水泵水輪機(jī)特點(diǎn)

1、天 荒 坪 抽 水 蓄 能 電 站水泵水輪機(jī)特點(diǎn)華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司 游光華浙江 安吉 313302摘要 天荒坪抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)組由挪威KVAERNER公司提供，是我國(guó)較早從國(guó)外引進(jìn)的大型可逆式機(jī)組，自首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)至今已有7年多。本文總結(jié)分析了水泵水輪機(jī)7年多的運(yùn)行中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，以供參考借鑒。主題詞 天荒坪 抽水蓄能 水泵水輪機(jī) 性能 “S”形特性 不穩(wěn)定 軸向水推力 抬機(jī) 導(dǎo)葉 關(guān)閉規(guī)律天荒坪抽水蓄能電站安裝有6臺(tái)300MW水泵水輪機(jī)組，為單級(jí)、立軸、混流可逆式，額定凈水頭為526米，運(yùn)行毛水頭（揚(yáng)程）為526米610.2米，水輪機(jī)安裝高程為225米，淹沒(méi)深度為-70米

2、，是目前國(guó)內(nèi)已投產(chǎn)運(yùn)行的水頭和變幅最大的單級(jí)可逆式機(jī)組，在國(guó)際上也較罕見(jiàn)，為使其達(dá)到滿(mǎn)意的效率和良好的運(yùn)行穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)難度大，沒(méi)有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。水泵水輪機(jī)的參數(shù)如下：水輪機(jī)工況：水泵工況：額定容量：306MW333MW最大軸出力（入力）：338MW333MW額定流量：67.7m3/s58.80m3/s（最大）43.00m3/s（最?。╊~定轉(zhuǎn)速：500RPM500RPM旋向（俯視）：順時(shí)針逆時(shí)針轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)進(jìn)口直徑：4030mm轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)出口直徑：2045mm最大瞬態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速：720 r/min最大穩(wěn)態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速：680 r/min水泵水輪機(jī)及其輔助設(shè)備由挪威GE 公司提供。水泵水輪機(jī)大修拆卸

3、方式采用中拆方式。首臺(tái)機(jī)組于1998年9月30日投入運(yùn)行，2000年12月25日所有機(jī)組投產(chǎn)，投產(chǎn)以來(lái)運(yùn)行情況表明，機(jī)組性能良好，效率較高，但也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，在技術(shù)人員的努力下，通過(guò)采取措施，相關(guān)問(wèn)題已得到了較好的解決。1 水泵水輪機(jī)的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.1 效率按照合同規(guī)定，水泵水輪機(jī)的效率按照模型試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)收，合同要求水輪機(jī)工況的最高效率³ 92.20，加權(quán)平均效率³ 90.41，水泵工況最高效率³ 91.70，加權(quán)平均效率 ³ 91.52。根據(jù)模型試驗(yàn)報(bào)告，水輪機(jī)工況的模型最優(yōu)效率為90.61%，折算為原型其整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)的最優(yōu)效率為92.28%，加

4、權(quán)平均效率為90.317%，而水泵工況下模型最優(yōu)效率為89.84%，折算原型最優(yōu)效率為92.17%，加權(quán)平均效率為92.01%，除水輪機(jī)工況加權(quán)平均效率略低于保證值0.083外，其余均達(dá)到合同要求。為了檢驗(yàn)真機(jī)效率，我們于2001年5月在5號(hào)機(jī)組上進(jìn)行了部分水頭（揚(yáng)程）的熱力法效率試驗(yàn)，測(cè)得水輪機(jī)工況下在試驗(yàn)平均凈水頭566.23 m時(shí)，機(jī)組出力為210304.06 MW,水輪機(jī)最高效率為92.11，相應(yīng)機(jī)組出力272.00 MW；水泵工況試驗(yàn)平均凈揚(yáng)程為542.09 m，水泵平均效率為88.99。從上述結(jié)果可以看出，水輪機(jī)工況的最高效率已接近模型推算值，水泵工況效率偏低，我們認(rèn)為主要是水泵工

