劉紅軍 謝向東 宋 佳 韓 猛 王聞通

（江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇淮安 223200）

1 工程概況

高良澗閘水電站建成于1995年8月，系利用閘兩端空箱岸墻建成水電站，從閘上游翼墻引水至閘邊孔出水，90°彎管進(jìn)水流道，開敞式引水室平面呈非對(duì)稱蝸形，肘形出水流道，見(jiàn)圖1。電站采用ED760-LM-120型明槽軸流定漿式水輪機(jī)，EDJ-LM-120Z型硬齒面圓柱齒輪箱增速傳動(dòng)，SF123-6/590型立式同步發(fā)電機(jī)，見(jiàn)圖2。

電站運(yùn)行至2013年10月，平均累計(jì)運(yùn)行10.46萬(wàn)臺(tái)時(shí)，水輪機(jī)相對(duì)于1995年性能普遍顯著下降，以3#水輪機(jī)為例，葉輪和轉(zhuǎn)輪室間隙超過(guò)15 mm，轉(zhuǎn)輪室磨損痕跡深度達(dá)1.2 mm，3.2 m設(shè)計(jì)水頭下機(jī)組出力約減少30%。有研究表明，軸流定漿式水輪機(jī)輪緣間隙增加至15 mm時(shí)，額定工況出力下降29.7%［1］，設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)和研究結(jié)論基本吻合。

圖1 高良澗閘水電站進(jìn)出水流道示意圖

圖2 高良澗閘水電站機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

2 水流的影響分析

2.1 引水室對(duì)水流影響分析

開敞式混凝土引水室內(nèi)的水流相對(duì)于導(dǎo)水葉位置可以分為三個(gè)區(qū)域，即：導(dǎo)水葉以下的滯水區(qū)、導(dǎo)水葉區(qū)域的環(huán)流區(qū)和導(dǎo)水葉以上的自由進(jìn)水區(qū)。引水室平面呈非對(duì)稱蝸形，主要作用是和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)形成一個(gè)適當(dāng)?shù)倪M(jìn)入轉(zhuǎn)輪的環(huán)量，使水流通過(guò)蝸殼的作用形成環(huán)流，再通過(guò)分布均勻的導(dǎo)水葉作用于轉(zhuǎn)輪，激發(fā)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)；導(dǎo)水葉以上空間相對(duì)空曠，水流流速小、自由度大，部分水流不再順著蝸殼從四周進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，而是直接越過(guò)水輪機(jī)頂蓋拐彎后進(jìn)入轉(zhuǎn)輪。開敞式引水室內(nèi)蝸形鼻端不僅不能起到導(dǎo)水作用，反而起到阻水作用，鼻端后壁容易形成漩渦和渦帶［2］，作用于轉(zhuǎn)輪的水流在失去軸對(duì)稱時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不平衡橫向力，引起轉(zhuǎn)輪振動(dòng)，導(dǎo)致水輪機(jī)效能降低。

高良澗閘水電站設(shè)計(jì)的引水室平面均呈非對(duì)稱蝸形，1#-4#機(jī)組引水室均設(shè)有蝸形鼻端，因施工錯(cuò)誤，1#、2#機(jī)組蝸形鼻端設(shè)置在水流方向左側(cè)，導(dǎo)致環(huán)流和葉輪旋轉(zhuǎn)方向不一致，后將1#、2#機(jī)組引水室蝸形鼻端予以拆除。偏心渦帶是引起機(jī)組振動(dòng)的主要原因，這與電站水輪機(jī)的實(shí)際損傷結(jié)果相一致，蝸形鼻端后導(dǎo)水葉振動(dòng)明顯大于其他部位，3#水輪機(jī)導(dǎo)水葉軸孔垂直水流方向最大磨損達(dá)12 mm。蝸形鼻端阻水和機(jī)組出力情況也相吻合，相對(duì)于岸墻位置1#和4#機(jī)組位于外側(cè)、2#和3#機(jī)組位于內(nèi)側(cè)，兩對(duì)機(jī)組進(jìn)出水流道相近，區(qū)別僅在于有無(wú)蝸形鼻端。從圖3可推算出，設(shè)計(jì)水頭3.2 m下1#比4#機(jī)組出力高6.3%，2#比3#機(jī)組出力高10.7%，流道相近無(wú)蝸形鼻端機(jī)組出力明顯高于有蝸形鼻端機(jī)組出力，因此，可以判斷開敞式引水室蝸形鼻端是水輪機(jī)效能降低的主要因素。

