祝繼文，李士軍

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150000)

1 概 述

貫流式水輪發(fā)電機(jī)組因轉(zhuǎn)輪過流能力強(qiáng)，效率高，且電站土建開挖量少、建設(shè)周期短、總體投資省，是開發(fā)利用30m以下低水頭水力資源和潮汐能的良好機(jī)型，而燈泡貫流式是貫流式機(jī)組的常用布置型式。哈電機(jī)在燈泡貫流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)制造方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)，先后為國內(nèi)外數(shù)十個(gè)電站如江口、凌津?yàn)?、洪江、株洲、紅花、大頂子山、蜀河、馬里費(fèi)盧、竹拉蘭等提供了成套的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。

哈電機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造的韓國黨津燈泡貫流式海洋水力發(fā)電機(jī)組位于韓國西部的唐津郡，與中國煙臺、青島隔海相望。機(jī)組發(fā)電水源為火電廠排出的火電機(jī)組冷卻用海水，尾水直接與海岸相連。由于海洋的潮汐特性，機(jī)組的運(yùn)行水頭每天隨潮汐變化而變化。該機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑僅有3.1m，是哈電機(jī)生產(chǎn)制造的最小燈泡貫流式水輪機(jī)。由于過機(jī)介質(zhì)為海水，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選取和海水防腐方面與常規(guī)機(jī)組有明顯區(qū)別。

2 水輪機(jī)基本參數(shù)

水輪機(jī)型號： GZ(A969a)-WP-310；

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑： 3.1m；

轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)： 3；

水輪機(jī)額定出力： 2240KW；

最大水頭： 6.37m；

額定水頭： 4.38m；

最小水頭： 1.69m；

額定轉(zhuǎn)速： 150r/min；

機(jī)組旋轉(zhuǎn)方向：順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(從上游向下游方向看)。

3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

韓國黨津水輪發(fā)電機(jī)組剖面圖見圖1。

圖1 韓國黨津水輪發(fā)電機(jī)組剖面圖

3.1 埋入部分

埋入部分裝配包括尾水管、轉(zhuǎn)輪室、伸縮節(jié)、管型座、流道蓋板、導(dǎo)流板及拉錨、墊板、埋管等，其中轉(zhuǎn)輪室、伸縮節(jié)、流道蓋板、導(dǎo)流板非埋件，按哈電設(shè)計(jì)慣例歸入埋入部分裝配。管型座分為內(nèi)殼體、外殼體，內(nèi)殼體為整體結(jié)構(gòu)，外殼體為分瓣結(jié)構(gòu)。整個(gè)管型座在廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)裝。尾水管的進(jìn)口段設(shè)有進(jìn)人門，方便檢修維護(hù)人員進(jìn)入流道[1]。

3.2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配包括導(dǎo)葉內(nèi)配水環(huán)、外配水環(huán)、導(dǎo)葉、控制環(huán)、連桿機(jī)構(gòu)等。導(dǎo)葉內(nèi)外配水環(huán)均采用不銹鋼材料整體焊接制造。由于機(jī)組尺寸較小，導(dǎo)葉上軸頸處采用傳統(tǒng)的自潤滑筒式軸承，在導(dǎo)葉下軸頸處設(shè)有復(fù)合材料的自潤滑軸套，在導(dǎo)葉連桿機(jī)構(gòu)中設(shè)有可自動調(diào)心的自潤滑關(guān)節(jié)軸承，保證活動導(dǎo)葉在機(jī)組運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)動靈活。導(dǎo)葉的安全保護(hù)采用V型安全連桿機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，在導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)被異物卡住后產(chǎn)生彎曲變形，不影響其它導(dǎo)葉的正常關(guān)閉，同時(shí)發(fā)出報(bào)警停機(jī)信號，更換新的連桿后機(jī)組可正常運(yùn)行。

在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中設(shè)有重錘保護(hù)裝置，當(dāng)接力器的操作油壓過低時(shí)，導(dǎo)葉可依靠重錘所產(chǎn)生的力矩來實(shí)現(xiàn)自動關(guān)閉，以保證機(jī)組的安全；