5、況的試驗(yàn)揚(yáng)程較低所致。因測(cè)量范圍有限和測(cè)量誤差，我們不能全面判斷最高效率和加權(quán)平均效率能否達(dá)到模型試驗(yàn)的推算結(jié)果，但從多年來(lái)的抽水電量與發(fā)電電量統(tǒng)計(jì)表明，全廠的綜合效率接近80%，由此可反映機(jī)組的效率比較高。1.2 汽蝕合同要求水泵水輪機(jī)汽蝕量為機(jī)組運(yùn)行3000小時(shí)轉(zhuǎn)輪材料的失重量不大于2公斤。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前失重最多的一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行12000小時(shí)，汽蝕補(bǔ)焊焊條約4.0公斤，汽蝕性能優(yōu)于合同規(guī)定。我們現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，汽蝕一般發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片的水泵工況進(jìn)口，且多發(fā)生在正壓面，由此推斷汽蝕多由水泵工況運(yùn)行產(chǎn)生，說(shuō)明水泵工況的汽蝕性能比水輪機(jī)工況要差。1.3 振動(dòng)合同要求水泵水輪機(jī)的大軸相對(duì)振動(dòng)（即大軸擺度）

6、不大于150m，頂蓋垂直振動(dòng)不大于1.8mm/s。據(jù)運(yùn)行資料，1#水泵水輪機(jī)大軸擺度較大，發(fā)電工況約為240m，抽水約為160m ，3#、4#水泵水輪機(jī)發(fā)電工況次之，約為170m，其余機(jī)組、工況均小于150m。最新的水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范GB/T8564-2003規(guī)定大軸運(yùn)行擺度應(yīng)小于導(dǎo)軸承總間隙的75%。天荒坪電站水導(dǎo)軸承的總間隙為0.400.50mm左右，照此標(biāo)準(zhǔn)，只要大軸運(yùn)行擺度小于300m即符合規(guī)范要求。頂蓋垂直振動(dòng)基本小于合同要求。1.4 機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)天荒坪抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)由蝸殼、座環(huán)（含固定導(dǎo)葉）、導(dǎo)葉及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、水導(dǎo)軸承、頂蓋、主軸密封（含檢修密封）、主軸、中間軸、轉(zhuǎn)輪

7、、底環(huán)、尾水管等部件組成，水泵水輪機(jī)檢修的拆卸方式設(shè)計(jì)為中拆方式，水車(chē)室機(jī)墩開(kāi)有寬5.8米的運(yùn)輸孔，轉(zhuǎn)輪、頂蓋等水輪機(jī)大件從水輪機(jī)層拆出，從球閥吊孔吊運(yùn)至安裝間，而不影響發(fā)電機(jī)的檢修工作，但是在機(jī)墩開(kāi)孔較大將在一定程度上影響機(jī)墩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。天荒坪電站也保留了部分下拆的方式，尾水直錐管可以從尾水管拆出，底環(huán)能夠下落至尾水管混凝土基礎(chǔ)上，導(dǎo)葉、迷宮環(huán)等可以直接拆出更換，抗磨板可以直接修補(bǔ)而不需拆卸頂蓋和大軸，這樣節(jié)省了檢修時(shí)間。從投產(chǎn)至今，我廠抗磨板修補(bǔ)和抬機(jī)后更換上迷宮環(huán)的檢修工作均采用下拆方式，目前我廠還未用過(guò)中拆的方式檢修機(jī)組。設(shè)計(jì)認(rèn)為，機(jī)組采用下拆方案將增加尾水管的噪音和振動(dòng)，事實(shí)上，天荒

8、坪機(jī)組的尾水管噪音在離尾水管1米處的噪音為100db左右。因尾水管非人員長(zhǎng)期工作區(qū)，對(duì)人員不會(huì)造成大的傷害。從目前機(jī)組運(yùn)行來(lái)看，我們未發(fā)現(xiàn)因尾水管振動(dòng)原因造成設(shè)備損壞的情況。2 投產(chǎn)以來(lái)出現(xiàn)的問(wèn)題和解決辦法2.1 機(jī)組低水頭空載運(yùn)行不穩(wěn)定模型試驗(yàn)報(bào)告顯示，在低于560m水頭的空載開(kāi)度（約為46°）下，機(jī)組處于或接近全特性的“S”區(qū)運(yùn)行，機(jī)組出現(xiàn)不穩(wěn)定。由于制造廠當(dāng)時(shí)對(duì)該問(wèn)題認(rèn)識(shí)不足，設(shè)計(jì)上未采取任何措施，導(dǎo)致1#機(jī)組投產(chǎn)試運(yùn)行期間，當(dāng)水頭較低空載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速來(lái)回?cái)[動(dòng)，自動(dòng)并網(wǎng)困難、發(fā)電并網(wǎng)后出現(xiàn)逆功率跳機(jī)、機(jī)組甩負(fù)荷后不能轉(zhuǎn)至空載穩(wěn)定運(yùn)行而跳機(jī)等現(xiàn)象，為此制造廠借鑒國(guó)外有關(guān)電廠的經(jīng)驗(yàn)，

