錦屏一級(jí)水電站大軸中心補(bǔ)氣系統(tǒng)的改造優(yōu)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(fā)有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

錦屏一級(jí)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(jí)水電開發(fā)中的第一級(jí)。其下游梯級(jí)為錦屏二級(jí)、官地、二灘和桐子林水電站。電站裝設(shè)6臺(tái)單機(jī)600 MW的水輪機(jī)組，水輪機(jī)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(jí)水電站裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)4 616 h，年發(fā)電量166.2億kWh。錦屏一級(jí)電站第一批機(jī)組于2013年8月發(fā)電，于2014年7月全面投產(chǎn)發(fā)電。水輪機(jī)的空化和空蝕與水輪機(jī)的運(yùn)行條件有著密切關(guān)系。當(dāng)水輪機(jī)組偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，翼型的饒流條件和轉(zhuǎn)輪的出流條件等將發(fā)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(dāng)機(jī)組在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，可采用轉(zhuǎn)輪下部補(bǔ)氣的方法，來減輕空化空蝕。目前機(jī)組常采用的補(bǔ)氣方式有自然補(bǔ)氣和強(qiáng)制補(bǔ)氣兩種方式[1]。水輪機(jī)常見的補(bǔ)氣有大軸中心補(bǔ)氣、尾水管補(bǔ)氣、頂蓋補(bǔ)氣、葉片補(bǔ)氣等方式。目前大中型的混流式水輪機(jī)較多采用大軸中心補(bǔ)氣，因?yàn)檫@種補(bǔ)氣方式的補(bǔ)氣口直接通向尾水管的負(fù)壓區(qū)，在電站的實(shí)際運(yùn)行中取得了很好的效果，提高了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。我國漫灣、寶珠寺、李家峽、江椏、大朝山等水輪機(jī)組均采用大軸中心補(bǔ)氣。不僅如此，國外公司為我國二灘、三峽等大型機(jī)組的設(shè)計(jì)中也采用了大軸中心孔補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)[2]。錦屏一級(jí)水電站水輪機(jī)補(bǔ)氣采用大軸中心孔自然補(bǔ)氣系統(tǒng)，并在頂蓋、底環(huán)的適當(dāng)位置預(yù)留壓縮空氣補(bǔ)氣系統(tǒng)。錦屏一級(jí)水電站機(jī)組大軸補(bǔ)氣系統(tǒng)補(bǔ)氣閥采用2 個(gè)內(nèi)徑為350 mm 自由浮球式空氣閥，安裝在發(fā)電機(jī)層上游夾墻內(nèi)，安裝高程為1 646.9 m。主廠房發(fā)電機(jī)層高程為1 646.9 m，設(shè)計(jì)洪水尾水1 659.14 m。補(bǔ)氣閥及補(bǔ)氣管故障導(dǎo)致漏水，可能影響機(jī)組及電站的安全。

2 錦屏一級(jí)水電站大軸中心補(bǔ)氣系統(tǒng)

2.1 大軸中心補(bǔ)氣系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

錦屏一級(jí)水電站水輪機(jī)補(bǔ)氣方式為大軸中心自然補(bǔ)氣。系統(tǒng)的作用是在尾水管內(nèi)形成一定低壓區(qū)時(shí)能夠自動(dòng)開啟， 向尾水管內(nèi)補(bǔ)入自然空氣， 破壞尾水管內(nèi)的真空， 從而改善機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。錦屏一級(jí)大軸中心補(bǔ)氣裝置由外圍補(bǔ)氣管、浮球補(bǔ)氣閥、補(bǔ)氣頭、大軸補(bǔ)氣管、轉(zhuǎn)子中心體蝶閥、補(bǔ)氣潤滑水系統(tǒng)、集水盆、排水管及相關(guān)管路、閥門組成(圖1)。大軸補(bǔ)氣管固定在機(jī)組主軸內(nèi)部，由發(fā)電機(jī)上端軸直到轉(zhuǎn)輪中心體最下端，作為尾水補(bǔ)氣的通道。補(bǔ)氣裝置排水管徑為350 mm。

圖1 大軸補(bǔ)氣裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 補(bǔ)氣閥的結(jié)構(gòu)

