羅 煜

（新疆有色金屬工業(yè)（集團）稀有有限金屬責(zé)任公司富蘊836300）

大型貫流機組存在主要問題的探討

羅 煜

（新疆有色金屬工業(yè)（集團）稀有有限金屬責(zé)任公司富蘊836300）

目前我國低水頭徑流式水電站建設(shè)之勢方興未艾，貫流式機組以其優(yōu)良的水力特性和顯著的經(jīng)濟效益倍受到廣大水電開發(fā)者的青睞。但是由于該機組發(fā)展的時間較短，在設(shè)計、制造、運行各方面或多或少存在一些問題，影響了機組的穩(wěn)定運行。本文對設(shè)計或考察過的貫流式水輪機運存在的問題進行探討，希望能夠?qū)ω灹鳈C組的設(shè)計和運行提供有益的參考。

貫流機組問題

1 引言

目前，國內(nèi)外已投運的燈泡貫流機組幾千臺套，在國內(nèi)，燈泡機組雖然起步較晚，但經(jīng)過二十多年的努力，亦有了一定的規(guī)模和水平，已建和在建的電站超過30個，作為大型貫流機組，應(yīng)該說國內(nèi)的設(shè)計、制造、安裝已經(jīng)達到一定的水平。貫流電站在國內(nèi)雖然發(fā)展速度很快，但在建設(shè)中為了追求工期和業(yè)績，缺少必要的歸納總結(jié)和設(shè)計優(yōu)化，在運行中或多或少存在一些問題，有的是由于設(shè)計選型造成的、有的是制造工藝方面的問題、有的則是由于安裝質(zhì)量造成的，究其原因，大多是由于近年來水電站開發(fā)速度較快，針對貫流機組的設(shè)計制造安裝各方面技術(shù)都缺少總結(jié)，重視不足，對出現(xiàn)的問題往往缺乏交流，以致于一些業(yè)主在調(diào)研一些電站后設(shè)計選型改變貫流機組的設(shè)計方案，一些運行人員往往反映貫流機組運行存在問題，檢修相對困難，但是瑕不掩瑜。

2 存在的問題

目前國內(nèi)貫流機組電站的運行的確存在一些問題，比如機組出力不足、發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架斷裂、輪轂漏油、槳葉操作連接螺栓斷裂、主軸密封磨損嚴重、轉(zhuǎn)輪室漏水、重錘重量偏輕、定轉(zhuǎn)子掃膛等等，有的問題在一個電站中發(fā)生，在另外的電站接連重復(fù)發(fā)生，有的問題雖經(jīng)處理，但依然不能從根本上解決問題，雖然一些問題尚沒有嚴重到事故停機，但嚴重的威脅到機組的安全運行，本文將收集到的一些共性問題進行剖析，希望有助于這些問題的解決。

2.1 機組的結(jié)構(gòu)強度設(shè)計

大多數(shù)的大型燈泡貫流機組采用單支點雙懸臂結(jié)構(gòu)，僅依靠管形座的固定導(dǎo)葉及發(fā)電機部分的輔助支臂支承固定在流道外壁的混凝土基礎(chǔ)中，燈泡體承受著靜水壓力，水錘、水流脈動、旋轉(zhuǎn)、沖擊、水的正反向瞬間增大的推力等動水壓力，本體自重以及發(fā)電機在不同工況下的扭矩、熱應(yīng)力等多種負荷。受力比較復(fù)雜，近年來，國內(nèi)投運的大型貫流機組，如凌津灘、飛來峽、青居、尼那等電站先后出現(xiàn)了阻尼線圈斷裂、管形座變形、轉(zhuǎn)子支臂開裂、發(fā)電機氣隙嚴重超標等問題，各種因素嚴重地影響了機組運行的穩(wěn)定性與可靠性，究其原因或多或少與結(jié)構(gòu)剛強度的設(shè)計有一定的關(guān)系，現(xiàn)在各個廠家雖然一般都進行了剛強度計算，但各家對于剛強度的校核準則不盡相同，加上對機組的振動擺度的評估國家尚缺乏統(tǒng)一的評判標準，所以盡管設(shè)計院在機組招標文件中對主要部件的剛強度有一定的要求，但由于各個廠家所采用材料的不同，有限元計算建模邊界條件的差異，制造工藝水平的差異，導(dǎo)致考核的標準也不盡相同。

