定引用流量的0.08%，其影響可以忽略不計。加上梨園發(fā)電分公司建在金沙江干流上，來水充沛，每年的河道流量達500億m3以上，遠遠高于機組的使用量，汛期大部分流量都是棄走的，不存在損失。不僅如此，蝸殼取水可靠性非常高，多廠實踐證明，幾乎沒有設(shè)備維護成本和安全風(fēng)險。若用頂蓋取水后，不僅存在前期安裝管路及輔助供水設(shè)施的成本，而且主軸密封流量增加后將導(dǎo)致頂蓋泵全部啟動，既耗電又存在水位難以控制的安全風(fēng)險。因此，從安全風(fēng)險和經(jīng)濟角度考慮，頂蓋取水作為技術(shù)供水對建在大江大河上的大型機組是完全沒有必要的。

5 結(jié)束語

通過分析，頂蓋取水作為技術(shù)供水存在多方面缺點：一是增大推力負載，導(dǎo)致推力溫度增加；二是主軸密封漏量增加，導(dǎo)致頂蓋泵外排負擔(dān)加重，增加了水位控制風(fēng)險和耗電；三是在低負荷時技術(shù)供水水壓難以滿足。雖然我國近年來也逐步在一些機組上嘗試采用頂蓋取水技術(shù)，但有些應(yīng)用效果難以達到設(shè)計要求，加之大型機組用蝸殼取水作為技術(shù)供水在耗用流量上占比極小，且建設(shè)大型機組的電站每年都存在大量棄水的情況，因此，在選擇和設(shè)計時不推薦用頂蓋取水來作為大型機組的技術(shù)供水。

［1］劉成榮.五一橋水電站頂蓋取水方案分析［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013（12）：172.

［2］陳紹鋼.水輪機頂蓋取水的應(yīng)用及分析［J］.中國農(nóng)村水利水電，2000（1）：31-33.

［3］李茂更，周旭輝.萬家寨水輪機頂蓋排水系統(tǒng)的改造［J］.電力學(xué)報，2005（4）：450-451.

（本文責(zé)編：弋洋）

TV732

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1674-1951（2015）09-0017-02

張奇（1973—），男，四川自貢人，工程師，從事大型水電廠水輪發(fā)電機機組技術(shù)管理工作（E-mail：814478821＠qq.com）。

2014-04-20；

2015-07-25