導(dǎo)葉接力器為直缸搖擺式接力器，豎直布置在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)下方的接力器支墩上。接力器設(shè)有鎖錠裝置，在機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)將導(dǎo)葉鎖在全開位置，在機(jī)組正常停機(jī)時(shí)將導(dǎo)葉鎖在全關(guān)位置[2]。

3.3 轉(zhuǎn)動部分

3.3.1 主軸

主軸為整鍛結(jié)構(gòu)，水輪機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)共用。主軸法蘭采用螺栓分別與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪聯(lián)接，采用銷傳遞扭矩。

3.3.2 轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪裝配包括轉(zhuǎn)輪體、葉片、葉片樞軸、轉(zhuǎn)臂、接力器缸、接力器缸蓋、活塞、活塞桿、泄水錐等，轉(zhuǎn)輪為缸動結(jié)構(gòu)，接力器缸布置在轉(zhuǎn)輪中心線的下游側(cè)，操作壓力6.3MPa。轉(zhuǎn)輪有3個(gè)葉片，葉片材料為鑄造不銹鋼。轉(zhuǎn)輪體由不銹鋼整鑄而成。轉(zhuǎn)輪接力器活塞采用組合密封結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)活塞環(huán)結(jié)構(gòu)，葉片密封為V型組合密封，可在不拆卸葉片的情況下很方便地更換密封件。轉(zhuǎn)輪在廠內(nèi)預(yù)裝后進(jìn)行靜平衡配重，然后進(jìn)行密封試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)和動作試驗(yàn)。

3.3.3 主軸密封

主軸密封由檢修密封和工作密封組成，工作密封主要由密封座、徑向盤根密封、抗磨環(huán)、密封蓋等組成。盤根密封圈采用聚四氟乙烯浸漬碳纖維材料，采用清潔海水潤滑，供水壓力0.15-0.2MPa。檢修密封為實(shí)心空氣圍帶，檢修時(shí)投入壓縮空氣，供氣壓力0.5-0.8MPa，用氣量約5L/次。主軸密封設(shè)有自流排水管接入排水系統(tǒng)。

3.3.4 水導(dǎo)軸承

水導(dǎo)軸承采用徑向臥式筒式軸承。機(jī)組在啟動過程中利用高壓油頂起系統(tǒng)將轉(zhuǎn)動部分頂起，防止軸瓦燒毀。水導(dǎo)軸承潤滑油系統(tǒng)為外冷式，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，軸承潤滑油循環(huán)方式為：高位油箱→水導(dǎo)軸承→低位油箱→升壓泵→油冷卻器→油過濾器→高位油箱。

3.3.5 受油器

受油器采用浮動瓦結(jié)構(gòu)，共兩塊浮動瓦。從結(jié)構(gòu)上將反饋軸的水平運(yùn)動與其自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動分開，減少了浮動瓦的磨損。受油器的漏油直接排入低位油箱。受油器帶有指針，通過輪轂供油管反饋轉(zhuǎn)輪葉片的開度。

3.3.6 循環(huán)油系統(tǒng)

循環(huán)油系統(tǒng)由低位油箱、軸承輪轂集成式高位油箱、增壓螺桿泵、油過濾器、油冷卻器及相關(guān)附件組成。高位油箱主要用于提供機(jī)組轉(zhuǎn)輪輪轂、水導(dǎo)軸承及發(fā)電機(jī)組合軸承潤滑油。潤滑油從高位油箱自流至導(dǎo)軸承內(nèi)表面，對軸瓦進(jìn)行潤滑并帶走主軸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量，然后流入低位油箱，低位油箱通過增壓泵、過濾器、冷卻器將潤滑油泵入高位油箱，如此往復(fù)循環(huán)。潤滑油流量在機(jī)組調(diào)試時(shí)通過手動閥控制，保證經(jīng)濟(jì)性、安全性。

4 海水防腐應(yīng)用

4.1 不銹鋼材料在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

由于機(jī)組采用海水發(fā)電，廠房及燈泡內(nèi)均為鹽霧環(huán)境，對機(jī)組的材料腐蝕很嚴(yán)重，因此機(jī)組的核心部件均為不銹鋼材質(zhì)。根據(jù)不同材料動態(tài)腐蝕性能測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比：材料腐蝕速度以雙相不銹鋼最慢，其次為奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼，碳鋼最快。對不銹鋼的鈍化性能而言，雙相不銹鋼的在腐蝕介質(zhì)中鈍化保護(hù)膜的穩(wěn)定性最好，其次為奧氏體不銹鋼，馬氏體不銹鋼最差。