機組整體的剛強度分析不但包含CFD的靜、動應(yīng)力分析，還應(yīng)包含軸系的動力特性分析以及振動頻率的相關(guān)計算，另外對支撐機組的管形座的應(yīng)力計算要考慮機組振動的影響，還要在設(shè)計上考慮混凝土澆筑的設(shè)計變形，一些主要結(jié)構(gòu)件的設(shè)計措施要考慮現(xiàn)場的安裝手段和工藝水平，有些制造商要求的公差在現(xiàn)場無法達到，所以在后續(xù)的安裝過程中會產(chǎn)生許多糾紛，對設(shè)備的整體質(zhì)量產(chǎn)生影響。對于貫流機組而言，氣蝕影響不大，除非是泥沙較大的地區(qū)，但是由于貫流機組的轉(zhuǎn)動慣量較小，對于支撐燈泡的從近年來國內(nèi)大型貫流機組的運行情況來看，許多電站都存在一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題而導(dǎo)致機組運行產(chǎn)生故障。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中要特別注意結(jié)構(gòu)的強度、應(yīng)力、剛度、電機溫度變化及派生等引起的變形、穩(wěn)定及振動的固有頻率計算。在機組標書中我們要求，制造廠家在機組正常運行工況下，對關(guān)鍵的部位和賣方認為需要的任何部件，可采用較低的工作應(yīng)力，重要部件的最大應(yīng)力值不大于材料屈服強度的1/3，最大應(yīng)力值不宜超過110MPa，應(yīng)力變形的絕對位移不大于2mm，在飛逸工況下可以適當(dāng)放寬。

2.2 槳葉操作系統(tǒng)漏油

對于貫流機組而言，槳葉操作系統(tǒng)漏油大多產(chǎn)生在兩個部位，一個是輪轂體上下腔的竄油，導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)丟油；另一個是槳葉操作油管路漏油。這兩種情況都會導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)的油泵頻繁啟動，引發(fā)其他故障產(chǎn)生。

槳葉的調(diào)節(jié)依靠調(diào)速的系統(tǒng)的壓力油管利用大軸的中空結(jié)構(gòu)操作，大多數(shù)大型貫流機組的油壓為6.3MPa中壓油系統(tǒng)，由于油管較長且要隨大軸旋轉(zhuǎn)和操作槳葉前后運動，這樣對油管接口密封的結(jié)構(gòu)提出了很高要求。

2.3 主軸密封設(shè)計

燈泡貫流機組主軸密封是經(jīng)常出現(xiàn)問題的地方之一，主軸密封形式多種多樣，主要有梳齒密封、盤根密封、多道V型密封、多道L型密封、端面+盤根密封等多種形式。國內(nèi)已運行的大部分貫流機組主軸密封均有不同程度的漏水，甚至部分電站的主軸密封在汛期根本無法實現(xiàn)密封水的作用，曾多次導(dǎo)致停機。故在選擇主軸密封的形式中首先應(yīng)對燈泡貫流機組主軸密封常用的型式有所了解，并應(yīng)積極收集各已建電站在實際的運行過程中的情況，選擇應(yīng)用較為成熟的設(shè)計型式；其次，對于密封材料的選擇也非常重要，例如：可采用進口的聚四氟乙烯材料作為盤根密封，端面或密封材料可采用進口的高分子材料，如塞斯德爾、塞龍等。

2.4 潤滑油系統(tǒng)管路

貫流機組受油器竄油問題在很多電站均不同程度的體現(xiàn)。一些水電站整個潤滑系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)分為兩個獨立的系統(tǒng)，即軸承潤滑系統(tǒng)由軸承高位油箱、輪轂高位油箱、低位油箱以及高低位油箱之間的各種管路和自動化元件組成；調(diào)速系統(tǒng)由回油箱、漏油箱以及其間的各種管路和自動化元件組成。就從主機廠的原設(shè)計來講，輪轂高位油箱的油壓用于轉(zhuǎn)輪輪轂內(nèi)增壓擋水，壓力一般不會泄壓，所以可認為輪轂高位油箱無需補油。調(diào)速器漏油箱用來接從受油器漏出的油，按照原理上來說，僅有少量油會漏出，等油位到達一定程度，便直接油泵打至回油箱中。所以，在普通燈泡貫流機組設(shè)計中，設(shè)計人員對此應(yīng)引起足夠的注意，建議將輪轂高位油箱和調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)一為一個系統(tǒng)，漏油箱的油可直接打至輪轂油箱，而輪轂油箱可接溢油管至回油箱。針對貫流機組結(jié)構(gòu)布置特點，潤滑油泵對于機組的安全穩(wěn)定運行是非常重要的，通常在低位油箱上設(shè)置有2臺油泵，單臺油泵的容量應(yīng)能滿足各部軸承的潤滑需要，以保證各部軸承瓦溫在允許的范圍之內(nèi)，一臺為主用，一臺為備用。容量的選擇計算書，以復(fù)核其是否能滿足運行要求。

