王 嘉，謝 輝，周 斌，王春雷

（1. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；2. 黃龍灘水力發(fā)電廠，湖北 十堰 442000；3. 黑龍江哈電多能水電開發(fā)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150000）

0 前言

黃龍灘水電站施工于1960年代末期，哈爾濱電機(jī)廠為其設(shè)計(jì)和制造了單機(jī)容量 7.5萬千瓦的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。機(jī)組共2臺，投產(chǎn)近50年來創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但由于設(shè)備利用率高，運(yùn)行時(shí)間長，并且電站下游丹江口水庫由于南水北調(diào)工程對大壩進(jìn)行加高，造成黃龍灘電廠尾水位升高10m以上，尾水位上升會導(dǎo)致尾水從水輪機(jī)大軸補(bǔ)氣孔倒灌至發(fā)電機(jī)內(nèi)，會造成嚴(yán)重事故。補(bǔ)氣裝置存在的隱患嚴(yán)重影響到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮，故此需改造原有機(jī)組的補(bǔ)氣裝置。

1 水輪機(jī)組補(bǔ)氣裝置的作用

固有頻率重合而產(chǎn)生共振，引起機(jī)組振動或負(fù)荷擺動。渦帶還會破壞水輪機(jī)過流表面，使得過流部件產(chǎn)生氣蝕或裂紋。

水輪機(jī)組的補(bǔ)氣裝置就是為了在機(jī)組出現(xiàn)不穩(wěn)定工況時(shí)，補(bǔ)入空氣，破壞渦帶，借以吸震及降低漩渦強(qiáng)度，改善機(jī)組的運(yùn)行狀況。同時(shí)對產(chǎn)生空蝕的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)氣可減輕或防止過流部件的空蝕破壞，提高水輪機(jī)組出力和轉(zhuǎn)輪壽命。在緊急關(guān)機(jī)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)氣，還可以減輕水錘現(xiàn)象，減少部件振動和擺動。補(bǔ)氣時(shí)，為了減少噪音，補(bǔ)氣管徑要足夠大。但在不需要補(bǔ)氣的時(shí)候，補(bǔ)氣裝置還需防止尾水從補(bǔ)氣管流出，要求其密封性必須可靠。故補(bǔ)氣裝置對于混流式水輪機(jī)組是必不可少的部件。

在混流式水輪機(jī)組偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)，由于水流擾動，不同程度地會出現(xiàn)壓力脈動現(xiàn)象。此時(shí)尾水管內(nèi)出現(xiàn)渦帶，由于渦帶強(qiáng)烈擾動，或其頻率與機(jī)組

2 黃龍灘水電站1號、2號機(jī)組補(bǔ)氣裝置現(xiàn)況

黃龍灘水電站1號、2號機(jī)組補(bǔ)氣裝置采用的是主軸中心孔補(bǔ)氣、尾水管十字架補(bǔ)氣、頂蓋真空破壞閥補(bǔ)氣相結(jié)合的形式。

2.1 主軸中心孔補(bǔ)氣

主軸中心孔補(bǔ)氣裝置安裝在轉(zhuǎn)輪泄水錐內(nèi)，安裝位置高程為161.9m，在轉(zhuǎn)輪泄水錐下端法蘭面上裝有Φ200mm空氣閥，如圖1所示。不需補(bǔ)氣時(shí)彈簧把密封球頂在閥口處，起密封作用。當(dāng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下方出現(xiàn)真空現(xiàn)象并且真空度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，密封球兩側(cè)的壓力差將密封球壓下，補(bǔ)氣通道打開，大氣從發(fā)電機(jī)頂軸的頂端（高程為173m）通過主軸內(nèi)孔，進(jìn)行自動補(bǔ)氣。

圖1 大軸中心孔補(bǔ)氣

2.2 尾水管十字架補(bǔ)氣

在尾水管進(jìn)口裝有十字架補(bǔ)氣裝置，十字架管路經(jīng)過通氣環(huán)管引至尾水平臺上與Φ200尾水補(bǔ)氣閥連接，在尾水管產(chǎn)生真空時(shí)進(jìn)行自動補(bǔ)氣。

2.3 頂蓋真空補(bǔ)氣

1、2號機(jī)組在頂蓋+Y與-Y方向安裝有2只Φ150頂蓋真空補(bǔ)氣閥，當(dāng)轉(zhuǎn)輪室生產(chǎn)真空時(shí)打開補(bǔ)氣閥進(jìn)行自動補(bǔ)氣。

3 黃龍灘水電站1、2號機(jī)組補(bǔ)氣裝置的隱患

目前黃龍灘水電站的尾水位為162～165m。但由于進(jìn)行南水北調(diào)工程，下游水庫水位升高至 155～170m之間。故每年的11月至第二年的5月之間，下游丹江口水庫的水位會升高到170m左右。此時(shí)如果黃龍灘四臺機(jī)組同時(shí)發(fā)電或者泄洪時(shí)，尾水位將會進(jìn)一步升高，超過發(fā)電機(jī)層高程，發(fā)電機(jī)頂軸高程為173m，如密封失效，尾水會從頂軸溢出，直接水淹發(fā)電機(jī)組，產(chǎn)生嚴(yán)重的事故。

