淺談灘坑水電站大軸中心補(bǔ)氣裝置改造

毛凌 范有理

【摘 要】混流式水輪機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的尾 水真空及空腔渦帶是轉(zhuǎn)輪發(fā)生空蝕的主要原因，空蝕使水輪機(jī)效率降低、振動(dòng)加大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備損壞事故.減小尾水真空及空腔渦帶的方法就是對(duì)尾水管補(bǔ)氣.灘坑水電站原水輪機(jī)補(bǔ)氣裝置結(jié)構(gòu)為彈簧浮動(dòng)式補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)，減震效果差.經(jīng)研究，灘坑水電站結(jié)合機(jī)組檢修將水輪機(jī)補(bǔ)氣裝置改為浮球式大軸中心補(bǔ)氣裝置，本文介紹了大軸中心補(bǔ)氣裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及改造后補(bǔ)氣效果試驗(yàn)等.。

灘坑水電站位于浙江省青田縣境內(nèi)的甌江支流小溪中游河段，對(duì)外交通便利，大壩為面板堆石壩，采用了先進(jìn)的分層取水方式，保護(hù)下游生態(tài)環(huán)境。該電站接近電網(wǎng)負(fù)荷中心，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好，綜合效益明顯，是甌江流域水電梯級(jí)開發(fā)規(guī)劃中的一座重要骨干電站。

灘坑電站安裝有3臺(tái)200MW的水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF200-40/10800，采用具有上下兩個(gè)導(dǎo)軸承的立軸半傘式結(jié)構(gòu)以及一臺(tái)4000KW臥式機(jī)組，總裝機(jī)容量為604MW，在浙江電網(wǎng)內(nèi)發(fā)揮重要作用，既有發(fā)電、調(diào)峰、調(diào)相功能，又有防洪抗災(zāi)能力。

混流式水輪機(jī)運(yùn)行過程中因尾水真空及空腔渦帶使轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生空蝕，導(dǎo)致水輪機(jī)效率降低、振動(dòng)加大，嚴(yán)重時(shí)造成設(shè)備損壞。大軸中心補(bǔ)氣作為尾水管常用補(bǔ)氣方式之一，可以較好地破壞水輪機(jī)空蝕，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果良好，目前國(guó)內(nèi)大型水電站中得到廣泛的應(yīng)用。[1][2][3]

1 灘坑水電站大軸補(bǔ)氣系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

灘坑水電站水輪機(jī)補(bǔ)氣方式為大軸中心自然補(bǔ)氣。補(bǔ)氣裝置由外圍補(bǔ)氣管、大軸補(bǔ)氣管、補(bǔ)氣閥等組成。補(bǔ)氣閥形式為彈簧浮筒液壓緩沖式雙重保護(hù)真空補(bǔ)氣閥，中心補(bǔ)氣設(shè)置在發(fā)電機(jī)上端，補(bǔ)氣管通過軸系內(nèi)孔延伸至轉(zhuǎn)輪上冠出口，大軸中心孔內(nèi)管管徑為DN300，進(jìn)口處采用2根DN250管子通過發(fā)電機(jī)上機(jī)架進(jìn)入補(bǔ)氣閥。

1.2 系統(tǒng)功能

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，大軸中心補(bǔ)氣裝置能夠利用壓差結(jié)構(gòu)補(bǔ)充空氣破壞尾水真空及空腔渦帶，減少水輪機(jī)的氣蝕和震動(dòng)，提供水輪機(jī)的工作效率。

1.3 工作特性

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，大軸中心補(bǔ)氣裝置自動(dòng)投入，補(bǔ)氣量隨負(fù)荷量變化而變化。穩(wěn)定工況區(qū)補(bǔ)氣量小，在非穩(wěn)定工況區(qū)補(bǔ)氣量大，甩 負(fù)荷時(shí)補(bǔ)氣量最大。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，補(bǔ)氣管內(nèi)存在自上而下的補(bǔ)氣氣流，可說明此時(shí)大軸補(bǔ)氣管內(nèi)為負(fù)壓，無尾水返水。[4][5]

