大型引調(diào)水工程環(huán)保型水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)

張樹存，謝麗華

（浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

1 工程概況

浙江省某大型引調(diào)水工程是重大供水工程和民生工程。能源回收電站作為本工程的一個(gè)子工程，布置在其末端，主要功能是利用上游多余水頭發(fā)電。因此電站應(yīng)在保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)確保過機(jī)水質(zhì)不能發(fā)生污染，滿足環(huán)保要求。電站裝有4臺1 600 kW的臥軸混流式機(jī)組，總裝機(jī)容量6 400 kW，最大水頭Hmax為33.3 0 m，額定水頭Hr為19.50 m，最小水頭Hmin為 12.76 m。

2 機(jī)組型式選擇

水輪機(jī)水頭范圍12.76 ~ 33.30 m，額定水頭19.50 m，單機(jī)額定功率1 600 kW。機(jī)組型式可選擇軸流式機(jī)組或混流式機(jī)組，軸流式機(jī)組按結(jié)構(gòu)特征分為立軸軸流轉(zhuǎn)槳式和立軸軸流定槳式2種；混流式機(jī)組按布置型式分為立軸混流式和臥軸混流式2種[1]。

因本電站水頭范圍和引水流量范圍變化大，選用的機(jī)組型式應(yīng)盡可能滿足本電站工況的要求，因此軸流式機(jī)組只能采用立軸軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組。

鑒于本工程是供水工程，在其供水管線通道上的建筑物和機(jī)組設(shè)備應(yīng)避免有害物質(zhì)進(jìn)入原水。

從結(jié)構(gòu)上分析軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)和混流式水輪機(jī)可能對水質(zhì)產(chǎn)生的影響：

（1）軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，主要由轉(zhuǎn)輪體、葉片、葉片密封裝置等組成，葉片操作機(jī)構(gòu)布置在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)。因特點(diǎn)是，轉(zhuǎn)輪體中充滿透平油，隨著近年來機(jī)組制造工藝水平提高，葉片與轉(zhuǎn)輪體的密封裝置，以及轉(zhuǎn)輪體與其它部位的連接的密封裝置，基本不會出現(xiàn)漏油的現(xiàn)象。但長時(shí)間的運(yùn)行之后，依然存在密封裝置損壞等情況，進(jìn)而油脂等進(jìn)入到原水產(chǎn)生污染。另外還有水導(dǎo)軸承甩油和滲漏油也可能產(chǎn)生污染。因此軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組不符合本工程的要求。

（2）立軸混流式水輪機(jī)水導(dǎo)軸承多采用稀油潤滑軸承，軸承結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)動油盆一般是固定在主軸上，油盆隨軸轉(zhuǎn)動，透平油會由于離心力形成拋物線油面，雖然設(shè)置有擋油圈和主軸密封裝置等，仍然不能完全避免甩油和油霧外溢現(xiàn)象沿主軸間隙滲漏到頂蓋和機(jī)坑，雖然并不直接與水體接觸，但是仍需進(jìn)行收集處理，存在隱患。

（3）臥軸混流式機(jī)組，因其布置型式為臥式，軸承滲漏油漏至在軸承座底部，即便出現(xiàn)軸承油箱爆裂，透平油也不會直接進(jìn)入尾水，可通過污水溝將其引入到污水井，并經(jīng)油水分離裝置處理后排至場外污水管道。因此不會出現(xiàn)污染水源的情況。綜合上述分析，選用臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

3 水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)的選定

3.1 模型轉(zhuǎn)輪的確定

根據(jù)本電站水輪機(jī)水頭范圍12.76 ~ 33.30 m以及單機(jī)額定功率，適合此范圍的轉(zhuǎn)輪主要為50.00 ~ 60.00 m水頭段的轉(zhuǎn)輪，但從50.00 ~ 60.00 m水頭段成熟的轉(zhuǎn)輪來看，F(xiàn)13轉(zhuǎn)輪單位轉(zhuǎn)速較高、單位流量較大，另外其運(yùn)行范圍（65.0 ~ 105.0 r/min）是該水頭段較好的，適合本工程水頭和流量變幅大的特點(diǎn)。同時(shí)F13轉(zhuǎn)輪成功應(yīng)用于浙江三港水電站、湖北白水峪水電站等國內(nèi)多個(gè)電站，具有成熟的制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)見表1。

表1 水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)表

3.2 水輪機(jī)參數(shù)

3.2.1 水輪機(jī)運(yùn)行范圍曲線

根據(jù)水輪機(jī)水頭及各水頭下的單位流量和單位轉(zhuǎn)速確定水輪機(jī)運(yùn)行范圍曲線見圖1。

圖1 水輪機(jī)運(yùn)行范圍曲線圖

3.2.2 水輪發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

經(jīng)分析采用HLF13 - WJ - 125水輪機(jī)配SFW1600 -20/2150更適合于本工程，選定的機(jī)組參數(shù)見表2。

露骨料透水混凝土是由粗骨料、高標(biāo)號水泥、水、強(qiáng)化劑、外加劑等經(jīng)一定比例調(diào)配拌制而成的一種多孔輕質(zhì)的新型環(huán)保地面鋪裝材料。與傳統(tǒng)混凝土相比，透水混凝土多采用單粒徑的粗骨料作為混凝土的主體，配以水泥凈漿或者少量細(xì)骨料砂漿作為粘接劑，包裹在粗骨料顆粒的表面，形成孔隙均勻分布的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。普通混凝土結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

