錦屏一級水電站大軸中心補氣系統的改造優化

楊 自 聰， 梁 成 剛， 劉 江 紅， 梅 沈 鋒， 楊 澤 鵬

(雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

錦屏一級水電站位于四川省鹽源縣、木里縣交界的雅礱江干流，是雅礱江水能資源最富集的中、下游河段五級水電開發中的第一級。其下游梯級為錦屏二級、官地、二灘和桐子林水電站。電站裝設6臺單機600 MW的水輪機組，水輪機為立軸混流式，帶有金屬蝸殼和窄高彎肘形尾水管。錦屏一級水電站裝機年利用小時數4 616 h，年發電量166.2億kWh。錦屏一級電站第一批機組于2013年8月發電，于2014年7月全面投產發電。水輪機的空化和空蝕與水輪機的運行條件有著密切關系。當水輪機組偏離設計工況運行時，翼型的饒流條件和轉輪的出流條件等將發生較大的改變，并在不同程度上加劇翼型空化和空腔空化。當機組在非設計工況下運行，可采用轉輪下部補氣的方法，來減輕空化空蝕。目前機組常采用的補氣方式有自然補氣和強制補氣兩種方式[1]。水輪機常見的補氣有大軸中心補氣、尾水管補氣、頂蓋補氣、葉片補氣等方式。目前大中型的混流式水輪機較多采用大軸中心補氣，因為這種補氣方式的補氣口直接通向尾水管的負壓區，在電站的實際運行中取得了很好的效果，提高了機組運行的穩定性。我國漫灣、寶珠寺、李家峽、江椏、大朝山等水輪機組均采用大軸中心補氣。不僅如此，國外公司為我國二灘、三峽等大型機組的設計中也采用了大軸中心孔補氣結構[2]。錦屏一級水電站水輪機補氣采用大軸中心孔自然補氣系統，并在頂蓋、底環的適當位置預留壓縮空氣補氣系統。錦屏一級水電站機組大軸補氣系統補氣閥采用2 個內徑為350 mm 自由浮球式空氣閥，安裝在發電機層上游夾墻內，安裝高程為1 646.9 m。主廠房發電機層高程為1 646.9 m，設計洪水尾水1 659.14 m。補氣閥及補氣管故障導致漏水，可能影響機組及電站的安全。

2 錦屏一級水電站大軸中心補氣系統

2.1 大軸中心補氣系統的基本結構和工作原理

錦屏一級水電站水輪機補氣方式為大軸中心自然補氣。系統的作用是在尾水管內形成一定低壓區時能夠自動開啟， 向尾水管內補入自然空氣， 破壞尾水管內的真空， 從而改善機組的運行狀態。錦屏一級大軸中心補氣裝置由外圍補氣管、浮球補氣閥、補氣頭、大軸補氣管、轉子中心體蝶閥、補氣潤滑水系統、集水盆、排水管及相關管路、閥門組成(圖1)。大軸補氣管固定在機組主軸內部，由發電機上端軸直到轉輪中心體最下端，作為尾水補氣的通道。補氣裝置排水管徑為350 mm。

圖1 大軸補氣裝置結構示意圖

2.2 補氣閥的結構

錦屏一級水電站大軸補氣浮球式補氣閥安裝在發電機層上游夾墻內， 補氣閥下端管路穿過發電機軸、水輪機軸以及水輪機轉輪中心部位，直至轉輪泄水錐下方， 向其下方出現的低壓區域補入自然空氣。當機組運行偏離最優工況區時， 水輪機轉輪下方會產生低壓區， 這種低壓會帶動處在主軸中心部位的補氣管路內出現壓力下降。 當管內的壓力下降至補氣閥的設定值時， 補氣閥打開， 將空氣補入轉輪下方， 以緩解該低壓區對水輪發電機組造成的危害。 壓力回升后， 補氣閥自動關閉， 防止下游尾水倒灌。