9、在水泵水輪機(jī)的5#、18#導(dǎo)葉上加裝了兩套非同步預(yù)開(kāi)裝置，設(shè)定當(dāng)水頭低于560水頭、發(fā)電空載啟動(dòng)或發(fā)電轉(zhuǎn)調(diào)相時(shí)，當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度處于210°時(shí)投入，或者當(dāng)機(jī)組發(fā)電甩負(fù)荷后也立即投入，此時(shí)這兩只導(dǎo)葉開(kāi)度在其它導(dǎo)葉開(kāi)度的基礎(chǔ)上再增加26°的開(kāi)度，但不能超過(guò)32°。采取此措施后，基本解決了上述機(jī)組低水頭空載不穩(wěn)定的現(xiàn)象，但是非同步預(yù)開(kāi)裝置投入時(shí)，水輪機(jī)的擺度、振動(dòng)和噪音將增大，因?yàn)橥度霑r(shí)間短，對(duì)機(jī)組短期運(yùn)行危害不大，長(zhǎng)期運(yùn)行影響需要監(jiān)測(cè)總結(jié)。2.2 2#機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分向上抬起2003年初，2#機(jī)組檢修后調(diào)試期間，晚峰發(fā)電發(fā)生200MW轉(zhuǎn)300MW運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)部分抬起的現(xiàn)象。根據(jù)有

10、關(guān)資料，由于甩負(fù)荷引起向上軸向水推力不平衡而抬機(jī)的現(xiàn)象比較常見(jiàn)，而正常增減負(fù)荷時(shí)抬機(jī)現(xiàn)象較為罕見(jiàn)，試驗(yàn)表明，機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)軸向水推力向下，機(jī)組表現(xiàn)為較大的下沉。經(jīng)專(zhuān)家分析認(rèn)為，本次抬機(jī)由向上水推力過(guò)大引起，并具有很大的偶然性。影響軸向水推力的因素有流道暢通情況、迷宮環(huán)間隙、導(dǎo)葉開(kāi)關(guān)速度和開(kāi)度、水頭、流量、尾水管空化、平壓管特性、流道內(nèi)殘留空氣等，引起本次向上軸向水推力過(guò)大的主要因素目前還不很清楚。為防止機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分抬起而損壞有關(guān)部件，我們?cè)跈C(jī)組上加裝了抬機(jī)量保護(hù)裝置，機(jī)組相對(duì)抬起2mm延時(shí)2秒跳機(jī)。2.3 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律本廠采用上游輸水道采用一管三機(jī)的連接方式，設(shè)計(jì)要求壓力鋼管的壓力上升值不大于8

11、.7MPa，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值不大于680rpm。由于水泵水輪機(jī)在運(yùn)行區(qū)域內(nèi)存在“S”特性，導(dǎo)致調(diào)保計(jì)算的水擊壓力上升值、轉(zhuǎn)速上升值與實(shí)際值相差較大，導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律很難通過(guò)計(jì)算來(lái)確定。天荒坪電站1#、2#、4#、5#機(jī)組目前采用的發(fā)電工況的導(dǎo)葉關(guān)閉曲線(xiàn)（曲線(xiàn)7）是制造廠在1#機(jī)組上進(jìn)行了22次甩負(fù)荷試驗(yàn)而獲得的，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)單機(jī)甩負(fù)荷和一管兩機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)，壓力上升值和轉(zhuǎn)速上升值均不會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)值，但一管兩機(jī)（1#、2#機(jī)）同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)的壓力上升值達(dá)8.4MPa，如果仍采用原因?qū)~關(guān)閉規(guī)律，一管三機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)的壓力鋼管的壓力上升值就可能超過(guò)設(shè)計(jì)值8.7MPa。由試驗(yàn)錄波曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)組發(fā)電工況