2 存在的安全隱患

浮筒式補(bǔ)氣閥未考慮具有緩沖作用的減震結(jié)構(gòu)，機(jī)組在不同的工況下需要頻繁補(bǔ)氣，以至于閥體頻繁劇烈碰撞，產(chǎn)生較大噪音，長(zhǎng)期運(yùn)行過程中橡膠密封件易損壞，尾水容易從大軸補(bǔ)氣管進(jìn)入機(jī)組內(nèi)部，很難滿足機(jī)組安全運(yùn)行的要求。

3 新型補(bǔ)氣裝置的描述及特點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

新型補(bǔ)氣裝置由閥罩、補(bǔ)氣閥、浮球閥三大部件組成。

3.1.1閥罩

結(jié)構(gòu)：閥罩由內(nèi)腔、補(bǔ)氣管、排水管、擋水環(huán)和環(huán)形內(nèi)、外集水腔組成。

工作原理：與閥罩相連的補(bǔ)氣管、排水管通往廠房外面，補(bǔ)氣管將廠房外空氣引入補(bǔ)氣罩內(nèi)腔，為補(bǔ)氣閥提供補(bǔ)充的空氣，少量滲漏水部分流到內(nèi)集水腔（部分流到外集水腔），并經(jīng)四個(gè)R90的半圓形缺口流出，再由排水管排至尾水渠。

3.1.2補(bǔ)氣閥

結(jié)構(gòu)：補(bǔ)氣閥由閥蓋、浮筒、壓板、閥座、進(jìn)氣筒、減震裝置、聯(lián)接法蘭、導(dǎo)水環(huán)等部件組成，補(bǔ)氣閥底部聯(lián)接法蘭與浮球閥頂部法蘭密封把合。

工作原理：當(dāng)水輪機(jī)下部為非負(fù)壓時(shí)，補(bǔ)氣閥的壓板在自重的作用下落在閥座上，主軸中心孔補(bǔ)氣管道與廠房外部補(bǔ)氣通路被阻斷;當(dāng)機(jī)組需補(bǔ)氣時(shí)，水輪機(jī)補(bǔ)氣管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，壓板在負(fù)壓的作用下，向上開啟。

補(bǔ)氣通路：補(bǔ)入空氣由廠房外部經(jīng)補(bǔ)氣罩上的補(bǔ)氣管路→補(bǔ)氣罩內(nèi)室→補(bǔ)氣筒→閥體內(nèi)腔→閥體夾璧→浮球閥內(nèi)腔→主軸中心孔管道→轉(zhuǎn)輪下部，壓板與閥座之間的開度與機(jī)組補(bǔ)氣量成正比。

壓板開啟或關(guān)閉的速度由減震裝置來限制。減震裝置內(nèi)部無復(fù)位彈簧，只相當(dāng)于一個(gè)阻尼環(huán)節(jié)，只對(duì)壓板的運(yùn)動(dòng)速度起到限制作用。

當(dāng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下部產(chǎn)生正壓時(shí)，壓板在正壓的作用下關(guān)閉補(bǔ)氣閥，切斷了水流的上溢通路。經(jīng)閥體夾璧進(jìn)入閥體內(nèi)腔的漏水從進(jìn)氣筒、導(dǎo)水環(huán)排入補(bǔ)氣室底部，再由排水管排至尾水渠。

3.1.3浮球閥

結(jié)構(gòu)：浮球、閥體等組成

工作原理： 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下部為負(fù)壓時(shí)，浮球下落于下端橡膠密封圈Ⅱ，為補(bǔ)氣提供通路。補(bǔ)氣時(shí)經(jīng)浮球閥上端密封圈→浮球閥底部→進(jìn)入主軸中心孔補(bǔ)氣管道→進(jìn)入轉(zhuǎn)輪下部，機(jī)組正常補(bǔ)氣時(shí)浮球閥只為補(bǔ)氣提供通路。

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下部為正壓時(shí)，水流上溢，浮球隨水流上浮，當(dāng)浮球與上端橡膠密封圈Ⅰ的密封面緊密接觸時(shí)，切斷了水流的上溢通路，阻止水流的繼續(xù)上溢。浮球閥與補(bǔ)氣閥共同作用可靠地阻止了水流的上溢。