2.3 大軸補氣潤滑水

錦屏一級水電站大軸補氣潤滑水為大軸補氣頭密封環供水，起冷卻、潤滑的作用。大軸補氣潤滑水管路管徑22 mm，取自主軸密封潤滑水Φ60 mm的供水管。為了保證主軸密封和大軸補氣潤滑水供水可靠性，機組主軸密封和大軸補氣潤滑水供水管由水廠清潔水和機組技術供水同時供水。水廠清潔水取自尾水調壓室，經過組合空調、原水池、組合式凈水設備后供給廠內主軸密封潤滑水、大軸補氣裝置潤滑水、廠房檢修排水泵和滲漏排水泵潤滑水等技術用水。機組技術供水系統設置兩臺技術供水泵，采用尾水管取水單元加壓供水方式，供發電機空冷器、上導油槽冷卻器、下導油槽冷卻器、推力油槽冷卻器、水導油槽冷卻器、主軸密封和大軸補氣潤滑用。機組技術供水水廠清潔水作為大軸補氣潤滑水的主用水源，機組技術供水作為備用水源。大軸補氣潤滑水設計流量整定值為1.1 m3/h。

3 存在的風險

3.1 自由浮球補氣閥破損

錦屏一級水電站大軸補氣兩根進氣管通到廠房發電機層上游夾墻內，在每根補氣管的末端各安裝有一個DN350 mm的自由浮球補氣閥，補氣閥的安裝高程1 646.9 m。根據國內同類型機組的運行經驗，該類型自由浮球補氣閥長時間運行易出現浮球破損、密封失效等問題，造成補氣閥無法可靠止水[3]。當汛期全廠機組高負荷運行時，尾水調壓室水位會高于大軸補氣浮球閥安裝高程，若此時大軸補氣浮球閥發卡或密封差，補氣裝置轉動部件與固定部件密封失效，尾水從補氣裝置涌出，可能造成機組進水，甚至水淹廠房[4]。

3.2 大軸補氣集水盆排水管堵塞

國內某大型水電站曾在主汛期發生集電環室漏水，通過緊急停機處理，14小時后才恢復機組運行[5]。事故發生的原因就是將大軸補氣系統DN150排水管的改造為DN250的排水管后，原埋設在上游墻內的DN150排水管和DN200排水總管無法更換，造成排水不暢，導致從補氣頭密封漏出的水進入集水盆后排水不暢，積水從大軸補氣集水盆漏出。

3.3 大軸補氣集水盆制造工藝不精

2017年5月錦屏一級電站運行值班人員在巡檢過程中發現大軸補氣集水盆與發電機上端軸連接處滴水。將機組停機檢查后，發現大軸補氣集水盆內壁有一處位置銹蝕穿孔(孔徑5 mm)，導致集水盆滲水。

通過結合圖紙和現場檢查綜合分析，集水盆漏水原因為大軸補氣潤滑水進入密封環后，帶壓水流沿補氣頭外壁撞擊至大軸補氣液位浮球上，浮球上飛濺的水通過有缺陷的集水盆組合焊縫或者小孔沿集水盆內壁流出。

3.4 管路連接處密封不嚴

錦屏一級水電站大軸補氣潤滑水排水管路分幾段用法蘭連接，法蘭連接處正好經過發電機轉子上方。機組長時間運行過程中可能因為管路振動、管路連接法蘭密封老化或者破損等原因造成轉子上方法蘭漏水，將嚴重威脅發電機安全運行。

3.5 大軸補氣潤滑水流量降低

錦屏一級水電站5號、6號機組在2013年8月首批投產發電，此后4號-1號機組依次投產。2013年9月5號、6號機組大軸補氣潤滑水流量為1.6 m3/h。由于1號～4號機組的投產發電導致大軸補氣潤滑水的的分流，同時工程建設初期施工的不規范，導致大軸補氣潤滑水管路存在焊瘤。此外，隨著機組的長時間運行大軸補氣潤滑水小管路中淤泥沉積等原因，機組大軸補氣潤滑水流量呈下降趨勢，其中5號機組大軸補氣潤滑水流量在所有機組中最低。通過查詢歷史曲線，2014年7月5號機組主大軸補氣潤滑水流量已經降至0.9 m3/h，再到2019年6月5號機組主大軸補氣潤滑水流量降到最低的0.66 m3/h，已經遠低于大軸補氣潤滑水設計流量1.1 m3/h，大軸補氣潤滑水流量低經常引發報警。大軸補氣潤滑水流量降低會影響大軸補氣頭的潤滑和冷卻，進而導致大軸補氣頭密封環磨損加劇。