4 水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)部件環(huán)保措施

4.1 水輪發(fā)電機(jī)組水體污染的因素

（1）機(jī)組軸承漏油進(jìn)入流道污染水質(zhì)；

（2）水輪機(jī)導(dǎo)葉支承軸承油脂進(jìn)入流道污染水質(zhì)；

（3）水輪機(jī)過流部件（包括導(dǎo)葉、前蓋、后蓋、尾水管、蝸殼、座環(huán)、轉(zhuǎn)輪等）磨損、空蝕以及沖刷造成金屬材料剝落，污染水質(zhì)；

（4）水輪機(jī)主軸密封不嚴(yán)導(dǎo)致滲漏及密封材料磨損造成金屬材料剝落，污染水質(zhì)。

4.2 機(jī)組防止原水污染技術(shù)方案

4.2.1 機(jī)組軸承結(jié)構(gòu)

徑向推力軸承和徑向?qū)лS承現(xiàn)有成熟的結(jié)構(gòu)型式為油浸自潤滑巴氏合金型，應(yīng)采用足夠措施避免軸承潤滑油進(jìn)入冷卻器中污染冷卻水，軸承冷卻器設(shè)計(jì)成全密閉自循環(huán)式，并在軸承座下部設(shè)置集油槽用于收集滲油。

4.2.2 水輪機(jī)導(dǎo)葉支承軸承

表2 機(jī)組選用參數(shù)表

4.2.3 水輪機(jī)過流部件防空蝕及沖刷措施方案

（1）水輪機(jī)選用抗空蝕好的模型轉(zhuǎn)輪，另外水輪機(jī)加工生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格把控質(zhì)量，保證過流金屬表面光潔，提高流道的順滑，減少凹凸不平，有效提高抗氣蝕性能。

（2）轉(zhuǎn)輪、蝸殼、座環(huán)、前蓋、后蓋、抗磨板、止漏環(huán)、導(dǎo)葉、尾水管過流部件采用抗磨耐蝕不銹鋼材料，增加材料的穩(wěn)定性，可避免水質(zhì)污染。

4.2.4 水輪機(jī)主軸密封

主軸工作密封采用無接觸泵板密封。主軸密封用的泵板、螺栓、螺母等均采用不銹鋼材料制成，增加材料的穩(wěn)定性，可避免水質(zhì)污染。

4.2.5 臥軸混流式機(jī)組結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化

臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)根據(jù)飛輪的位置、軸承座的個(gè)數(shù)和布置的不同在結(jié)構(gòu)上主要分為2類：三支點(diǎn)機(jī)組和二支點(diǎn)機(jī)組。三支點(diǎn)機(jī)組是飛輪設(shè)置在水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)之間，水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)各設(shè)置1根軸通過飛輪連成整體，機(jī)組轉(zhuǎn)動部分需要3個(gè)軸承座支撐。二支點(diǎn)機(jī)組共用1根軸，且機(jī)組轉(zhuǎn)動部分只需要2個(gè)軸承座支撐。三支點(diǎn)機(jī)組因其多出1個(gè)軸承，其維護(hù)工作量相對較大，另外采用稀油潤滑軸承，用油量較大，同時(shí)增加機(jī)組檢修安裝時(shí)油污進(jìn)入尾水中的風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)組主要功能為供水，機(jī)組選用二支點(diǎn)結(jié)構(gòu)型式，進(jìn)一步提高供水可靠性。

4.2.6 其它密封材料

水輪機(jī)全部的橡膠密封件采用優(yōu)質(zhì)實(shí)心高硬度橡膠材料，整體硫化，無縫連接，且有良好的耐磨性、抗腐 蝕性、抗沖擊性、抗微生物侵蝕及抗老化（20 a以上）等性能，密封件材料選用無毒無害，并滿足飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

5 電站輔助系統(tǒng)環(huán)保措施

5.1 技術(shù)供排水系統(tǒng)的選定

機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)主要用于發(fā)電機(jī)空氣冷卻器、軸承冷卻器用水。發(fā)電機(jī)冷卻采用密閉式空氣循環(huán)冷卻，配置空氣冷卻器，機(jī)組軸承冷卻是采用內(nèi)置冷卻盤管的方式。鑒于本工程為供水工程，為保障水質(zhì)不被污染，根據(jù)機(jī)組各部件冷卻水用水特點(diǎn)，針對發(fā)電機(jī)和軸承分別設(shè)置不同的技術(shù)供水方式。