1號、2號機(jī)組采取的補(bǔ)氣方式為主軸、尾水管以及頂蓋補(bǔ)氣，當(dāng)機(jī)組在不穩(wěn)定或過渡工況運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪下部形成真空，引起振動，此時(shí)空氣閥自動開啟，將空氣送入轉(zhuǎn)輪下部以消除真空，保護(hù)設(shè)備。同時(shí)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造，機(jī)組出力增加，水輪機(jī)的過流量增加，機(jī)組原有的補(bǔ)氣量可能不能滿足運(yùn)行要求，達(dá)不到補(bǔ)氣效果。

此外原有的主軸中心補(bǔ)氣閥采用的是橡膠球形式的單層密封，長期泡在水中，橡皮球極易老化，經(jīng)一段時(shí)間運(yùn)行后橡膠球在頻繁的補(bǔ)氣動作沖擊下被壓出凹槽變形，會造成補(bǔ)氣閥密封失效。補(bǔ)氣閥密封彈簧銹蝕老化失效，也會造成密封不嚴(yán)。故尾水位過高時(shí)，尾水將由于的密封失效而從主軸軸孔進(jìn)入發(fā)電機(jī)層，水淹機(jī)組，嚴(yán)重影響電廠安全運(yùn)行。

4 補(bǔ)氣裝置結(jié)構(gòu)改造和補(bǔ)氣計(jì)算

4.1 補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)型式的選擇

補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)按其補(bǔ)氣位置不同，通常有3種結(jié)構(gòu)型式：主軸中心孔補(bǔ)氣、頂蓋強(qiáng)迫補(bǔ)氣、尾水管十字架補(bǔ)氣[3]。

黃龍灘水電站1號、2號機(jī)組原采用的主要是尾水管十字架補(bǔ)氣和主軸中心孔補(bǔ)氣相結(jié)合的形式。水輪機(jī)尾水管十字架補(bǔ)氣（如圖2所示）的優(yōu)點(diǎn)是能在部分工況下補(bǔ)氣，減輕尾水管壓力脈動對整個(gè)機(jī)組的影響。缺點(diǎn)是補(bǔ)氣量不大，機(jī)組改造時(shí)也難以再對埋入混凝土的進(jìn)氣管進(jìn)行改進(jìn)。

圖2 尾水管十字補(bǔ)氣架

而采用頂蓋真空破壞閥補(bǔ)氣（如圖3所示），補(bǔ)氣效果由于尾水位的升高會有更好的效果。但現(xiàn)有的真空破壞閥尺寸偏小，不能滿足增容的需求。如改造，則需重新配置2個(gè)真空破壞閥及相應(yīng)的配套設(shè)施，成本太高。并且如采用頂蓋真空破壞閥補(bǔ)氣型式，需對頂蓋進(jìn)行改造，并重新鋪設(shè)氣管路，這對于老機(jī)組改造是個(gè)很大工作量，也是不宜采用的改造方案。

1號、2號機(jī)組原有的大軸中心補(bǔ)氣閥僅有一個(gè)橡膠球依靠彈簧作為密封，而且安裝在主軸下端轉(zhuǎn)輪泄水錐內(nèi)，一旦發(fā)生漏水不能快速進(jìn)行檢修，需要落下工作閘門和尾水閘門，排空壓力鋼管和尾水管內(nèi)的積水，打開尾水進(jìn)人孔，搭設(shè)尾水檢修平臺，才能進(jìn)行檢修，需要較長的檢修工期。

通過可操作性和經(jīng)濟(jì)性研究，改進(jìn)后的補(bǔ)氣裝置的結(jié)構(gòu)采用主軸中心孔補(bǔ)氣型式。1號、2號機(jī)組的補(bǔ)氣裝置重新計(jì)算補(bǔ)氣量，結(jié)構(gòu)上也是全新設(shè)計(jì)。將新結(jié)構(gòu)的補(bǔ)氣閥安裝在發(fā)電機(jī)頂軸上，通過水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)大軸的內(nèi)孔進(jìn)行補(bǔ)氣。但保留原有的尾水管補(bǔ)氣裝置，增加補(bǔ)氣量。

圖3 頂蓋真空補(bǔ)氣閥

圖4 丹江口水庫大壩加高后水庫運(yùn)行曲線

4.2 補(bǔ)氣裝置計(jì)算

通常水輪機(jī)的補(bǔ)氣量是按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，如下列公式所示[3]：

Qk=0.001Kq(Hc+10)Qmax(m3/s)

