田灣河流域水電站沖擊式水輪機(jī)應(yīng)用

王　容

(四川川投田灣河開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都　610213)

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田灣河流域水電站沖擊式水輪機(jī)應(yīng)用

王容

(四川川投田灣河開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都610213)

摘要：田灣河流域梯級水電站六臺機(jī)組自投產(chǎn)以來，常發(fā)生轉(zhuǎn)輪氣蝕磨損嚴(yán)重、調(diào)速器折向器蝶簧斷裂損壞、調(diào)速器噴針反饋鏈條斷裂等故障。針對上述問題，多次組織專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)分析以及現(xiàn)場試驗(yàn)論證，最終使上述問題得到了解決。

關(guān)鍵詞：田灣河流域水電站；沖擊式機(jī)組；水輪機(jī)；應(yīng)用

1概述

水輪機(jī)是一種將河流中蘊(yùn)藏的水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的原動機(jī)。水流流過水輪機(jī)時(shí)，通過主軸帶動發(fā)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)連接成的整體稱為水輪發(fā)電機(jī)組，它是水電站的主要設(shè)備之一。

沖擊式水輪機(jī)將水流能量轉(zhuǎn)換為高速水流的動能，再將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，工作時(shí)轉(zhuǎn)輪始終處于大氣中，來自壓力鋼管的高壓水流在進(jìn)入水輪機(jī)之前已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚偕淞鳎瑳_擊轉(zhuǎn)輪葉片作功。

沖擊式水輪機(jī)主要適用于高水頭、小流量的水電站，又可分為：水斗式、斜擊式、雙擊式。

斜擊、雙擊式水輪機(jī)構(gòu)造簡單，效率低，主要用于小型水電站 。

目前，水斗式水輪機(jī)是沖擊式水輪機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)型，其應(yīng)用 水 頭 一 般 為 300～

2 000 m，目前最高應(yīng)用水頭已達(dá)到1 771.3 m(澳大利亞的列塞克-克羅依采克水力蓄能電站，水輪機(jī)出力P=22.8 MW)。

2田灣河流域水電站沖擊式水輪機(jī)的組成

田灣河公司所轄三站六臺機(jī)組均為沖擊式機(jī)組，三站均采用奧地利維奧公司生產(chǎn)的六噴六折調(diào)速器。金窩水電站140 MW 沖擊式水輪機(jī)是目前國內(nèi)乃至亞洲單機(jī)容量最大的沖擊式水輪機(jī)，其運(yùn)行最高效率達(dá)91.58%，為世界領(lǐng)先水平。

田灣河沖擊式水輪機(jī)主要由轉(zhuǎn)輪、噴嘴機(jī)構(gòu)以及附屬的折向器、擋水板、配水環(huán)管、機(jī)殼、穩(wěn)水柵等組成。轉(zhuǎn)輪主要由輪盤及水斗組成，水斗共21個(gè)，沿輪盤均勻分布。

噴嘴機(jī)構(gòu)由噴管體、噴針、噴嘴和噴針操作機(jī)構(gòu)組成。噴嘴是沖擊式水輪機(jī)的導(dǎo)水部分，由壓力鋼管引來的水經(jīng)過噴嘴形成高速射流，以最優(yōu)方向射向斗葉并保證其水力損失最小。通過調(diào)節(jié)噴嘴內(nèi)的噴針來調(diào)節(jié)射流的流量，改變水輪機(jī)的出力。

折向器是沖擊式機(jī)組防止飛逸的有力保障，折向器安裝在噴嘴附近的固定鉸軸上，由噴嘴的控制機(jī)構(gòu)通過協(xié)聯(lián)操作機(jī)構(gòu)控制。由于沖擊式機(jī)組水頭較高，壓力鋼管較長，當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，由于壓力鋼管水擊壓強(qiáng)升高限制，不允許噴嘴和進(jìn)水球閥在短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉，而較長的關(guān)閉時(shí)間將使機(jī)組轉(zhuǎn)速升高甚至飛逸。折向器的主要作用便是在短時(shí)間內(nèi)使射流偏流不射向水斗從而有效地防止了機(jī)組飛逸。

各噴嘴和折向器之間沒有杠桿聯(lián)系，全部由油壓直接控制。每個(gè)噴管均設(shè)有一個(gè)折向器，其采用油壓開啟、彈簧關(guān)閉。折向器在正常運(yùn)行時(shí)不和射流接觸，動作時(shí)在4 s內(nèi)偏轉(zhuǎn)全部水流，緊急停機(jī)時(shí)迅速關(guān)閉折向器。噴嘴與折向器之間的關(guān)系見圖1。

擋水板設(shè)置在噴嘴上，由螺栓和噴嘴機(jī)構(gòu)連接。水流經(jīng)噴嘴變成射流，以一定方向沖擊轉(zhuǎn)輪而使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)完成能量轉(zhuǎn)換，大部分水流進(jìn)入尾水，但部分水流經(jīng)過水斗后變成雜散水流對噴嘴機(jī)構(gòu)造成沖擊，影響噴針及噴嘴的正常運(yùn)行。設(shè)置擋水板的目的是改變雜散水流的方向，保護(hù)噴嘴機(jī)構(gòu)。

圖1　噴嘴與折向器關(guān)系示意圖

穩(wěn)水柵(平水柵)安裝在機(jī)殼內(nèi)、尾水之上，其主要作用是穩(wěn)定轉(zhuǎn)輪流出的水流且在檢修時(shí)起支架的作用，避免沖刷尾水渠。

