沖擊式水輪機(jī)噴管防護(hù)問題研究

李 鄭

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明650032）

1 電站概述及主要參數(shù)

1.1 概述

Coca Codo Sinclair科卡科多辛克雷（簡稱CCS）水電工程位于南美洲厄瓜多爾國東北部Napo省與Sucumbios省交界處，首部樞紐位于Quijos和Salado兩河交匯處下游，距首都基多公路里程約130 km。

CCS工程屬EPC項(xiàng)目，業(yè)主方為科卡科多辛克雷水電股份有限公司；承包方為CCS聯(lián)營體（由中國水利水電建設(shè)集團(tuán)國際公司與中水第十四工程局有限公司組成），總投資約20億美元，其中，工程由CCS聯(lián)營體承攬電站設(shè)計(jì)、進(jìn)口成套設(shè)備及材料供應(yīng)，中水第十四工程局有限公司全面負(fù)責(zé)電站建設(shè)及代運(yùn)行培訓(xùn)，最終移交業(yè)主商業(yè)運(yùn)行等一系列具體實(shí)施工作。

主機(jī)及附屬設(shè)備（調(diào)速器）制造協(xié)作總包方：哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，其合作分包方：安德里茨、武漢三聯(lián)水電控制設(shè)備有限公司。

協(xié)作設(shè)計(jì)方：黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司。

咨詢方：ASOCIACIóN CFE-PYPSA-CVA-ICA（墨西哥咨詢聯(lián)合委員會(huì)）。

CCS電站地下廠房安裝有8臺套單機(jī)容量為205 MVA的水斗式水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備（包括調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)、進(jìn)水球閥等）。8臺發(fā)電機(jī)通過13.8 kV離相封閉母線連接8組升壓主變壓器。主變高壓側(cè)通過500 kV GIS管道母線引至主變室上方的SF6開關(guān)站。500 kV GIS設(shè)備采用雙母線接線，包括8個(gè)進(jìn)線間隔，2個(gè)出線間隔。2條500 kV電纜出線回路由電纜洞引至500 kV地面出線場。

工程開發(fā)的主要目的為滿足厄瓜多爾國內(nèi)持續(xù)快速增長的電力需求。根據(jù)該國2010～2020年電力規(guī)劃，該電站裝機(jī)容量占國內(nèi)總裝機(jī)容量的1/3左右。CCS電站在投運(yùn)初期為系統(tǒng)內(nèi)裝機(jī)最大的電源，同時(shí)厄瓜多爾國網(wǎng)正在把現(xiàn)有的230 kV電壓等級改造升級為500 kV等級的電網(wǎng)，此電站8臺機(jī)組投產(chǎn)后，將成為國網(wǎng)主力電源。

1.2 水輪機(jī)、調(diào)速器主要參數(shù)

水輪機(jī)型式：立軸單轉(zhuǎn)輪水斗式六噴嘴型式，與發(fā)電機(jī)主軸直接連接，俯視順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。調(diào)速器控制噴針和折向器。

水輪機(jī)型號參數(shù)：CJ（X）-L-328/6×26.5；

額定水頭604.1 m；額定流量34.7 m3/s；額定效率91.56%；額定轉(zhuǎn)速300 r/min；

額定比轉(zhuǎn)速44.19；噴嘴數(shù)目6；水斗數(shù)目21；水斗節(jié)圓直徑3 280 mm；

射流直徑265 mm；額定出力187.5 MW；最大出力192.85 MW。

1.3 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本參數(shù)

（1）噴針接力器動(dòng)作時(shí)間

全 關(guān) 閉 時(shí) 間 20～180 s，可 調(diào)；全 開 啟 時(shí) 間20～180 s，可調(diào)。

（2）折向器接力器動(dòng)作時(shí)間

全關(guān)閉時(shí)間2～3 s，可調(diào)；全開啟時(shí)間2～3 s，可調(diào)。（3）額定操作油壓：6.3 MPa。

（4）飛輪力矩：發(fā)電機(jī) GD2 ≥ 6 000 t·m2。

2 水輪機(jī)、噴管結(jié)構(gòu)及性能保證簡述

水輪機(jī)為立軸六噴嘴水斗式水輪機(jī)，與發(fā)電機(jī)軸直接相連。水輪機(jī)由穩(wěn)水柵、尾水坑里襯、配水環(huán)管、機(jī)殼、噴管總成、轉(zhuǎn)輪、主軸、導(dǎo)軸承、補(bǔ)氣裝置、機(jī)坑里襯和基礎(chǔ)埋件等組成。

