天花板水電站水力機械設計

郭喜兵，李仕宏

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

天花板水電站為混合式開發，主要由碾壓混凝土攔河拱壩、引水系統、岸邊式廠房等組成。電站安裝2臺90 MW混流式水輪發電機組。本工程等別為三等工程，工程規模為中型。電站以發電為主，電力送入云南電網。

1 主機設備選型及特點

1.1 水輪機

1.1.1 水輪機的選型及主要參數

本工程對機組臺數，2×90、3×60 MW 和 4×45 MW 3個方案進行了比選。比較認為，在技術上無限制性因素，但在工程總投資上和樞紐布置上2臺機方案具有明顯的優勢，能滿足電站運行要求，投資較少，且日常運行維護較方便，最后確定為2臺機方案，單機容量90 MW。

天花板水電站除了擔負系統中調峰和用電需求外，還需要滿足運行要求。這就要求水輪機有較高的效率、較寬的高效率區、良好的抗空蝕性能和水力穩定性。在對國內水頭容量相近的水電站資料分析及向廠家咨詢的基礎上，結合本電站運行條件要求，最終確定了立軸混流式水輪機，俯視順時針旋轉，水輪發電機組采用兩根軸結構。其主要參數為：水輪機型號HLD294A-LJ-340，最大水頭107.43 m，額定水頭89 m，最小水頭84.63 m，額定出力92.3 MW，額定轉速214.3 r/min，飛逸轉速410 r/min，額定流量116.2 m3/s，額定工況效率91%，旋轉方向俯視為順時針，蝸殼包角345°，吸出高度-3 m。

1.1.2 水輪機的主要結構特點

（1）轉輪采用0Cr16Ni5Mo不銹鋼材料制造，葉片采用VOD（真空吹氧脫碳）精煉。轉輪的上冠和下環設有止漏環，上冠設有梳齒。轉輪上冠設有轉輪泵，并充分利用止漏環的漏水作為機組技術供水的輔助水源。

（2）主軸采用中空鍛焊式結構，主軸的水機端法蘭為外法蘭結構，發電機端法蘭也為外法蘭結構。主軸與轉輪靠摩擦傳遞轉矩。

（3）主軸密封裝置設置在導軸承下方，主軸穿過頂蓋的部位，采用無接觸密封，不需要水潤滑。

（4）蝸殼外設彈性墊層，蝸殼材料為Q345C鋼板。

（5）頂蓋上設置銅基石墨自潤滑導葉軸承和導葉軸頸密封。其上設有梳齒止漏環，材料均采用0Cr13Ni4Mo。

（6）為了使水輪機在導水葉部分開啟狀態下穩定運行，在發電機上端設置中心補氣裝置。補氣管通過軸系內孔延伸至轉輪上冠出口，補氣管通徑DN250。

1.2 發電機型號及結構特點

1.2.1 發電機主要參數

發電機型號SF90-28/6800，額定容量102 857 kV·A，額定功率90 000 kW，額定電壓13 800 V，額定電流4 303.2 A，額定功率因數0.875（滯后），額定頻率50 Hz，額定轉速214.3 r/min，飛逸轉速410 r/min，勵磁方式自并激靜止可控硅勵磁，旋轉方向俯視順時針，效率98.1% （保證值），轉子轉動慣量 GD25 500 t·m2。

1.2.2 發電機結構主要特點

（1）本發電機為立軸懸式結構，并具有上、下導軸承。推力軸承位于上機架之上部，與上導軸承分開，單獨使用1個油槽。

（2）發電機冷卻方式為密閉自循環空氣冷卻，空氣冷卻器采用銅質穿片式冷卻器。冷卻器按0.5 MPa的最大水壓設計。

（3）發電機轉子由中心體、磁軛和磁極組成，轉子采用無風扇結構。轉子輪轂采用ZG20SiMn。

（4）發電機制動方式為機械制動。當機組轉速降至額定轉速的20%～30%時，通入壓力為0.5～0.7 MPa的壓縮空氣進行連續制動。

（5）發電機消防采用水噴霧滅火方式，滅火環管分別布置在發電機定子線圈的上下兩端，上下分別設有滿足定子、轉子線圈消防的噴霧頭。

（6）本發電機分別在上、下導軸承油槽與推力軸承油槽的上、下端設置了防油霧裝置。

1.3 輔助設備

1.3.1 起重設備

（1）主廠房橋機。機組安裝時主廠房內吊運的最重件為發電機轉子，質量約280 t，加上起吊工具和平衡梁，最大起吊質量約為290 t，選用1臺2×1 600 kN電動雙梁雙小車橋式起重機，跨度19 m。

（2）GIS橋機。在主變開關樓GIS內設有1臺LDT型1 00 kN電動單梁橋式起重機，跨度12.5 m。

1.3.2 進水蝶閥

進水蝶閥為雙平板、雙偏心的通流式，設液壓操作的臥軸式活門，工作為硬橡膠軟密封，檢修密封為金屬硬密封。蝶閥通過上、下游延伸管段和伸縮節與壓力鋼管和水輪機蝸殼連接，伸縮節放置于進水閥的下游側，開啟、關閉時間在90 s內完成。