圖3 高良澗閘水電站機(jī)組水頭特性曲線（1995～2002年）

2.2 進(jìn)出水流道對(duì)水流影響分析

1#和4#機(jī)組進(jìn)水端和出水端均位于外側(cè)，水流順暢，機(jī)組出力明顯高于內(nèi)側(cè)的2#和3#機(jī)組（圖3）。內(nèi)側(cè)機(jī)組上游進(jìn)水流道直線段長(zhǎng)度1.4 m，比外側(cè)機(jī)組直線段少2.5 m，水流未經(jīng)過(guò)充分調(diào)整，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流流態(tài)相對(duì)較差，影響機(jī)組出力，且出水端位于閘邊孔內(nèi)側(cè)，機(jī)組尾水必須具備一定動(dòng)能以克服出流阻滯［3］，也影響了水輪機(jī)的效能。

管理單位采用不平衡的優(yōu)化閘門調(diào)度，在閘門安全開啟高度內(nèi)適當(dāng)提高邊孔閘門開啟高度，降低邊機(jī)組水流出口端水位，增加水頭和增強(qiáng)水流動(dòng)能，使水流自由度減小，在蝸殼的作用下環(huán)流增強(qiáng)，以提高水電機(jī)組功率，但功率提高至一定程度后，功率不再隨邊孔閘門開高的繼續(xù)增加而增加［3］。

3 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式的影響分析

3.1 水輪機(jī)導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)形式的影響分析

明槽式水輪機(jī)多采用水潤(rùn)滑橡膠軸承，高良澗閘水電站ED760-LM-120型水輪機(jī)選用的也是水潤(rùn)滑橡膠軸承。這種軸承要求以清潔有壓水作為潤(rùn)滑水源，但由于開敞式引水室結(jié)構(gòu)形式水流無(wú)法和導(dǎo)軸承分離，建造和運(yùn)行維護(hù)清潔潤(rùn)滑水源都很困難，故明槽式水輪機(jī)水導(dǎo)軸承多數(shù)直接引用河水潤(rùn)滑。河水富含各種雜質(zhì)，不可避免地使橡膠軸承快速磨損，導(dǎo)致主軸擺度變大，轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室接觸、碰撞和磨損［4］，運(yùn)行一段時(shí)間后轉(zhuǎn)輪間隙變大，容積損傷變大，機(jī)組出力下降。

3.2 水輪機(jī)頂蓋等上部荷載傳遞方式的影響分析

ED760-LM-120型水輪機(jī)采用導(dǎo)水葉軸傳遞垂直方向荷載，采用拉桿傳遞水平方向荷載，導(dǎo)水葉軸輔助承擔(dān)水平方向荷載，這種荷載傳遞方式需基于零件緊密的尺寸配合，故普遍適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的明槽式水輪機(jī)。由于水流中紊流的存在、機(jī)械加工精度的偏差和蝸形鼻端產(chǎn)生的不平衡水平力，使導(dǎo)水葉常處于輕微振動(dòng)狀態(tài)，拆卸時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室導(dǎo)水葉軸孔普遍存在垂直水流方向磨損，而當(dāng)導(dǎo)水葉軸孔磨損量超過(guò)軸臺(tái)肩尺寸后，導(dǎo)水葉軸則不能傳遞上部荷載，水輪機(jī)上環(huán)和頂蓋等上部結(jié)構(gòu)直接壓在導(dǎo)水葉上，將造成導(dǎo)水葉開關(guān)困難；隨著導(dǎo)水葉軸約束減少和連接拉桿的鋼筋磨損，承載水輪機(jī)水導(dǎo)軸承、頂蓋等的水平受力體系逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樵谀p范圍內(nèi)的幾何可變體系，水平方向的位移將大大增加主軸擺度。