式中：Kq——試驗(yàn)系數(shù)；

Qmax——水輪機(jī)最大流量(m3/s)；

Qk——補(bǔ)氣量(m3/s)。

此公式計(jì)算出的補(bǔ)氣量一般作為參考，同時(shí)由于機(jī)組出力、水頭、空蝕系數(shù)等因素影響補(bǔ)氣量的計(jì)算，故大部分機(jī)組的補(bǔ)氣量計(jì)算需參照同類型機(jī)組的運(yùn)行情況，按下列公式計(jì)算：

Qk=（0.8%～2%）QH

式中：QH——額定流量。

參考近年來一些電站的運(yùn)行情況，特別是與黃龍灘機(jī)組相近的電站，如改造后的新安江電站、新豐江電站等。對比各電站補(bǔ)氣裝置運(yùn)行情況，重新選定了補(bǔ)氣量的參數(shù)，選定Qk=1.5%QH，即

Qk=1.5%QH=1.5%×132.3=1.98 m3/s

其他參數(shù)的設(shè)計(jì)見表1。

表1 其他參數(shù)的設(shè)計(jì)

4.3 補(bǔ)氣閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于尾水會通過主軸內(nèi)孔到達(dá)補(bǔ)氣閥位置，如密封失效則會流進(jìn)發(fā)電機(jī)。故增加了一道密封，即補(bǔ)氣閥采用雙密封的結(jié)構(gòu)型式。第一道密封設(shè)置在補(bǔ)氣閥下方，設(shè)計(jì)為常關(guān)結(jié)構(gòu)，當(dāng)密封下方壓力達(dá)到-0.05MPa時(shí)閥門打開；當(dāng)真空消失后閥門自動關(guān)閉，即密封投入。閥門的開啟程度及開啟值通過補(bǔ)氣閥內(nèi)的彈簧調(diào)整[1]。

在第一層密封即閥體下部，增設(shè)一個(gè)浮筒密封裝置。此浮筒裝置處于常開狀態(tài)，不影響補(bǔ)氣閥的正常補(bǔ)氣。而當(dāng)尾水位上升、主軸內(nèi)水位上升到浮筒閥高程時(shí)，水的浮力作用在浮筒上，浮筒通過閥軸上移，關(guān)閉尾水上升通道，保證尾水不會從上部的補(bǔ)氣閥漏出，進(jìn)而控制尾水不會流入發(fā)電機(jī)層，如圖5所示。

圖5 1、2號機(jī)組補(bǔ)氣裝置改造圖

在補(bǔ)氣閥的外部設(shè)計(jì)了補(bǔ)氣室，罩住補(bǔ)氣閥，既美觀而且設(shè)計(jì)了排水管路。冷凝水或者少量的涌水通過排水管路到廠房排水溝內(nèi)，保證機(jī)組安全運(yùn)行[2]。

4.4 1、2號機(jī)組補(bǔ)氣閥改造的實(shí)施

采用新的雙密封補(bǔ)氣閥DN300，需要對機(jī)組的部件進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)如下：

1) 暫時(shí)保留原有的尾水管補(bǔ)氣裝置作為補(bǔ)充；

2) 取消轉(zhuǎn)輪內(nèi)部原有的浮球空氣閥；

3) 在發(fā)電機(jī)頂軸上加工固定補(bǔ)氣室的螺孔；

4) 主軸內(nèi)孔直接作為進(jìn)氣管道，需要在各段主軸法蘭的部位，增設(shè)密封槽；增加補(bǔ)氣室及其進(jìn)氣管和排水管。

5 論證結(jié)論和改造效果

黃龍灘1號、2號機(jī)組補(bǔ)氣裝置的改造在計(jì)算上是理論和實(shí)際相結(jié)合，借鑒了多個(gè)電站的運(yùn)行情況[4]，增加了補(bǔ)氣量。在結(jié)構(gòu)上，根據(jù)黃龍灘電站的尾水位變化情況，增設(shè)了密封保護(hù)，有兩道密封防止尾水位升高所帶來的安全隱患，提高機(jī)組的安全和可靠性。同時(shí)由于改造的部件較少，改動少，對土建沒有影響，故不影響到機(jī)組的整體布置，改造工程容易實(shí)施。

目前，改造后的補(bǔ)氣裝置已在1號機(jī)組實(shí)施。實(shí)施后，在機(jī)組運(yùn)行過程中，滿足尾水升高后的補(bǔ)氣需要。補(bǔ)氣裝置未出現(xiàn)異常情況，能夠滿足機(jī)組正常運(yùn)行的需要。

[1]張克危, 等. 流體機(jī)械原理[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

[2]羅惕乾, 等. 流體力學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

[3]哈爾濱大電機(jī)研究所. 水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1976.

[4]黃源芳, 等. 原型水輪機(jī)運(yùn)行研究[M]. 北京：中國電力出版社, 2010.