2.5 燈泡機組的漏水問題

在目前運行的很多大中型燈泡貫流機組在很多地方存在漏水現(xiàn)象，尤其是底部操作廊道漏水，其主要的漏水源有：（1）水工結(jié)構(gòu)影響，即帷幕灌漿質(zhì)量或混凝土永久縫的澆注質(zhì)量?？刹扇「鞣N灌漿、化學(xué)、樹脂、水力等方式進行處理；（2）導(dǎo)葉軸套漏水。在比較早的導(dǎo)葉軸套設(shè)計中采用“O”型密封圈，而與密封圈相配合的“O”型槽設(shè)計較淺，在安裝公司的安裝過程中很容易將密封圈擠至槽外，而引起軸套的漏水，解決這種漏水的方法主要是加深“O”槽深度，另外在密封圈材質(zhì)的選用上亦應(yīng)采用不易磨損，不易斷裂的材料；（3）在轉(zhuǎn)輪室與基礎(chǔ)環(huán)連結(jié)的法蘭面處也存在大量漏水的現(xiàn)象。其原因主要是安裝質(zhì)量問題，即沿法蘭面圓周的螺栓未全部上緊或局部斷裂，故在機組發(fā)電前應(yīng)嚴格檢查螺栓的松緊程度，必要時在機組招標文件中可要求采用高強螺栓；（4）流道檢修閥漏水。鑒于貫流機組的結(jié)構(gòu)特點及廠房布置特點，水輪機流道排水閥一般均布置在底部操作廊道，該廊道地處底部，容易受潮，且閥門布置空間小，容易出現(xiàn)閥上不緊等缺陷，故在設(shè)計中一方面在選擇閥門時應(yīng)充分考慮此處工作環(huán)境，選擇較好的閥門、法蘭材質(zhì)。另外，因排流道水時水內(nèi)含有大量泥沙，閥門應(yīng)采用硬密封。

3 結(jié)束語

我國水輪機調(diào)節(jié)技術(shù)與國際先進水平基本保持同步，在適應(yīng)式變參數(shù)PID調(diào)節(jié)、電機式電/機轉(zhuǎn)換、雙機交叉冗余和機組功率控制模式上處于國際領(lǐng)先地位，但在產(chǎn)品可靠性、產(chǎn)品質(zhì)量、工藝水平等方面與國外產(chǎn)品有一定差距；系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模式：電氣-機械/液壓轉(zhuǎn)換元件+主配壓閥的經(jīng)典形式，控制方式依然采用傳統(tǒng)模擬控制或間接數(shù)字控制，并未得到根本性的改變，隨著液壓集成和電子控制領(lǐng)域技術(shù)迅速進步，如何加快現(xiàn)代液壓技術(shù)在調(diào)速器機柜中的應(yīng)用、推動調(diào)速器機柜的升級換代，在系統(tǒng)設(shè)備的調(diào)節(jié)控制方式，主要元件多采用國際知名品牌標準液壓件、模塊化、集成化程度，以及元件的穩(wěn)態(tài)耗油泄漏量、使機柜的工作可靠性有了全面的保證。真正做到調(diào)速系統(tǒng)免維護，并在技術(shù)上精益求精，適應(yīng)式變參數(shù)的頻率調(diào)節(jié)規(guī)律、快速、無超調(diào)的機組功率控制規(guī)律、系統(tǒng)集成的產(chǎn)品模式和全數(shù)字式水輪機微機調(diào)速器等方向是水輪機數(shù)字式電液調(diào)速器的主要發(fā)展趨勢。很有可能成為推動和促進我國調(diào)速器產(chǎn)品迅速擠身國際先進水平最有希望的快捷途徑之一。

[1]魏守平.現(xiàn)代水輪機調(diào)節(jié)技術(shù).華中科技大學(xué)出版社，2002，01.

[2]田樹棠.貫流式水輪發(fā)電機組及其選擇方法.中國電力出版社，2000，05.

[3]沙錫林.貫流式水電站.中國水利水電出版社，1999，12.

[4]魏守平，羅萍，盧本捷.我國水輪機數(shù)字式電液調(diào)速器評述.水電自動化與大壩監(jiān)測,2003,27(5):1-6.

收稿：2015-03-10

10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2015.04.039