蓄能機(jī)組抬機(jī)問題分析及解決

萬正喜

（華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江省安吉市 313300）

蓄能機(jī)組抬機(jī)問題分析及解決

萬正喜

（華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江省安吉市 313300）

本文對(duì)抽水蓄能機(jī)組在發(fā)電過程中出現(xiàn)的抬機(jī)現(xiàn)象進(jìn)行原因分析，提供測(cè)量機(jī)組軸向水推力的一種方法及解決抬機(jī)問題的措施。

抽水蓄能機(jī)組；抬機(jī)；原因分析；測(cè)量；解決

0 引言

某抽水蓄能電站總裝機(jī)容量為180MW，機(jī)組及主設(shè)備布置于地下廠房?jī)?nèi)，吸出高度為-70m，上水庫總庫容為892萬m3，下水庫總庫容為860萬m3，額定工作水頭為526m。

發(fā)電電動(dòng)機(jī)為立軸、懸式、三相、50Hz、空冷可逆式同步發(fā)電電動(dòng)機(jī)。水泵水輪機(jī)為立軸、單級(jí)、混流式。轉(zhuǎn)輪為9葉片，進(jìn)口直徑4045mm，出口直徑2047mm，輪進(jìn)口高度262mm，轉(zhuǎn)輪總高1118mm，重量26t，轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)單獨(dú)鑄造，上冠和下環(huán)均設(shè)有迷宮環(huán)，水泵（水輪機(jī)）的平均效率為92.1%（90.32%）。

2003年，2號(hào)機(jī)組在發(fā)電出力從200MW增加至300 MW的過程中出現(xiàn)機(jī)組抬起現(xiàn)象，在隨后的檢查中發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)輪上迷宮環(huán)被磨損，轉(zhuǎn)輪葉片下部、泄水錐、轉(zhuǎn)輪上冠存在大量的白色物質(zhì)。取樣化驗(yàn)白色物質(zhì)的主要成分是碳酸鈣（40%）、磷酸鹽（20%）、硫酸鈣（15%）、硅酸鈣（10%）以及其他絮狀物（15%）。

隨后對(duì)該機(jī)組轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)進(jìn)行了更換，并陸續(xù)對(duì)所有機(jī)組轉(zhuǎn)輪的白色化合物進(jìn)行了處理。進(jìn)一步檢查分析發(fā)現(xiàn)，其他機(jī)組均存在一定程度的抬機(jī)現(xiàn)象，該電站也啟動(dòng)了多年的原因分析、技術(shù)改進(jìn)及抬機(jī)防控工作。

1 抽水蓄能機(jī)組抬機(jī)原因分析

經(jīng)過對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，在發(fā)電運(yùn)行過程中，機(jī)組普遍出現(xiàn)以下現(xiàn)象[1]：隨著水頭的降低，出力不變情況下，機(jī)組抬機(jī)量變大。隨著機(jī)組出力的增加，導(dǎo)葉開度增加，機(jī)組流量加大，機(jī)組抬機(jī)量出現(xiàn)階躍性上升，機(jī)組推力瓦的溫度呈明顯的下降趨勢(shì)。反過來，機(jī)組在減少出力過程中，機(jī)組抬起量呈階躍式下降，推力瓦溫呈明顯增加趨勢(shì)。

1.1 轉(zhuǎn)輪軸向受力分析

為分析水輪機(jī)軸向受力情況，對(duì)其各部分進(jìn)行受力分解，具體如圖1所示。

向上的作用力包括：下迷宮至轉(zhuǎn)輪外環(huán)的作用力F1；下迷宮作用力F2；轉(zhuǎn)輪出口斷面作用力F3；轉(zhuǎn)輪內(nèi)腔水流流過的反作用力（軸向水推力）F8；轉(zhuǎn)輪浮力F浮等。

向下的作用力包括：上迷宮至轉(zhuǎn)輪外環(huán)的作用力F4；上迷宮作用力F5；上迷宮至主軸密封的作用力F6；主軸密封作用力F7；轉(zhuǎn)輪重力G1等。

總的受力F（向上為正）為：

其中，F(xiàn)1、F4作用面積最大，機(jī)組運(yùn)行過程中壓力腔的壓力發(fā)布規(guī)律不均勻[1]，此處不作詳細(xì)理論計(jì)算。