錦屏一級(jí)水電站大軸補(bǔ)氣浮球式補(bǔ)氣閥安裝在發(fā)電機(jī)層上游夾墻內(nèi)， 補(bǔ)氣閥下端管路穿過發(fā)電機(jī)軸、水輪機(jī)軸以及水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中心部位，直至轉(zhuǎn)輪泄水錐下方， 向其下方出現(xiàn)的低壓區(qū)域補(bǔ)入自然空氣。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行偏離最優(yōu)工況區(qū)時(shí)， 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪下方會(huì)產(chǎn)生低壓區(qū)， 這種低壓會(huì)帶動(dòng)處在主軸中心部位的補(bǔ)氣管路內(nèi)出現(xiàn)壓力下降。 當(dāng)管內(nèi)的壓力下降至補(bǔ)氣閥的設(shè)定值時(shí)， 補(bǔ)氣閥打開， 將空氣補(bǔ)入轉(zhuǎn)輪下方， 以緩解該低壓區(qū)對水輪發(fā)電機(jī)組造成的危害。 壓力回升后， 補(bǔ)氣閥自動(dòng)關(guān)閉， 防止下游尾水倒灌。

2.3 大軸補(bǔ)氣潤滑水

錦屏一級(jí)水電站大軸補(bǔ)氣潤滑水為大軸補(bǔ)氣頭密封環(huán)供水，起冷卻、潤滑的作用。大軸補(bǔ)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(bǔ)氣潤滑水供水可靠性，機(jī)組主軸密封和大軸補(bǔ)氣潤滑水供水管由水廠清潔水和機(jī)組技術(shù)供水同時(shí)供水。水廠清潔水取自尾水調(diào)壓室，經(jīng)過組合空調(diào)、原水池、組合式凈水設(shè)備后供給廠內(nèi)主軸密封潤滑水、大軸補(bǔ)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(shù)用水。機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)技術(shù)供水泵，采用尾水管取水單元加壓供水方式，供發(fā)電機(jī)空冷器、上導(dǎo)油槽冷卻器、下導(dǎo)油槽冷卻器、推力油槽冷卻器、水導(dǎo)油槽冷卻器、主軸密封和大軸補(bǔ)氣潤滑用。機(jī)組技術(shù)供水水廠清潔水作為大軸補(bǔ)氣潤滑水的主用水源，機(jī)組技術(shù)供水作為備用水源。大軸補(bǔ)氣潤滑水設(shè)計(jì)流量整定值為1.1 m3/h。

3 存在的風(fēng)險(xiǎn)

3.1 自由浮球補(bǔ)氣閥破損

錦屏一級(jí)水電站大軸補(bǔ)氣兩根進(jìn)氣管通到廠房發(fā)電機(jī)層上游夾墻內(nèi)，在每根補(bǔ)氣管的末端各安裝有一個(gè)DN350 mm的自由浮球補(bǔ)氣閥，補(bǔ)氣閥的安裝高程1 646.9 m。根據(jù)國內(nèi)同類型機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該類型自由浮球補(bǔ)氣閥長時(shí)間運(yùn)行易出現(xiàn)浮球破損、密封失效等問題，造成補(bǔ)氣閥無法可靠止水[3]。當(dāng)汛期全廠機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，尾水調(diào)壓室水位會(huì)高于大軸補(bǔ)氣浮球閥安裝高程，若此時(shí)大軸補(bǔ)氣浮球閥發(fā)卡或密封差，補(bǔ)氣裝置轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件密封失效，尾水從補(bǔ)氣裝置涌出，可能造成機(jī)組進(jìn)水，甚至水淹廠房[4]。

3.2 大軸補(bǔ)氣集水盆排水管堵塞

國內(nèi)某大型水電站曾在主汛期發(fā)生集電環(huán)室漏水，通過緊急停機(jī)處理，14小時(shí)后才恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行[5]。事故發(fā)生的原因就是將大軸補(bǔ)氣系統(tǒng)DN150排水管的改造為DN250的排水管后，原埋設(shè)在上游墻內(nèi)的DN150排水管和DN200排水總管無法更換，造成排水不暢，導(dǎo)致從補(bǔ)氣頭密封漏出的水進(jìn)入集水盆后排水不暢，積水從大軸補(bǔ)氣集水盆漏出。