噴管總成含噴嘴口環(huán)、噴嘴、噴管、噴針、偏流器、噴針接力器（含位移傳感器）及偏流器接力器（含位移傳感器）等。噴管采用直流內(nèi)控式，油控油操作，控制機(jī)構(gòu)設(shè)在噴管內(nèi)，各噴嘴應(yīng)以相同的開口和其他噴嘴并列同步投入運(yùn)行，也可單獨(dú)投入運(yùn)行。各噴嘴和各折向器之間沒有杠桿聯(lián)系，全部用油壓直接控制。整個(gè)行程范圍內(nèi)噴針具有水力自關(guān)閉能力。正常工作油壓等級為6.3 MPa。噴針接力器內(nèi)設(shè)有平衡彈簧，在調(diào)速器油壓系統(tǒng)失壓時(shí)，在運(yùn)行水頭范圍內(nèi)，噴針具有從全開到全關(guān)位置的自關(guān)閉趨勢。

噴管用法蘭和配水環(huán)管連接，中間設(shè)有調(diào)整法蘭，調(diào)整法蘭隨噴管供貨，以便微調(diào)射流方向和位置，調(diào)整固定后能保證長期不變。

當(dāng)相鄰噴管的折向器（從上往下看順時(shí)針，上一個(gè)噴針對下一個(gè)影響最大）在投入或過渡工況、飛逸工況下的高速射流會(huì)直接打在噴管上，噴管上設(shè)有堅(jiān)固的擋水板保護(hù)噴管不受沖蝕，從擋水板反射出來的水流不應(yīng)再?zèng)_到轉(zhuǎn)輪上。

圖1 噴管總成示意圖

噴針、噴嘴口環(huán)采用Gr CA-6 NM/Cr13 Ni4/或相同或類似材質(zhì)制造。噴嘴口環(huán)、噴針頭表面噴涂抗磨涂層。每個(gè)噴管都設(shè)有一個(gè)折向器。折向器的切水刀板采用不銹鋼鑄鋼CrNi13-4或相同材料。每一個(gè)折向器都有一個(gè)獨(dú)立的接力器操作。折向器在正常運(yùn)行時(shí)不和射流接觸。噴針和其接力器在強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，滿足任何工況下不發(fā)生噴針折斷或失控（包括彈簧失效）而使噴嘴突然關(guān)閉引起非常水錘的現(xiàn)象。噴嘴總成可在機(jī)殼內(nèi)整體下拆，噴管上設(shè)有起吊螺栓。

CCS11-TUR-2400噴管總成三視圖見圖2。

圖2 噴管總成三視圖

3 1號機(jī)甩負(fù)荷100%時(shí)噴管總成所出現(xiàn)問題過程、對比、解決方案

3.1 事件過程

現(xiàn)將CCS電站1號機(jī)調(diào)試試運(yùn)行甩負(fù)荷100%時(shí)噴管總成所出現(xiàn)幾個(gè)問題，加以陳述如下：2016年3月10日上午，CCS電站1號機(jī)組進(jìn)行100%甩負(fù)荷試驗(yàn)過程中，噴嘴發(fā)生故障，停機(jī)后，打開轉(zhuǎn)輪室進(jìn)人門，檢查發(fā)現(xiàn):①2號、6號直流噴管傳感器電纜外套管被沖斷，電纜斷掉并裸露在外；②3號噴管控制管路（漏油管路）被沖斷，其余漏油管路均被水流打彎；③折向器位移傳感器引出電纜外套管被沖蝕進(jìn)水，致使到監(jiān)控、調(diào)速器的位移反饋量漂移不正確，或電纜絕緣下降或短路，致使噴嘴傳感器控制電源短路而跳開小空開失電，這時(shí)輸出最大，顯示100%（實(shí)際噴嘴沒有全開）。

噴針出現(xiàn)故障過程的相關(guān)參數(shù)曲線如圖3：

故障前、中、后的相關(guān)參數(shù)變化情況剖析陳述如 表1。

表1 故障前、中、后的相關(guān)參數(shù)變化情況

3.2 對比

對比一：

通過比較（圖4）發(fā)現(xiàn)：CCS水電站噴管的分水板設(shè)計(jì)面積小，而其他項(xiàng)目直流噴管上的分水板覆蓋面積大許多，特別對分水板進(jìn)行了延長，將漏油管隱藏在分水板內(nèi)，保護(hù)噴管漏油管。