F2、F5、F7均取自技術(shù)供水，其壓力實(shí)際上是尾水取水口壓力P再加上技術(shù)供水泵或其他的增壓泵的壓差，F(xiàn)3也可以考慮為尾水取水壓力P加上一定的高差，F(xiàn)6處壓力通過轉(zhuǎn)輪平壓孔及均壓管直接溝通尾水壓力，可參照F3考慮。因此可設(shè)：

其中，k1、b1為常數(shù)。

F8利用水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口水流的動(dòng)量定理進(jìn)行計(jì)算：

其中，ρ為水的密度；S為轉(zhuǎn)輪出口速度的軸向分量；Q為流過轉(zhuǎn)輪的流量。

F浮及G1為常數(shù)b2。

圖1 水輪機(jī)軸向受力分析

因此，總的受力F：

1.2 機(jī)組抬機(jī)分析

為了提高抽水蓄能機(jī)組的效率，在運(yùn)行于高水頭的水輪機(jī)在選型上既要考慮發(fā)電工況的效率，又要盡可能地提高水泵工況的效率，因此，抽水蓄能可逆式水泵水輪機(jī)組比轉(zhuǎn)速低，流道較長(zhǎng)，水輪機(jī)運(yùn)行于穩(wěn)定區(qū)的上限（邊界），該類型水輪機(jī)容易由于個(gè)別偶發(fā)原因?qū)е逻M(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行。

從式（1）分析，導(dǎo)致機(jī)組抬機(jī)的主要原因有：

（1）F1、F4作用力，包含其面積與壓力兩個(gè)方面。面積方面，為減少機(jī)組推力軸承負(fù)擔(dān)，防止推力瓦溫過高，在進(jìn)行模型試驗(yàn)過程中，上迷宮設(shè)置的直徑偏大，這是導(dǎo)致機(jī)組軸向推力較大的重要原因之一。壓力方面，在機(jī)組安裝期間，同樣是為了防止推力瓦溫過高，在推力基座上增加了4塊1.2mm的墊片，以此提高機(jī)組的高程，增大水輪機(jī)下環(huán)與底環(huán)之間的間隙，減少了上冠與頂蓋間的間隙，因此F1增加，F(xiàn)4減少，機(jī)組抬機(jī)的可能性增大。從2號(hào)機(jī)組的實(shí)際情況來看，由于上冠外沿礦物質(zhì)較多，導(dǎo)致F4減少，從而為機(jī)組抬機(jī)提供了可能。另外，如果上迷宮由于磨損而導(dǎo)致間隙加大，使F4減少，同樣可以加大抬機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）Q2的問題，這里也包含了流量絕對(duì)值增減及流量的變化速率兩個(gè)方面。流量絕對(duì)值的增減可以很好地解釋機(jī)組在發(fā)電工況出力不變的情況下，水頭低則流量大，機(jī)組軸向上推力增加的現(xiàn)象。流量的變化速率是在增減出力過程中由導(dǎo)葉開關(guān)速率來實(shí)現(xiàn)，由于是平方關(guān)系，過快的導(dǎo)葉開啟速率將極大地放大軸向向上水推力，由此可以很好地說明機(jī)組在增減出力過程中出現(xiàn)階躍向上抬起的現(xiàn)象。

（3）在這里，也不排除由于尾水壓力脈動(dòng)、水輪機(jī)均壓管異常、發(fā)電機(jī)異常磁拉力等其他原因?qū)е聶C(jī)組抬機(jī)發(fā)生的可能性，但可通過實(shí)際測(cè)量來驗(yàn)證。

2 機(jī)組抬機(jī)問題的解決

經(jīng)過充分地分析和論證，從各個(gè)方面采取措施解決和預(yù)防機(jī)組普遍存在的抬機(jī)問題。主要包括以下幾點(diǎn)。

2.1 降低導(dǎo)葉開啟速率及機(jī)組功率的增加速率

適當(dāng)降低機(jī)組增加負(fù)荷時(shí)導(dǎo)葉的開啟速率，在保證機(jī)組甩負(fù)荷后其轉(zhuǎn)速上升值不超過規(guī)定值的條件下，適當(dāng)延長(zhǎng)導(dǎo)葉的關(guān)閉時(shí)間或改變導(dǎo)葉的分段關(guān)閉規(guī)律。