12、甩全負(fù)荷后，壓力鋼管壓力曲線(xiàn)存在兩個(gè)壓力波峰，其中第一個(gè)壓力波峰產(chǎn)生在導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的拐點(diǎn)處，第二個(gè)壓力波峰發(fā)生在最高轉(zhuǎn)速后約1秒鐘，且第二個(gè)壓力波峰值要大于第一個(gè)壓力波峰值（拐點(diǎn)位置應(yīng)大于350mm接力器行程），而通過(guò)改變拐點(diǎn)的位置就可以改變最高轉(zhuǎn)速發(fā)生的時(shí)刻，為此，我們?cè)?#、6#機(jī)組上再次進(jìn)行了多次甩負(fù)荷試驗(yàn)，最終確定在3#、6#機(jī)組上采取另外的導(dǎo)葉關(guān)閉曲線(xiàn)（曲線(xiàn)9），通過(guò)第二個(gè)壓力波的峰谷相互削減來(lái)降低壓力上升值。試驗(yàn)證明，一管兩機(jī)甩負(fù)荷壓力上升值約為8.1MPa，說(shuō)明上述分析與措施是有效的，也為一管三機(jī)甩負(fù)荷壓力上升值預(yù)留了較大的余量。抽水工況斷電按一段關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉。2.4 主軸密封主

13、軸密封由英國(guó)Sterling Mechanical seal 分包設(shè)計(jì)制造。機(jī)組投產(chǎn)至2003年6月前，主軸密封多次出現(xiàn)因其運(yùn)行溫度高、移動(dòng)環(huán)抬起不能復(fù)位而漏水過(guò)大、調(diào)相壓水困難而導(dǎo)致跳機(jī)或密封磨損快而進(jìn)行搶修的情況，且發(fā)電調(diào)相工況不能正常運(yùn)行，在投產(chǎn)初期是嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性因素之一，給天荒坪電站的正常生產(chǎn)造成了巨大的壓力，特別在迎峰渡夏期間，更是如此。其間制造廠也多次對(duì)主軸密封進(jìn)行了多次改造，但效果不能令人滿(mǎn)意。制造廠和天荒坪電站有關(guān)技術(shù)人員經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為下庫(kù)水位變化太大（達(dá)到49.5米）、運(yùn)行工況多、工況轉(zhuǎn)換等造成主軸密封處的壓力變化太快、制造廠對(duì)上述條件估計(jì)不足造成原主軸密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

14、不合理是主軸密封不能正常運(yùn)行的主要原因，因此在2002年6月，華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司要求求制造廠重新設(shè)計(jì)主軸密封，于2003年初在1#機(jī)組上試驗(yàn)取得了成功，2003年6月前所有的機(jī)組已更換成新型主軸密封。新型密封與舊密封相比有如下優(yōu)點(diǎn)：1. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。移動(dòng)環(huán)壓緊力隨尾水變化而自動(dòng)調(diào)整，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，工況轉(zhuǎn)換時(shí)不需要人員調(diào)整壓力，可節(jié)省運(yùn)行人員的人力；2. 更換后安裝磨合期短，經(jīng)首次開(kāi)機(jī)約10分鐘磨合就可投入運(yùn)行，且溫度不高（磨合期比冷卻水溫高5左右）；3. 防轉(zhuǎn)動(dòng)裝置安裝在主軸密封外部，更換方便，不用拆卸外環(huán)而重新打壓,同時(shí)磨損指示裝置不再穿過(guò)操作腔，因而不會(huì)造成泄壓而密封抬

15、起；4. 密封環(huán)被磨損后，對(duì)其冷卻潤(rùn)滑水回路不構(gòu)成影響，而舊的主軸密封的密封環(huán)被磨損后，移動(dòng)環(huán)進(jìn)入密封環(huán)的槽內(nèi)將惡化其冷卻潤(rùn)滑效果，造成主軸密封密封環(huán)的惡性循環(huán)磨損，且大軸的擺動(dòng)將加劇密封環(huán)的破裂，導(dǎo)致主軸密封的使用壽命降低；5. 新型主軸密封的密封環(huán)高度降低，將意味著可磨損量的減小，但將明顯提高其剛度，如密封面保持良好地液體摩擦，密封環(huán)的磨損將保持在較低的水平。另外，舊的密封環(huán)中間開(kāi)有冷卻水溝，將削弱其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且當(dāng)密封環(huán)被磨損后，不銹鋼移動(dòng)環(huán)將嵌入密封環(huán)，機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)大軸擺動(dòng)將對(duì)其進(jìn)行不停的撞擊，導(dǎo)致其破裂。而新型的密封內(nèi)采用水孔通水，且密封環(huán)境優(yōu)美被磨損后仍將處于自由狀態(tài)而不受大軸擺動(dòng)的影