3田灣河流域水電站沖擊式水輪機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

從2007年11月大發(fā)水電站首臺機(jī)組發(fā)電至今，田灣河流域水電站沖擊式水輪機(jī)在實(shí)際使用中總體良好，但也出現(xiàn)了一些重大缺陷，公司對這些缺陷進(jìn)行了有效處理及設(shè)備改造，進(jìn)而優(yōu)化了設(shè)備工況。主要實(shí)例如下。

(1)三站機(jī)組轉(zhuǎn)輪氣蝕、磨損較嚴(yán)重。轉(zhuǎn)輪氣蝕及泥沙磨損過大時(shí)會造成轉(zhuǎn)輪(水斗)機(jī)械強(qiáng)度下降，易發(fā)生機(jī)械事故，同時(shí)導(dǎo)致水輪機(jī)工作效率下降(圖2)。

圖2　氣蝕后的水斗

針對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪氣蝕、磨損嚴(yán)重這一現(xiàn)狀，我公司組織專業(yè)技術(shù)人員多次進(jìn)行技術(shù)分析以及現(xiàn)場試驗(yàn)論證，所得出的結(jié)論是由于沖擊式機(jī)組水頭較高，加之河道取水泥沙較重，攜帶泥沙高射流沖擊水斗致使水斗磨損嚴(yán)重。過流表面局部水體流速增高、壓力降低汽化而產(chǎn)生氣泡，氣泡的形成、發(fā)展、潰裂及對過流表面產(chǎn)生的物理作用使得水斗氣蝕嚴(yán)重。我公司技術(shù)人員經(jīng)多次與廠家技術(shù)人員溝通、分析，最終廠家技術(shù)人員對水斗斗葉線型進(jìn)行了局部修整，使斗葉氣蝕得到了有效改善。在機(jī)組的運(yùn)行過程中，要求運(yùn)行人員盡量不取夾雜泥沙較重的水、增加引水明渠的沖沙次數(shù)以使水質(zhì)得到改善，從而減緩了轉(zhuǎn)輪的磨損程度。通過這些措施，大大提高了轉(zhuǎn)輪的使用壽命，確保了機(jī)組的高效出力。

(2)噴嘴口環(huán)和噴針頭均出現(xiàn)缺口。針對該項(xiàng)缺陷，公司專業(yè)技術(shù)人員討論分析得出的主要結(jié)論是：噴嘴口環(huán)和噴針頭受到射流中泥沙的高速沖刷影響，破壞了噴針頭及口環(huán)的耐磨層后，口環(huán)、噴針頭磨損加劇以至出現(xiàn)缺口。采取的措施是：首先改善水質(zhì)，盡量不取夾雜泥沙較重的水，增加引水明渠的沖沙次數(shù)以達(dá)到改善水質(zhì)的目的；其次，對被破壞的噴針頭和口環(huán)及時(shí)進(jìn)行噴涂處理，防止缺陷惡化，出現(xiàn)缺口現(xiàn)象。

(3)噴針、折向器的蝶形彈簧均出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象(圖3)。

圖3　斷裂損壞后的折向器蝶簧

對于折向器蝶形彈簧斷裂現(xiàn)象，公司組織專題討論、分析，得出的結(jié)論為：由于碟簧材質(zhì)的含碳量過高，以及單塊碟簧壓縮行程偏大，在這兩項(xiàng)因素的綜合影響下致使碟簧縮短了有效壽命。為了徹底解決此項(xiàng)缺陷，經(jīng)與廠家技術(shù)人員研討并

最終一致認(rèn)為應(yīng)對蝶形彈簧進(jìn)行改造。在保證碟簧彈性力不變的前提下，選用含碳量低、單片行程略小的蝶形彈簧，將碟簧數(shù)量由原有的24對改為30對，經(jīng)過大發(fā)水電站一臺機(jī)的實(shí)驗(yàn)，在其運(yùn)行兩年后折向器動作正常，碟簧未再出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。現(xiàn)公司正對余下的機(jī)組進(jìn)行逐臺改造。

4結(jié)語

針對上述存在的問題，有的已通過技術(shù)改造、優(yōu)化處理得到解決；有的雖暫未解決，但也已聯(lián)系廠家，同時(shí)加強(qiáng)了對相關(guān)數(shù)據(jù)的測量、對比和跟蹤分析，伺機(jī)解決。

關(guān)于四川水力發(fā)電科學(xué)技術(shù)獎勵的通知

各有關(guān)單位：

根據(jù)《四川水力發(fā)電科學(xué)技術(shù)獎勵辦法》(試行)的規(guī)定，經(jīng)四川水力發(fā)電科學(xué)技術(shù)獎勵委員會的審核批準(zhǔn)，決定對2015四川水力發(fā)電科學(xué)技術(shù)獎獲獎項(xiàng)目(共18項(xiàng))給予獎勵并通報(bào)表揚(yáng)。

現(xiàn)將四川水力發(fā)電科學(xué)技術(shù)獎獎勵通報(bào)印發(fā)給你們，請認(rèn)真做好獲獎項(xiàng)目的推廣應(yīng)用工作，使科技成果在水力發(fā)電生產(chǎn)建設(shè)中進(jìn)一步發(fā)揮作用，取得更顯著的效益。

附件：2015四川水力發(fā)電科學(xué)技術(shù)獎授獎項(xiàng)目

二〇一六年一月七日

王容(1979-)，女，四川大竹人，工程師，從事水電站運(yùn)行技術(shù)與管理工作.

作者簡介:

文章編號:1001-2184(2016)02-0093-02

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

中圖分類號:TV7；[TV734.1]

收稿日期:2015-11-10