圖4

圖4 左側(cè)為：××水電站噴嘴；右側(cè)為：CCS水電站噴嘴

對比二：

CCS水電站的折向器的刀板結(jié)構(gòu)形式與其他項(xiàng)目電站有所不同，CCS水電站的刀板出口為四邊形，而其他電站的刀板出口處為圓形；圓形刀板出口的折射水流為圓柱形，CCS刀板出口折射水流為扇形發(fā)散狀。

圖5

綜上所述分析，原因是：由于刀板的結(jié)構(gòu)形式，有部分水流沒有經(jīng)過分水板，這部分水流直接撞擊電纜套管、漏油管的管路，再者，噴管上的分水板覆蓋的面積比較小，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的分水效果，導(dǎo)致管路破壞。

3.3 解決方案

（1）漏油管過長改造

漏油管出噴管彎至背向水流方向，在水流來側(cè)焊接面向水流來向的角鋼以保護(hù)漏油管；漏油管連接至機(jī)殼壁附近匯合后接出機(jī)坑（見圖6）。

圖6

（2）噴管傳感器護(hù)套管防護(hù)所采取的措施

在水流來水側(cè)用75 mm×75 mm角鋼焊接在噴嘴外側(cè)面及護(hù)筒上（注意：焊時(shí)要用隔熱墊防護(hù)傳感器護(hù)管及護(hù)筒，以免高溫傳至護(hù)套管損傷傳感器導(dǎo)線絕緣）。

圖7 噴管傳感器引出電纜護(hù)套管加防護(hù)角鐵后照片

（3）傳感器防護(hù)

用環(huán)氧樹脂澆灌的傳感器防護(hù)口圖片見圖8：

（4）故障事故分析后，調(diào)速器及監(jiān)控廠家進(jìn)行程序優(yōu)化：①調(diào)速器嚴(yán)重故障后，不走噴嘴與折向器協(xié)聯(lián)關(guān)系，并將原來的噴嘴開度為0時(shí)，折向器開至63%（默認(rèn)）這條取消；②調(diào)速器在失去噴嘴位置傳感器信號（或故障）導(dǎo)致調(diào)速器嚴(yán)重故障時(shí)，折向器不能再次打開，并瞬時(shí)全關(guān)；③機(jī)組緊急事故停機(jī)流程，調(diào)速器、球閥關(guān)閉不受現(xiàn)地、遠(yuǎn)方控制方式的限制。

圖8 用環(huán)氧樹脂澆灌的傳感器防護(hù)口

流程優(yōu)化完善修改之后，再次進(jìn)行流程模擬聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)動(dòng)作正確。

2016年3月19日，1號機(jī)組再次開機(jī)進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)，甩100%負(fù)荷時(shí)的調(diào)速器折向器、噴針及轉(zhuǎn)速參數(shù)變化數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求，其曲線如圖9。

4 結(jié)束語

圖9

由于海外工程路途遙遠(yuǎn)（上萬公里），設(shè)備運(yùn)輸周期長（海運(yùn)至少3個(gè)月），在安裝、調(diào)試試運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)中一旦遇到源頭上的設(shè)計(jì)問題，現(xiàn)場很難盡快解決。這就要求我們的設(shè)計(jì)單位及制造商、總包商在國內(nèi)設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)、生產(chǎn)制造階段嚴(yán)把審核關(guān)。如CCS水電站，其水輪機(jī)轉(zhuǎn)速高、水力流速快、水力流線復(fù)雜，而水輪機(jī)及其調(diào)速器系統(tǒng)涉及到機(jī)、電、電子、液幾個(gè)部分，這對設(shè)計(jì)、制造方在各環(huán)節(jié)、廠方接口及所選配件，特別是對折向器刀板結(jié)構(gòu)形式、噴管的分水板覆蓋面積等應(yīng)重點(diǎn)探討，這些問題涉及到傳感器、控制油管路的防護(hù)要求，應(yīng)格外關(guān)注。避免產(chǎn)品運(yùn)到海外，造成負(fù)面影響。