16、響。因此主軸密封的壽命不但不會(huì)縮短，反而將得到延長(zhǎng)；6. 移動(dòng)環(huán)壓力調(diào)節(jié)采用壓緊彈簧的形式，容易造成各彈簧的受力不均勻，且調(diào)整壓緊力時(shí)需要作較多的防轉(zhuǎn)動(dòng)隔離措施，采用調(diào)節(jié)氣缸后，供氣壓力取自同一壓力源，保證了移動(dòng)環(huán)六個(gè)方向受力均勻，同時(shí)壓力調(diào)整裝置可以放在水車(chē)室外，因而調(diào)整方便。主軸密封經(jīng)改造后，運(yùn)行穩(wěn)定性比舊的密封有很大提高，經(jīng)過(guò)了發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相等工況的6小時(shí)熱運(yùn)行試驗(yàn)及工況轉(zhuǎn)換試驗(yàn)，各種工況下，密封運(yùn)行溫度比冷卻水溫約高23，同時(shí)也經(jīng)過(guò)了夏季高溫天氣的考驗(yàn)，2003年夏季冷卻進(jìn)口水溫最高達(dá)到33（設(shè)計(jì)最高水溫為28），而主軸密封在各工況下的運(yùn)行溫度也未超過(guò)36，也未出現(xiàn)溫度

17、突升的情況。2.5 導(dǎo)葉上下竄動(dòng)制造廠最初設(shè)計(jì)導(dǎo)葉支撐時(shí)，只設(shè)計(jì)了限制導(dǎo)葉向下運(yùn)動(dòng)的止推裝置，導(dǎo)葉端面間隙由止推裝置進(jìn)行調(diào)整，而未設(shè)計(jì)導(dǎo)葉向上運(yùn)動(dòng)的限制裝置，原因是他們認(rèn)為由于導(dǎo)葉本身存在700公斤的重量，導(dǎo)葉不應(yīng)向上運(yùn)動(dòng)。事實(shí)上，導(dǎo)葉上、中、下軸承均為水潤(rùn)滑軸承，下端導(dǎo)葉軸和大部分上部軸與導(dǎo)葉葉片一樣均泡在流道內(nèi)的壓力水中，為防止流道內(nèi)的砂子等機(jī)械雜質(zhì)損傷軸承，在導(dǎo)葉葉片的上、下與軸連接根部，安裝有開(kāi)口的圓形橡膠密封條，由于流道內(nèi)的水壓脈動(dòng)和水壓分布并不均勻，且上下端部軸承腔的空間不相等，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，特別是在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，擋砂用密封圈的開(kāi)口在水壓的作用下閉合，并在上、下軸承腔內(nèi)形成一個(gè)壓力差，使導(dǎo)葉向上頂起，使導(dǎo)葉與頂蓋抗磨板發(fā)生摩擦而拉傷。原導(dǎo)葉的止推裝置的鎖定螺母比較單薄，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生松動(dòng)，從而使導(dǎo)葉向下移動(dòng)，在軸承腔壓力差的作用下同樣產(chǎn)生導(dǎo)葉與底環(huán)抗磨板發(fā)生摩擦而拉傷?，F(xiàn)導(dǎo)葉摩擦裝置對(duì)止推裝置進(jìn)行了改造，使其既能夠防止導(dǎo)葉向上移動(dòng)，也能防止其向下移動(dòng)，同時(shí)加強(qiáng)了止推裝置的鎖定的防松動(dòng)措施。另外，制造廠對(duì)擋砂條的壓板也進(jìn)行了改造，材料從橡膠改為青銅，并在其上加開(kāi)了四條泄壓溝，使軸承腔的壓力泄至流道內(nèi)。實(shí)踐證明，采取上述措施后，導(dǎo)葉上下竄動(dòng)的現(xiàn)象大為改善，基本未再發(fā)生導(dǎo)葉與抗磨板對(duì)磨損傷的現(xiàn)象。3 結(jié)語(yǔ)綜上所述，經(jīng)過(guò)投產(chǎn)以來(lái)的技術(shù)改造，我們成功地解決了機(jī)組空載運(yùn)行不穩(wěn)