淺談灘坑水電站大軸中心補氣裝置改造

毛凌 范有理

【摘 要】混流式水輪機運行過程中產(chǎn)生的尾 水真空及空腔渦帶是轉(zhuǎn)輪發(fā)生空蝕的主要原因，空蝕使水輪機效率降低、振動加大，嚴重時會造成設(shè)備損壞事故.減小尾水真空及空腔渦帶的方法就是對尾水管補氣.灘坑水電站原水輪機補氣裝置結(jié)構(gòu)為彈簧浮動式補氣結(jié)構(gòu)，減震效果差.經(jīng)研究，灘坑水電站結(jié)合機組檢修將水輪機補氣裝置改為浮球式大軸中心補氣裝置，本文介紹了大軸中心補氣裝置的結(jié)構(gòu)特點及改造后補氣效果試驗等.。

灘坑水電站位于浙江省青田縣境內(nèi)的甌江支流小溪中游河段，對外交通便利，大壩為面板堆石壩，采用了先進的分層取水方式，保護下游生態(tài)環(huán)境。該電站接近電網(wǎng)負荷中心，經(jīng)濟指標較好，綜合效益明顯，是甌江流域水電梯級開發(fā)規(guī)劃中的一座重要骨干電站。

灘坑電站安裝有3臺200MW的水輪發(fā)電機組，發(fā)電機型號為SF200-40/10800，采用具有上下兩個導(dǎo)軸承的立軸半傘式結(jié)構(gòu)以及一臺4000KW臥式機組，總裝機容量為604MW，在浙江電網(wǎng)內(nèi)發(fā)揮重要作用，既有發(fā)電、調(diào)峰、調(diào)相功能，又有防洪抗災(zāi)能力。

混流式水輪機運行過程中因尾水真空及空腔渦帶使轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生空蝕，導(dǎo)致水輪機效率降低、振動加大，嚴重時造成設(shè)備損壞。大軸中心補氣作為尾水管常用補氣方式之一，可以較好地破壞水輪機空蝕，因其結(jié)構(gòu)簡單、效果良好，目前國內(nèi)大型水電站中得到廣泛的應(yīng)用。[1][2][3]

1 灘坑水電站大軸補氣系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

灘坑水電站水輪機補氣方式為大軸中心自然補氣。補氣裝置由外圍補氣管、大軸補氣管、補氣閥等組成。補氣閥形式為彈簧浮筒液壓緩沖式雙重保護真空補氣閥，中心補氣設(shè)置在發(fā)電機上端，補氣管通過軸系內(nèi)孔延伸至轉(zhuǎn)輪上冠出口，大軸中心孔內(nèi)管管徑為DN300，進口處采用2根DN250管子通過發(fā)電機上機架進入補氣閥。

1.2 系統(tǒng)功能

機組運行時，大軸中心補氣裝置能夠利用壓差結(jié)構(gòu)補充空氣破壞尾水真空及空腔渦帶，減少水輪機的氣蝕和震動，提供水輪機的工作效率。

1.3 工作特性

機組運行時，大軸中心補氣裝置自動投入，補氣量隨負荷量變化而變化。穩(wěn)定工況區(qū)補氣量小，在非穩(wěn)定工況區(qū)補氣量大，甩 負荷時補氣量最大。機組運行時，補氣管內(nèi)存在自上而下的補氣氣流，可說明此時大軸補氣管內(nèi)為負壓，無尾水返水。[4][5]

2 存在的安全隱患

浮筒式補氣閥未考慮具有緩沖作用的減震結(jié)構(gòu)，機組在不同的工況下需要頻繁補氣，以至于閥體頻繁劇烈碰撞，產(chǎn)生較大噪音，長期運行過程中橡膠密封件易損壞，尾水容易從大軸補氣管進入機組內(nèi)部，很難滿足機組安全運行的要求。

3 新型補氣裝置的描述及特點

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

新型補氣裝置由閥罩、補氣閥、浮球閥三大部件組成。

3.1.1閥罩

結(jié)構(gòu)：閥罩由內(nèi)腔、補氣管、排水管、擋水環(huán)和環(huán)形內(nèi)、外集水腔組成。

工作原理：與閥罩相連的補氣管、排水管通往廠房外面，補氣管將廠房外空氣引入補氣罩內(nèi)腔，為補氣閥提供補充的空氣，少量滲漏水部分流到內(nèi)集水腔（部分流到外集水腔），并經(jīng)四個R90的半圓形缺口流出，再由排水管排至尾水渠。

3.1.2補氣閥

結(jié)構(gòu)：補氣閥由閥蓋、浮筒、壓板、閥座、進氣筒、減震裝置、聯(lián)接法蘭、導(dǎo)水環(huán)等部件組成，補氣閥底部聯(lián)接法蘭與浮球閥頂部法蘭密封把合。

工作原理：當水輪機下部為非負壓時，補氣閥的壓板在自重的作用下落在閥座上，主軸中心孔補氣管道與廠房外部補氣通路被阻斷;當機組需補氣時，水輪機補氣管道內(nèi)產(chǎn)生負壓，壓板在負壓的作用下，向上開啟。