4 運(yùn)行管理的影響分析

4.1 管理精細(xì)化水平的影響分析

機(jī)組出力絕大多數(shù)集中在理論出力附近，但也存在機(jī)組實(shí)際出力偏離很大的工況。受水情、工情和管理水平等因素影響，水輪發(fā)電機(jī)組低效率的運(yùn)行方式客觀存在。通過(guò)定量計(jì)算理論功率，對(duì)比現(xiàn)有功率，實(shí)時(shí)判別機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，避免機(jī)組低效運(yùn)行尤為重要。

高良澗閘水電站依據(jù)機(jī)組水頭特性曲線，將機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)劃分為高效運(yùn)行區(qū)、合理運(yùn)行區(qū)和低效運(yùn)行區(qū)［4］，合理運(yùn)行區(qū)包括了80%的機(jī)組出力狀況。采用不平衡的優(yōu)化閘門調(diào)度［3］可以將機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)維持在合理運(yùn)行區(qū)以上，當(dāng)機(jī)組處于低效運(yùn)行區(qū)時(shí)，分析具體原因并加以處置，可避免粗放管理的盲目性，減少機(jī)組低效運(yùn)行，提高發(fā)電收益。

4.2 設(shè)備維修養(yǎng)護(hù)的影響分析

水輪機(jī)故障的發(fā)展是漸變的，是一個(gè)從量變到質(zhì)變的過(guò)程。軸流定漿式水輪機(jī)特性曲線狹窄，對(duì)流量變化極為敏感，當(dāng)轉(zhuǎn)輪間隙增加到一定程度，有效流量大量減少將使轉(zhuǎn)輪運(yùn)行工況點(diǎn)遠(yuǎn)離其有效工作區(qū)域，出力急劇下降。1996年3#機(jī)組性能下降16%，詳見(jiàn)表1，隨后雖然經(jīng)過(guò)多次維修，性能也很難完全恢復(fù)；2002年4#機(jī)組經(jīng)維修后性能由87%恢復(fù)至92%。

設(shè)備維修是保持機(jī)組性能的重要手段，對(duì)機(jī)組進(jìn)行維修勢(shì)必產(chǎn)生維修成本并減少發(fā)電收益，故電站管理單位更重視損壞設(shè)備的維修，對(duì)機(jī)組性能緩慢變化和設(shè)備日常養(yǎng)護(hù)重視程度不足。然而機(jī)組出力下降造成長(zhǎng)期的發(fā)電收益損失往往超過(guò)維修損失，因此，加強(qiáng)機(jī)組性能定量化分析、重視設(shè)備日常維護(hù)非常必要。

5 結(jié)論

（1）水流、機(jī)體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行管理等因素均對(duì)明槽式水輪機(jī)性能構(gòu)成影響。

（2）混凝土蝸形引水室中的蝸形鼻端并不適用于開敞式引水室，平面呈非對(duì)稱蝸形的開敞式引水室內(nèi)蝸形鼻端不僅不能起到導(dǎo)水作用，反而易引起水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪振動(dòng)降低性能，進(jìn)入水輪機(jī)的水流應(yīng)經(jīng)過(guò)流道充分調(diào)整以達(dá)到平順。

（3）明槽式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資低，但運(yùn)行一段時(shí)間后轉(zhuǎn)輪間隙容易變大，機(jī)組性能下降較快。