通過手動(dòng)分步設(shè)定增加機(jī)組負(fù)荷，以及降低機(jī)組自動(dòng)成組控制時(shí)負(fù)荷增加速率的方法，來降低機(jī)組流量變化率。

2.2 降低機(jī)組轉(zhuǎn)輪高程

通過將機(jī)組推力軸承基座下的4塊墊片減至3片，達(dá)到降低機(jī)組高程，最終達(dá)到增加水輪機(jī)上冠與頂蓋間隙、減小下環(huán)與底環(huán)間隙的目的。上冠間隙加大則壓力增加，下環(huán)間隙減小則壓力減小，機(jī)組抬機(jī)量減小，同等運(yùn)行情況下，機(jī)組推力瓦溫度降低。實(shí)際測(cè)量也證明了這一點(diǎn)。

機(jī)組高程降低后，在初期機(jī)組運(yùn)行過程中應(yīng)密切關(guān)注推力瓦溫度的變化，防止推力瓦溫度異常升高。還應(yīng)該監(jiān)視水輪機(jī)室水環(huán)排水水溫。

2.3 更換上迷宮環(huán)

上迷宮環(huán)間隙過大，導(dǎo)致上冠壓力水容易直接溝通尾水壓力而使壓力異常降低，極易導(dǎo)致機(jī)組抬機(jī)現(xiàn)象的發(fā)生。

更換上迷宮環(huán)工作比較復(fù)雜，主要是針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行或異常磨損的迷宮環(huán)。應(yīng)定期檢測(cè)機(jī)組上、下迷宮間隙，如間隙異常加大應(yīng)密切關(guān)注機(jī)組的抬機(jī)量，及時(shí)采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理。

2.4 設(shè)置抬機(jī)量檢測(cè)保護(hù)

加裝能直接反映機(jī)組軸向位移量的保護(hù)，發(fā)生抬機(jī)時(shí)能及時(shí)停機(jī)，以免設(shè)備損壞。在機(jī)組的適當(dāng)部位加裝防止抬機(jī)的擋塊。所有的機(jī)組的振動(dòng)保護(hù)在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)要確保投入。

在機(jī)組開停機(jī)及增減負(fù)荷過程中，監(jiān)視人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)機(jī)組各部分溫度趨勢(shì)（尤其推力瓦溫趨勢(shì)）及振動(dòng)趨勢(shì)的監(jiān)視、分析比較。監(jiān)控系統(tǒng)增加推力瓦溫異常下降速率的報(bào)警信號(hào)或停機(jī)保護(hù)功能。

機(jī)組大修或長(zhǎng)期停役后，在首次啟動(dòng)試驗(yàn)過程中，應(yīng)按照先發(fā)電空載、抽水調(diào)相、發(fā)電空載、發(fā)電低負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、再投入運(yùn)行的順序進(jìn)行，在初次帶負(fù)荷發(fā)電或抽水時(shí)，機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)設(shè)專人負(fù)責(zé)監(jiān)視機(jī)組的運(yùn)行情況。

3 機(jī)組軸向水推力測(cè)量

為比較機(jī)組靜止與發(fā)電過程中軸向水推力的變化，以實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)組軸向水推力進(jìn)行說明，并對(duì)機(jī)組抬機(jī)問題處理（降低機(jī)組轉(zhuǎn)輪高程）前后效果進(jìn)行驗(yàn)證，這里提供一種采用應(yīng)力檢測(cè)儀進(jìn)行的軸向水推力測(cè)量方法。

3.1 儀表的安裝

為精確地反映機(jī)組在高水頭和低水頭發(fā)電過程中機(jī)組軸向推力、大軸位移、流量、各壓力腔壓力變化，依照機(jī)組設(shè)計(jì)，在不同的測(cè)量位置進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的測(cè)量，具體安裝位置見表1。

表1 儀表安裝位置表

其中，應(yīng)力檢測(cè)儀是利用一種應(yīng)力感應(yīng)片固定在上機(jī)架支腿的經(jīng)過去漆打磨的鋼表面，高度應(yīng)在支腿中間，兩個(gè)感應(yīng)片應(yīng)呈180°布置。