3.3 大軸補(bǔ)氣集水盆制造工藝不精

2017年5月錦屏一級(jí)電站運(yùn)行值班人員在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)大軸補(bǔ)氣集水盆與發(fā)電機(jī)上端軸連接處滴水。將機(jī)組停機(jī)檢查后，發(fā)現(xiàn)大軸補(bǔ)氣集水盆內(nèi)壁有一處位置銹蝕穿孔(孔徑5 mm)，導(dǎo)致集水盆滲水。

通過結(jié)合圖紙和現(xiàn)場檢查綜合分析，集水盆漏水原因?yàn)榇筝S補(bǔ)氣潤滑水進(jìn)入密封環(huán)后，帶壓水流沿補(bǔ)氣頭外壁撞擊至大軸補(bǔ)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(nèi)壁流出。

3.4 管路連接處密封不嚴(yán)

錦屏一級(jí)水電站大軸補(bǔ)氣潤滑水排水管路分幾段用法蘭連接，法蘭連接處正好經(jīng)過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上方。機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行過程中可能因?yàn)楣苈氛駝?dòng)、管路連接法蘭密封老化或者破損等原因造成轉(zhuǎn)子上方法蘭漏水，將嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行。

3.5 大軸補(bǔ)氣潤滑水流量降低

錦屏一級(jí)水電站5號(hào)、6號(hào)機(jī)組在2013年8月首批投產(chǎn)發(fā)電，此后4號(hào)-1號(hào)機(jī)組依次投產(chǎn)。2013年9月5號(hào)、6號(hào)機(jī)組大軸補(bǔ)氣潤滑水流量為1.6 m3/h。由于1號(hào)～4號(hào)機(jī)組的投產(chǎn)發(fā)電導(dǎo)致大軸補(bǔ)氣潤滑水的的分流，同時(shí)工程建設(shè)初期施工的不規(guī)范，導(dǎo)致大軸補(bǔ)氣潤滑水管路存在焊瘤。此外，隨著機(jī)組的長時(shí)間運(yùn)行大軸補(bǔ)氣潤滑水小管路中淤泥沉積等原因，機(jī)組大軸補(bǔ)氣潤滑水流量呈下降趨勢，其中5號(hào)機(jī)組大軸補(bǔ)氣潤滑水流量在所有機(jī)組中最低。通過查詢歷史曲線，2014年7月5號(hào)機(jī)組主大軸補(bǔ)氣潤滑水流量已經(jīng)降至0.9 m3/h，再到2019年6月5號(hào)機(jī)組主大軸補(bǔ)氣潤滑水流量降到最低的0.66 m3/h，已經(jīng)遠(yuǎn)低于大軸補(bǔ)氣潤滑水設(shè)計(jì)流量1.1 m3/h，大軸補(bǔ)氣潤滑水流量低經(jīng)常引發(fā)報(bào)警。大軸補(bǔ)氣潤滑水流量降低會(huì)影響大軸補(bǔ)氣頭的潤滑和冷卻，進(jìn)而導(dǎo)致大軸補(bǔ)氣頭密封環(huán)磨損加劇。

4 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控措施

在尾水調(diào)壓室水位高于補(bǔ)氣閥高程的情況下，為防止因補(bǔ)氣閥故障不能正常關(guān)閉或關(guān)閉不嚴(yán)造成水淹廠房的事故發(fā)生，錦屏一級(jí)水電站于2014年將所有機(jī)組的大軸補(bǔ)氣浮球式補(bǔ)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(jī)組大負(fù)荷運(yùn)行，即使發(fā)生浮球破損、密封失效等問題也能避免跑水情況的發(fā)生。

為防止大軸補(bǔ)氣集水盆由于大軸補(bǔ)氣排水管堵塞或者大軸補(bǔ)氣潤滑水變大導(dǎo)致大軸補(bǔ)氣集水盆水位過高后漏水的情況，錦屏一級(jí)水電站在2017年新增大軸補(bǔ)氣集水盆水位高及水位過高模擬量報(bào)警。以浮子開關(guān)安裝高度為參照, 大軸補(bǔ)氣集水盆水位高報(bào)警值為0.1 m , 水位過高報(bào)警值為0.2 m。當(dāng)出現(xiàn)大軸補(bǔ)氣集水盆水位高報(bào)警后，需及時(shí)檢查與處理，以避免事故的發(fā)生。