5.1.1 發(fā)電機(jī)冷卻方式

考慮到電站常年運(yùn)行，從冷卻效果及改善運(yùn)行環(huán)境角度，發(fā)電機(jī)冷卻采用密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)。因發(fā)電機(jī)采用密閉式空氣循環(huán)方式冷卻，該方式借助輪輻的風(fēng)扇作用使空氣在發(fā)電機(jī)內(nèi)部循環(huán)流通，熱空氣通過冷卻器用水冷卻。熱空氣經(jīng)過空冷器冷卻變成冷空氣，通過輪輻的風(fēng)扇作用即可使冷空氣經(jīng)轉(zhuǎn)子鐵芯、定子鐵芯的通風(fēng)溝和冷卻器形成2個(gè)循環(huán)回路，起到冷卻發(fā)電機(jī)的作用。通過上述的分析可知，該冷卻方式不存在水質(zhì)污染，因此發(fā)電機(jī)冷卻水采用進(jìn)水閥前壓力鋼管取水方式。

5.1.2 軸承冷卻和潤滑

機(jī)組軸承冷卻是采用內(nèi)置冷卻盤管的方式，冷卻盤管設(shè)置在油箱內(nèi)，通過冷卻盤管內(nèi)的冷卻水帶走油的熱量，因此存在冷卻盤管破裂、透平油滲入冷卻盤管的可能，針對該特點(diǎn)，軸承冷卻水采用循環(huán)供水方式。具體方案是在主廠房進(jìn)水閥上游側(cè)設(shè)置一個(gè)容積約500 m3的冷卻循環(huán)水池，循環(huán)水采用自來水。4臺機(jī)組的壓力進(jìn)水鋼管穿過冷卻循環(huán)水池，經(jīng)計(jì)算通過壓力鋼管中冷水帶走循環(huán)水池中循環(huán)水的熱量，滿足軸承技術(shù)供水溫度的要求。

5.2 滲漏排水系統(tǒng)選定

廠房內(nèi)滲漏排水主要針對廠房內(nèi)較為清潔的滲漏水通過滲漏集水井內(nèi)排水泵直接排至廠區(qū)污水池，經(jīng)過廠區(qū)污水處理系統(tǒng)處理完成后，再通過專用污水管排出。其余可能存在油脂的部分滲漏水（如油桶間排水、空壓機(jī)室排水、機(jī)坑排水）通過油水分離系統(tǒng)處理后排至廠區(qū)污水池，再通過專用污水管排出。

5.3 檢修排水系統(tǒng)選定

檢修排水為機(jī)組檢修時(shí)排除水輪機(jī)流道內(nèi)的積水，通過設(shè)置在尾水管底部埋設(shè)排水管至尾水平臺檢修集水井中，再用潛水泵排到廠區(qū)污水池，經(jīng)過廠區(qū)污水處理系統(tǒng)處理完成后，通過專用污水管排走。

5.4 其它方面

5.4.1 運(yùn)行監(jiān)測

為監(jiān)測滲漏排水和檢修排水中是否含有油脂，在各自集水井內(nèi)分別裝設(shè)水中油污監(jiān)測裝置。

5.4.2 用油部件的監(jiān)測

在軸承油箱底部、接力器底部以及進(jìn)水閥油壓裝置底部分別裝設(shè)集油槽，并在其內(nèi)裝設(shè)液位傳感器進(jìn)行滲漏油及溢油監(jiān)測。

5.4.3 進(jìn)、出水的水質(zhì)監(jiān)測

為監(jiān)測通過機(jī)組的水源是否有污染，在廠房上游溢流調(diào)壓井內(nèi)和尾水池內(nèi)分別安裝水質(zhì)監(jiān)測裝置。

5.4.4 機(jī)組運(yùn)行及檢修原則

機(jī)組應(yīng)制定合理的運(yùn)行方式。多年運(yùn)行實(shí)踐證明，運(yùn)行工況對空化有影響。應(yīng)盡量避免水輪機(jī)長時(shí)間在低水頭和低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，以避開空化嚴(yán)重的運(yùn)行工況區(qū)域。工程應(yīng)圍繞供水任務(wù)，發(fā)電應(yīng)服從供水安全為前提。適當(dāng)縮短檢修維護(hù)周期。及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，對于已出現(xiàn)問題區(qū)，盡早補(bǔ)焊修整，嚴(yán)格打磨至光滑平整。

6 結(jié) 語

供水工程對管線系統(tǒng)上的設(shè)備最基本的要求有3點(diǎn)：①設(shè)備的運(yùn)行工況范圍要廣，能夠滿足不同水位不同水頭下的運(yùn)行穩(wěn)定性要求。②設(shè)備過流表面本身不應(yīng)對水質(zhì)產(chǎn)生污染。③設(shè)備應(yīng)具有較高的可靠性和耐久性。本文通過設(shè)計(jì)階段和招標(biāo)階段對機(jī)組及輔助系統(tǒng)提出相應(yīng)的要求，為相關(guān)工程提供一些參考。