補氣通路：補入空氣由廠房外部經(jīng)補氣罩上的補氣管路→補氣罩內(nèi)室→補氣筒→閥體內(nèi)腔→閥體夾璧→浮球閥內(nèi)腔→主軸中心孔管道→轉(zhuǎn)輪下部，壓板與閥座之間的開度與機組補氣量成正比。

壓板開啟或關(guān)閉的速度由減震裝置來限制。減震裝置內(nèi)部無復(fù)位彈簧，只相當于一個阻尼環(huán)節(jié)，只對壓板的運動速度起到限制作用。

當水輪機轉(zhuǎn)輪下部產(chǎn)生正壓時，壓板在正壓的作用下關(guān)閉補氣閥，切斷了水流的上溢通路。經(jīng)閥體夾璧進入閥體內(nèi)腔的漏水從進氣筒、導(dǎo)水環(huán)排入補氣室底部，再由排水管排至尾水渠。

3.1.3浮球閥

結(jié)構(gòu)：浮球、閥體等組成

工作原理： 水輪機轉(zhuǎn)輪下部為負壓時，浮球下落于下端橡膠密封圈Ⅱ，為補氣提供通路。補氣時經(jīng)浮球閥上端密封圈→浮球閥底部→進入主軸中心孔補氣管道→進入轉(zhuǎn)輪下部，機組正常補氣時浮球閥只為補氣提供通路。

水輪機轉(zhuǎn)輪下部為正壓時，水流上溢，浮球隨水流上浮，當浮球與上端橡膠密封圈Ⅰ的密封面緊密接觸時，切斷了水流的上溢通路，阻止水流的繼續(xù)上溢。浮球閥與補氣閥共同作用可靠地阻止了水流的上溢。

3.2 浮球式中心孔補氣裝置工作特點

3.2.1 消除補氣閥的工作噪聲

壓板采用航空鋁經(jīng)機械加工制造而成，具有重輕、強度高的特點，壓板自重輕復(fù)位力小，加之減震裝置的限速作用，消除了O型密封圈與閥座的接觸噪聲，從而改善了機組的運行環(huán)境。

3.2.2 高可靠性

補氣閥可靠性高，加之本裝置又增設(shè)了抑制溢水的浮球閥，二者共同作用，大大提高了機組運行的安全可靠性。

a. 考慮到以后對補氣閥的檢修、維護的方便，浮球閥結(jié)構(gòu)可更改為從上部往下安裝。

b. 減震裝置：需要補氣時，靠真空度吸力的作用，閥門向上開啟。在閥門開啟過程中，減震裝置對閥門有一個向下的拉力，隨著閥門的開啟，向下的拉力逐漸加大。到達全開位置時，閥門與上部的閥蓋不接觸。為了減緩關(guān)閉時的撞擊，減震裝置還有使閥門慢關(guān)閉的功能。吸取VOITH公司在溪洛渡電站機組的多年成功運行經(jīng)驗（運行穩(wěn)定且使用壽命長等優(yōu)點），減震器選用國際知名品牌ACE公司的ACE的液壓穩(wěn)速進給控制器。

c. 閥門向上的吸力和向下的拉力都是計算得出的，有一個匹配關(guān)系。減震裝置必須滿足這些力。如果增加彈簧，由于彈簧力的作用，勢必會阻礙閥門的及時開啟，起不到快速補氣的作用。減震器計算結(jié)論：閥門開啟時向上吸力為200Kg，最大向上吸力為650 Kg。閥門自重為32 Kg。減震器在開啟時可提供165 Kg的向下拉力，并隨閥門的開啟，向下拉力逐漸加大，閥門的全行程為150mm。

4 改造后運行情況

大軸中心補氣裝置安裝完成后進行了試驗，補氣靈敏，補氣量充足，補氣過程中無碰撞造成的異響。

5 結(jié)束語

灘坑水電站大軸中心補氣裝置改造符合工程實際，新型的浮球式中心補氣裝置與原有發(fā)電機組結(jié)構(gòu)具有良好的適配性，避免了擴大化改造，降低了改造投入。

參考文獻：

[1]馮文貴，雷洪進. 東風(fēng)發(fā)電廠機組大軸中心補氣裝置改造[J]. 貴州水力發(fā)電，2005，（3）：54-56.doi：10.3969/j.issn.1007-0133.2005.03.013.

[2]阮凡，李金明，張冬生，等. 水輪機大軸補氣系統(tǒng)技術(shù)改造探討[J]. 云南水力發(fā)電，2013，（5）.doi：10.3969/j.issn.1006-3951.2013.05-030

[3]魏學(xué)鋒，孫茂軍，王宏程，等溪洛渡電站東電機組補氣閥技術(shù)改造方案研究[J]. 人民長江，2016，（7）.doi：10.16232/j.cnki.1001-4179.2016.07.023.

[4]陳世程，方戊強. 紫坪鋪水力發(fā)電廠大軸中心補氣閥改造[J]. 中國機械，2015，（8）：106-106，107.

[5]姜德政. 三峽ALSTOM水輪發(fā)電機組大軸補氣閥的改進[J]. 水電與新能源，2010，（2）：38-39.doi：10.3969/j.issn.1671-3354.2010.02.014.

（作者單位：浙江浙能北海水力發(fā)電有限公司）