4 風險預控措施

在尾水調壓室水位高于補氣閥高程的情況下，為防止因補氣閥故障不能正常關閉或關閉不嚴造成水淹廠房的事故發生，錦屏一級水電站于2014年將所有機組的大軸補氣浮球式補氣閥上部管路加高至1 656.7 m高程(20 年一遇尾水水位為1 655.14 m)。在汛期，機組大負荷運行，即使發生浮球破損、密封失效等問題也能避免跑水情況的發生。

為防止大軸補氣集水盆由于大軸補氣排水管堵塞或者大軸補氣潤滑水變大導致大軸補氣集水盆水位過高后漏水的情況，錦屏一級水電站在2017年新增大軸補氣集水盆水位高及水位過高模擬量報警。以浮子開關安裝高度為參照, 大軸補氣集水盆水位高報警值為0.1 m , 水位過高報警值為0.2 m。當出現大軸補氣集水盆水位高報警后，需及時檢查與處理，以避免事故的發生。

在汛期尾水位持續高水位運行情況下， 加強對大軸中心補氣系統的巡檢，特別是上游夾墻是否有跑水情況、大軸補氣集水盆是否有漏水情況。通過現場巡視與監控報警系統盡早發現隱患和缺陷。

為了避免發電機轉子上方的大軸補氣排水管連接法蘭漏水威脅發電機安全運行，錦屏一級水電站在2016年機組檢修期間將發電機轉子上方大軸補氣排水管路的連接方式由法蘭連接改為直管連接。

針對大軸補氣潤滑水流量持續降低的問題，錦屏一級水電站采取了一系列措施。首先將從水廠清潔水取水的廠房滲漏排水泵和機組檢修排水泵潤滑水由長流水改為了啟泵前短暫供水，同時減少潤滑水的流量。通過減少水廠清潔水其他用戶的供水量，提高大軸補氣潤滑水流量。其次，針對大軸補氣潤滑水流量低頻繁報警的問題，在對比雅礱江流域錦屏二級、官地、二灘水電站大軸補氣潤滑水流量定值的基礎上，分析大軸補氣潤滑水流量、壓力和大軸補氣密封環磨損量情況，提出了降低大軸補氣潤滑水流量低報警值的建議。在2016年將機組大軸補氣潤滑水流量低報警值從1.1 m3/h修改為0.6 m3/h。經過實踐證明，定值修改后，監控系統未發生大軸補氣潤滑水流量低報警，同時，大軸補氣頭密封圈也未發生磨損。最后，從根本上解決大軸補氣潤滑水流量低的問題。投產至今,機組每年檢修期間都會對大軸補氣潤滑水濾水器清洗，但是效果都不明顯。在2019年機組檢修期間對大軸補氣潤滑水管徹底排查清洗，把5號機組大軸補氣潤滑水供水管路內存在焊瘤的一段焊縫割除并重新配管焊接，用草酸進行反沖洗后，5號機大軸補氣潤滑水流量從0.8 m3/h提高至1.3 m3/h。同時,在5號機組大軸補氣潤滑水管路逆止閥后增加手動排污閥，當大軸補氣潤滑水流量接近低報警時，開啟排污閥對管路進行沖洗排污，以提高大軸補氣潤滑水流量。通過以上措施，目前錦屏一級水電站各臺機組的大軸補氣潤滑水流量基本穩定在1.1 m3/h。

5 結 語

錦屏一級水電站水輪機主軸中心補氣系統在充分借鑒國內多個大型水電站運行經驗的基礎上進行設計，到目前為止，大軸補氣浮球式補氣閥動作可靠，大軸補氣中心管密封良好。但是大軸補氣系統也遇到了潤滑水流量低、集水盆工藝不精并缺少水位監視功能、潤滑水排水管法蘭布置不合理等一系列問題。隨著大軸補氣系統的不斷改造和優化，目前，錦屏一級水電站大軸補氣系統整體運行安全可靠。錦屏一級水電站在大軸補氣系統遇到的問題和改進措施為尾水水位相對較高的立軸混流式水輪發電機組的中心補氣系統提供了較大的參考價值。