綜合考慮水輪機(jī)管型座、內(nèi)外配水環(huán)、轉(zhuǎn)輪室、尾水管采用奧氏體不銹鋼板，導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片、轉(zhuǎn)輪體采用馬氏體不銹鋼鑄件，管路、法蘭、彎頭、緊固件采用奧氏體不銹鋼材料制造。實(shí)踐證明上述不銹鋼材料有明顯的抗海水腐蝕性能，機(jī)組運(yùn)行一年多來未發(fā)生嚴(yán)重的銹蝕和電化學(xué)腐蝕，尤其是內(nèi)外配水環(huán)和轉(zhuǎn)輪室法蘭端面均光亮如鏡。

4.2 陰極保護(hù)系統(tǒng)和軸接地裝置的應(yīng)用

整套機(jī)組安裝了強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)和軸接地裝置。

陰極保護(hù)系統(tǒng)主要包括恒電位儀、輔助陽極、參比電極。

輔助陽極與參比電極布置圖見圖2。

圖2 輔助陽極與參比電極布置圖

恒電位儀供電為三相480V，頻率為60Hz。具有手動和自動兩種工作模式。

輔助陽極采用多個(gè)圓盤狀鈦基金屬氧化物陽極，分別布置在泡頭，管型座，外配水環(huán)和轉(zhuǎn)輪室上。

參比電極采用多個(gè)圓盤狀高純鋅參比電極，與泡頭，管型座，外配水環(huán)和轉(zhuǎn)輪室上的輔助陽極布置在同一個(gè)斷面，與輔助陽極呈90°布置。

為防止轉(zhuǎn)輪葉片的電化學(xué)腐蝕，采用軸接地裝置使得轉(zhuǎn)輪葉片與發(fā)電機(jī)艙體的電位差降到 0.1V 以下，以避免電化學(xué)腐蝕。軸接地裝置主要包括轉(zhuǎn)環(huán)、碳刷和刷架

通過兩年多的運(yùn)行實(shí)踐證明機(jī)組的陰極保護(hù)系統(tǒng)對于流道內(nèi)的海水腐蝕有明顯的保護(hù)作用，保護(hù)電極安裝處流道清潔無雜物附著。

4.3 表面防腐噴涂

燈泡頭、豎井、框架蓋板、管型座、水平支撐、垂直支撐等零件過流表面采用聚脲噴涂。水輪機(jī)內(nèi)配水環(huán)、外配水環(huán)、轉(zhuǎn)輪體、葉片、轉(zhuǎn)輪室、尾水管等過流部件均采用不銹鋼材料，為了達(dá)到進(jìn)一步防護(hù)效果，在以上部件的過流表面噴涂海水防腐漆，材料為無溶劑環(huán)氧耐潮濕涂料，最小干膜總厚度450μm。

5 結(jié) 語

韓國黨津水輪機(jī)成功的完成了設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試，并于2014年9月17日發(fā)電，機(jī)組的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到合同要求，總體性能良好，但水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的個(gè)別細(xì)節(jié)還可以進(jìn)一步完善和優(yōu)化，個(gè)別部件的材料選擇及表面防護(hù)措施還需要進(jìn)一步跟蹤驗(yàn)證，以便在今后潮汐水輪機(jī)的設(shè)計(jì)中進(jìn)行改進(jìn)。該項(xiàng)目是哈電機(jī)公司首個(gè)韓國海水貫流項(xiàng)目，在哈電機(jī)公司成熟的燈泡貫流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上應(yīng)用了相關(guān)防海水腐蝕措施，為開發(fā)韓國潮汐發(fā)電市場打下了基礎(chǔ)。

[1]李迪楚.中小型燈泡貫流式水輪機(jī)參數(shù)的選擇方法[J].中國農(nóng)村水利水電，2006(05):69-70.

[2]孫旭東.燈泡貫流式水輪機(jī)水力振動的形成及其影響[J].電站系統(tǒng)工程，2006(05)：88-90.