進水閥型號為PDF120-WY-430，設計壓力為1.6 MPa。油壓裝置型號為4 300 YYZ-3，額定工作油壓為16 MPa。

1.3.3 調速器

本電站在系統中擔任調峰等作用，因此要求其調速器穩定性好、靈敏度高，調節品質優良、精度高、動態性能指標良好。最終，選用的調速器為數字式微機型WB（L）T-80-6.3調速器，機電分柜、導葉單調節方式。

調速系統額定操作油壓6.3 MPa，操作用油為L-TSA 32透平油。油壓裝置型號為HYZ-2.5-6.3。

2 輔助系統設計介紹

2.1 技術供水系統

機組技術供水采用減壓自流供水方式，供水對象為機組各軸承冷卻器、發電機空冷器和主變冷卻器；頂蓋供水作為備用水源。

機組供水以壓力鋼管減壓供水為主，為了簡化供水系統管路，頂蓋供水直接接入空冷器進出水總管上，當頂蓋供水不滿足水壓、水量要求時，直接排入下游尾水。技術供水系統取水口設2個，分別自每臺機組的壓力鋼管取水，形成全廠技術供水高壓總管。

2.2 廠內檢修滲漏排水系統

（1）檢修排水系統。設置2臺檢修排水深井泵，同為工作泵。因水泵排水管管路較長，在水泵出口設有排氣閥和泵控閥，并適當加大排水管管徑，有利于減小水擊壓力對管路和設備的危害。

（2）滲漏排水系統。水力機械輔助系統防震設計的重點是廠房滲漏排水系統。當地震發生時，廠房設備有可能被損壞，水系統管路可能被破裂而導致漏水，廠房水工建筑物漏水也可能會增加，因此應適當加強廠房滲漏排水系統排水能力。在不增加廠房尺寸的前提下，滲漏集水井有效容積設計盡量大，排水設備選用3臺深井泵 （2臺工作，1臺備用）。另設1臺潛水排污泵，作為集水井清淤用，特殊條件下作為排滲漏水備用泵。

2.3 大壩排水系統

電站首部大壩設有大壩滲漏集水井及排水泵房，設2臺滲漏排水井用潛水泵，1臺工作，1臺備用。井內設1套浮子式水位計、1套壓電式水位計，互為備用。水泵排水排至下游河道，水位信號送至大壩值班室。

2.4 中壓氣系統

中壓氣系統的供氣對象為2臺調速器油壓裝置，供氣壓力為6.3 MPa。由于蝶閥油壓裝置采用蓄能罐型式，故中壓氣系統只為調速器油壓裝置提供氣源。根據用氣設備要求，選用2臺活塞式空壓機，1個V=2 m3，PN=7.0 MPa的中壓儲氣罐，儲氣罐設計壓力為7.5 MPa。

2臺空壓機工作方式為1臺工作，1臺備用。每臺空壓機還具備自動、手動、停止等操作方式，可任意選擇，并有相應位置的信號輸出。

2.5 低壓氣系統

低壓氣系統主要供氣對象為機組制動、檢修和水輪機主軸密封用氣，最大工作壓力為0.8 MPa，儲氣罐設計壓力為0.88 MPa。機組制動按1次壓氣設計，適當留有余量。為增加機組制動供氣可靠性，把檢修貯氣罐的供氣口與制動貯氣罐供氣口相連接，管路之間設止回閥，使檢修氣罐成為制動氣罐的備用氣源。選用2臺低壓螺桿式空壓機，設1個3 m3制動儲氣罐、1個3 m3的檢修儲氣罐。

2.6 油系統

（1）透平油系統。本工程單臺機組透平油用量約18 m3，主要供給機組推力、下導、上導、水導軸承以及油裝置用油。

（2）絕緣油系統。由于天花板水電站交通較為方便，考慮暫不設絕緣油庫，但保留所有絕緣油所需設備。

2.7 水力監測系統

水力監測系統主要分為兩部分，全廠性測量和機組段測量。

（1）全廠性測量。本電站設置了上游水位、電站毛水頭、下游尾水位和攔污柵壓差的監測。

（2）機組段量測包括：頂蓋壓力測量，尾水管進口壓力測量，肘管進口壓力測量，尾水管出口壓力測量，水輪機有效水頭，蝸殼進口壓力測量，蝶閥前壓力測量，機組震動和大軸擺度測量。

2.8 消防供水系統

（1）主要機電設備消防供水對象。消防供水系統主要供2臺發電機、2臺主變消防用水及廠內外建筑消防用水，發電機消防和主變消防用水采用水噴霧滅火方式。

（2）消防水源。本電站在1 020 m高程3號施工支洞口設有370 m3消防水池。在引水隧洞放空后，尾水渠內水體為電站可靠水源，故消防水池的補水必須從尾水渠取水，用水泵加壓后進行補水。從水池引兩根DN250管路至主廠房消防供水總管，形成環路，分別供主廠房、副廠房建筑消火栓用水和發電機、主變壓器水噴霧滅火用水。

3 結語

天花板水電站屬中型水電站，其水輪機參數的選擇，結合了國內現有成熟技術和機型進行比較。天花板水電站首臺機組自2010年11月啟動以來，運行平穩、振動小、噪聲低；輔助系統運行正常、可靠。 實踐證明，機組及輔助設備選擇是合理的。