（4）精細(xì)的運(yùn)行管理和必要的機(jī)組維修可以保持明槽式水輪機(jī)高效運(yùn)行。

表1 高良澗閘水電站多年設(shè)計(jì)水頭工況性能比較表

6 電站增效改造對(duì)策

除了更新老化的設(shè)備，可從減少機(jī)組振動(dòng)故障著手，延緩設(shè)備性能衰減。

6.1 拆除開敞式引水室蝸形鼻端

拆除后可以避免鼻端阻水，減弱鼻端后壁的漩渦，減小不平衡力，使機(jī)組振動(dòng)減輕，有利于提升出力。

6.2 進(jìn)水流道彎管末端增設(shè)“井”形導(dǎo)流板

2#、3#機(jī)組進(jìn)水流道直線段短促，水流未得到充分調(diào)整，可在流道直線段末端增設(shè)導(dǎo)流板，加大對(duì)水流的約束，梳理紊亂水流，減輕機(jī)組振動(dòng)?！熬毙螌?dǎo)流板［5］水平上層板向下傾斜10°，水平下層板向上傾斜10°，以此可增加引水室導(dǎo)水葉層水流流速，增強(qiáng)環(huán)流。

6.3 水輪機(jī)增設(shè)輔助支撐系統(tǒng)

在水輪機(jī)上環(huán)和轉(zhuǎn)輪室之間增設(shè)4個(gè)支撐立柱，立柱包括上環(huán)連接板、導(dǎo)向支柱（上設(shè)導(dǎo)流尾翼）、調(diào)節(jié)螺栓、支柱和轉(zhuǎn)輪室連接板。將支柱的底端焊接在轉(zhuǎn)輪室連接板上，支柱的頂端經(jīng)調(diào)節(jié)螺栓聯(lián)接導(dǎo)向支柱一端，導(dǎo)向支柱另一端經(jīng)螺栓連接上環(huán)連接板，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)高度，整體構(gòu)成明槽軸流定漿式水輪機(jī)支撐立柱。

水輪機(jī)上部結(jié)構(gòu)垂直方向荷載由支撐立柱承擔(dān)，水輪機(jī)水平方向荷載受力狀態(tài)由鉸接變?yōu)閯傂赃B接，可使水輪機(jī)振動(dòng)減輕，水導(dǎo)軸承穩(wěn)定性大幅度增強(qiáng)，避免水輪機(jī)幾何不穩(wěn)定而產(chǎn)生葉輪與轉(zhuǎn)輪室接觸、碰撞和磨損等狀況，解決水輪機(jī)各部件磨損后導(dǎo)水葉承載開關(guān)困難問(wèn)題，避免水輪機(jī)因結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致性能快速下降。

6.4 加強(qiáng)設(shè)備養(yǎng)護(hù)和運(yùn)行管理

隨著機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行，機(jī)組性能將逐步降低，機(jī)組維修是恢復(fù)機(jī)組性能的重要手段。為保證維修效果，可在水導(dǎo)軸承處增設(shè)振動(dòng)檢測(cè)裝置，監(jiān)控水輪機(jī)運(yùn)行狀況。重視運(yùn)行管理，通過(guò)關(guān)注機(jī)組出力和性能曲線變化，可保障機(jī)組得到及時(shí)管護(hù)和維修，延緩機(jī)組性能衰減過(guò)程。

［1］ 王巖.軸流定槳式水輪機(jī)輪緣間隙對(duì)轉(zhuǎn)輪性能影響的分析研究［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2008.

［2］ 湖北省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院.大型電力排灌站［M］.北京：水利電力出版社，1984：109-110.

［3］ 劉紅軍，戴興標(biāo).優(yōu)化閘門調(diào)度條件下提高岸墻小水電發(fā)電功率之探索［J］.南水北調(diào)與水利科技，2010，8（2）：47-48.

［4］ 劉紅軍.高良澗閘水電站管理中的定量化分析［J］.小水電，2004（6）：18.

［5］ 余春和，咸錕，凌一清.水泵及水泵站［M］.南京：河海大學(xué)，1986:195.