圖2給出了幾個(gè)重要壓力測(cè)量點(diǎn)的位置。

圖2 壓力測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 軸向水推力的測(cè)量步驟

（1） 應(yīng)力檢測(cè)儀率定。在停機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)，通過頂起機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分使其脫離推力軸承，來對(duì)輸出值進(jìn)行率定。其輸出值包括：機(jī)組的重量；通過水輪機(jī)的重量及密度可以得出體積，進(jìn)而算出水輪機(jī)所收到的浮力；作用在主軸密封內(nèi)區(qū)域向上的水壓力（可計(jì)算）。

（2）連續(xù)3次頂起轉(zhuǎn)動(dòng)部分后將應(yīng)力檢測(cè)儀輸出值設(shè)定為零。同時(shí)可以得出大軸軸向位移量與軸向力之間的線性關(guān)系。

（3）不同水頭下帶不同負(fù)荷的發(fā)電試驗(yàn)。檢測(cè)機(jī)組在低水頭與高水頭不同情況時(shí)出力從低增加到滿發(fā)時(shí)各壓力、水推力、大軸位移等情況的變化，比較機(jī)組高程降低前后相同數(shù)據(jù)的區(qū)別。

（4）不同水頭下抽水工況試驗(yàn)。檢測(cè)機(jī)組從啟動(dòng)（低水頭）到最后停機(jī)（高水頭）整個(gè)過程各方面情況，比較機(jī)組高程降低前后數(shù)據(jù)的變化。

3.3 測(cè)試結(jié)論

經(jīng)過對(duì)不同工況、不同水頭及不同功率情況下不同參數(shù)的比對(duì)分析，得出如下結(jié)論：

（1）機(jī)組在發(fā)電過程中機(jī)組存在一個(gè)向上升水推力，相同出力情況下，低水頭向上推力大，在低水頭滿負(fù)荷發(fā)電運(yùn)行時(shí)向上軸向水推力達(dá)到最大值。大軸軸向位移向上，與推力保持線性關(guān)系，見圖3。

圖3 不同功率下大軸位移圖

圖4 轉(zhuǎn)輪高程降低前后水推力比較圖（低水頭）

圖5 轉(zhuǎn)輪高程降低前后泵工況軸向水推力比例

（2）機(jī)組高程降低后（轉(zhuǎn)輪高程降低1.2mm），機(jī)組發(fā)電運(yùn)行過程中仍然存在一個(gè)向上的軸向力，但在相同情況下，機(jī)組軸向向上推力較之前明顯減小，見圖4。

（3）機(jī)組高程降低后，頂蓋與水輪機(jī)上冠間的壓力增大，下環(huán)與底環(huán)間的壓力減小。

（4）機(jī)組高程降低后，水泵工況機(jī)組軸向水推力較降低前增大（見圖5），但與高程降低后發(fā)電工況時(shí)向上軸向水推力基本相同。

4 結(jié)束語

抽水蓄能機(jī)組在機(jī)組發(fā)電過程中出現(xiàn)抬機(jī)現(xiàn)象，特別是在增加出力過程中尤為明顯，這與常規(guī)水輪機(jī)組在減負(fù)荷或停機(jī)過程中出現(xiàn)抬機(jī)現(xiàn)象有明顯的區(qū)別。該電站在國(guó)內(nèi)首次出現(xiàn)該問題，經(jīng)過認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)胤治龊吞幚?，并得到了多家科研院校、研究公司以及多位專家的大力幫助，使抽水蓄能機(jī)組抬機(jī)問題得到了有效地處理和嚴(yán)密地防控，必將為其他抽水蓄能機(jī)組該類問題的處理提供借鑒，為該類水輪機(jī)組設(shè)計(jì)選型提供參考。

[1]萬正喜，范建強(qiáng).蓄能機(jī)組抬機(jī)現(xiàn)象觀測(cè)及分析.電網(wǎng)與清潔能源. 2010，26（5）：16-19.

[2]戴勇峰，王海，等.混流可逆式轉(zhuǎn)輪軸向水推力研究.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2005，24（2）：105-109.

萬正喜（1973—），男，工程碩士，高級(jí)工程師。

Analysis and Solution of Push-Up in Pumped Storage Units

WAN Zhengxi
（East China Tianhuangping Pumped Storage Co. Ltd.，Anji 313302，China）

This paper analysis the reasons for push–up when pumped storage units running in generating operation mode，provides a method of measures axial thrust and solution the problem of push-up.

pumped storage units; push-up; analyzed reasons;measure; solution