3.2 浮球式中心孔補(bǔ)氣裝置工作特點(diǎn)

3.2.1 消除補(bǔ)氣閥的工作噪聲

壓板采用航空鋁經(jīng)機(jī)械加工制造而成，具有重輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，壓板自重輕復(fù)位力小，加之減震裝置的限速作用，消除了O型密封圈與閥座的接觸噪聲，從而改善了機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境。

3.2.2 高可靠性

補(bǔ)氣閥可靠性高，加之本裝置又增設(shè)了抑制溢水的浮球閥，二者共同作用，大大提高了機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性。

a. 考慮到以后對(duì)補(bǔ)氣閥的檢修、維護(hù)的方便，浮球閥結(jié)構(gòu)可更改為從上部往下安裝。

b. 減震裝置：需要補(bǔ)氣時(shí)，靠真空度吸力的作用，閥門向上開啟。在閥門開啟過程中，減震裝置對(duì)閥門有一個(gè)向下的拉力，隨著閥門的開啟，向下的拉力逐漸加大。到達(dá)全開位置時(shí)，閥門與上部的閥蓋不接觸。為了減緩關(guān)閉時(shí)的撞擊，減震裝置還有使閥門慢關(guān)閉的功能。吸取VOITH公司在溪洛渡電站機(jī)組的多年成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)（運(yùn)行穩(wěn)定且使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)），減震器選用國(guó)際知名品牌ACE公司的ACE的液壓穩(wěn)速進(jìn)給控制器。

c. 閥門向上的吸力和向下的拉力都是計(jì)算得出的，有一個(gè)匹配關(guān)系。減震裝置必須滿足這些力。如果增加彈簧，由于彈簧力的作用，勢(shì)必會(huì)阻礙閥門的及時(shí)開啟，起不到快速補(bǔ)氣的作用。減震器計(jì)算結(jié)論：閥門開啟時(shí)向上吸力為200Kg，最大向上吸力為650 Kg。閥門自重為32 Kg。減震器在開啟時(shí)可提供165 Kg的向下拉力，并隨閥門的開啟，向下拉力逐漸加大，閥門的全行程為150mm。

4 改造后運(yùn)行情況

大軸中心補(bǔ)氣裝置安裝完成后進(jìn)行了試驗(yàn)，補(bǔ)氣靈敏，補(bǔ)氣量充足，補(bǔ)氣過程中無碰撞造成的異響。

5 結(jié)束語

灘坑水電站大軸中心補(bǔ)氣裝置改造符合工程實(shí)際，新型的浮球式中心補(bǔ)氣裝置與原有發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)具有良好的適配性，避免了擴(kuò)大化改造，降低了改造投入。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮文貴，雷洪進(jìn). 東風(fēng)發(fā)電廠機(jī)組大軸中心補(bǔ)氣裝置改造[J]. 貴州水力發(fā)電，2005，（3）：54-56.doi：10.3969/j.issn.1007-0133.2005.03.013.

[2]阮凡，李金明，張冬生，等. 水輪機(jī)大軸補(bǔ)氣系統(tǒng)技術(shù)改造探討[J]. 云南水力發(fā)電，2013，（5）.doi：10.3969/j.issn.1006-3951.2013.05-030

[3]魏學(xué)鋒，孫茂軍，王宏程，等溪洛渡電站東電機(jī)組補(bǔ)氣閥技術(shù)改造方案研究[J]. 人民長(zhǎng)江，2016，（7）.doi：10.16232/j.cnki.1001-4179.2016.07.023.

[4]陳世程，方戊強(qiáng). 紫坪鋪水力發(fā)電廠大軸中心補(bǔ)氣閥改造[J]. 中國(guó)機(jī)械，2015，（8）：106-106，107.

[5]姜德政. 三峽ALSTOM水輪發(fā)電機(jī)組大軸補(bǔ)氣閥的改進(jìn)[J]. 水電與新能源，2010，（2）：38-39.doi：10.3969/j.issn.1671-3354.2010.02.014.

（作者單位：浙江浙能北海水力發(fā)電有限公司）