在汛期尾水位持續(xù)高水位運(yùn)行情況下， 加強(qiáng)對大軸中心補(bǔ)氣系統(tǒng)的巡檢，特別是上游夾墻是否有跑水情況、大軸補(bǔ)氣集水盆是否有漏水情況。通過現(xiàn)場巡視與監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)盡早發(fā)現(xiàn)隱患和缺陷。

為了避免發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上方的大軸補(bǔ)氣排水管連接法蘭漏水威脅發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行，錦屏一級(jí)水電站在2016年機(jī)組檢修期間將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上方大軸補(bǔ)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(bǔ)氣潤滑水流量持續(xù)降低的問題，錦屏一級(jí)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(jī)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(shí)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(bǔ)氣潤滑水流量。其次，針對大軸補(bǔ)氣潤滑水流量低頻繁報(bào)警的問題，在對比雅礱江流域錦屏二級(jí)、官地、二灘水電站大軸補(bǔ)氣潤滑水流量定值的基礎(chǔ)上，分析大軸補(bǔ)氣潤滑水流量、壓力和大軸補(bǔ)氣密封環(huán)磨損量情況，提出了降低大軸補(bǔ)氣潤滑水流量低報(bào)警值的建議。在2016年將機(jī)組大軸補(bǔ)氣潤滑水流量低報(bào)警值從1.1 m3/h修改為0.6 m3/h。經(jīng)過實(shí)踐證明，定值修改后，監(jiān)控系統(tǒng)未發(fā)生大軸補(bǔ)氣潤滑水流量低報(bào)警，同時(shí)，大軸補(bǔ)氣頭密封圈也未發(fā)生磨損。最后，從根本上解決大軸補(bǔ)氣潤滑水流量低的問題。投產(chǎn)至今,機(jī)組每年檢修期間都會(huì)對大軸補(bǔ)氣潤滑水濾水器清洗，但是效果都不明顯。在2019年機(jī)組檢修期間對大軸補(bǔ)氣潤滑水管徹底排查清洗，把5號(hào)機(jī)組大軸補(bǔ)氣潤滑水供水管路內(nèi)存在焊瘤的一段焊縫割除并重新配管焊接，用草酸進(jìn)行反沖洗后，5號(hào)機(jī)大軸補(bǔ)氣潤滑水流量從0.8 m3/h提高至1.3 m3/h。同時(shí),在5號(hào)機(jī)組大軸補(bǔ)氣潤滑水管路逆止閥后增加手動(dòng)排污閥，當(dāng)大軸補(bǔ)氣潤滑水流量接近低報(bào)警時(shí)，開啟排污閥對管路進(jìn)行沖洗排污，以提高大軸補(bǔ)氣潤滑水流量。通過以上措施，目前錦屏一級(jí)水電站各臺(tái)機(jī)組的大軸補(bǔ)氣潤滑水流量基本穩(wěn)定在1.1 m3/h。

5 結(jié) 語

錦屏一級(jí)水電站水輪機(jī)主軸中心補(bǔ)氣系統(tǒng)在充分借鑒國內(nèi)多個(gè)大型水電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，到目前為止，大軸補(bǔ)氣浮球式補(bǔ)氣閥動(dòng)作可靠，大軸補(bǔ)氣中心管密封良好。但是大軸補(bǔ)氣系統(tǒng)也遇到了潤滑水流量低、集水盆工藝不精并缺少水位監(jiān)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(bǔ)氣系統(tǒng)的不斷改造和優(yōu)化，目前，錦屏一級(jí)水電站大軸補(bǔ)氣系統(tǒng)整體運(yùn)行安全可靠。錦屏一級(jí)水電站在大軸補(bǔ)氣系統(tǒng)遇到的問題和改進(jìn)措施為尾水水位相對較高的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組的中心補(bǔ)氣系統(tǒng)提供了較大的參考價(jià)值。