帶泵板結構頂蓋取水技術在巴拉水電站的應用

李 前, 三 郎 乓

(四川足木足河流域水電開發有限公司,四川 成都 610041)

0 引 言

混流式水輪機頂蓋取水作為水電站技術供水的方式正被逐步推廣應用。頂蓋取水是將頂蓋止漏環與轉輪止漏環間不做功的泄露水作為技術供水的水源,具有節能、清潔環保、安全可靠的特點。目前技術條件下的水輪機頂蓋取水結構有帶泵板和不帶泵板兩類,其結構設計會直接影響頂蓋取水效果和機組安全運行[1]。帶泵板和不帶泵板兩種結構均有其優缺點[2],通過設計過程中的計算對比,將決定是否滿足水電站頂蓋取水應用要求的結果。

1 工程概況

巴拉水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣日部鄉境內,系大渡河干流水電規劃“3庫22級”中的主源—腳木足河河段自上而下的第2梯級水電站,主電站地下主廠房裝有3臺單機額定功率240 MW的混流式水輪發電機組,總裝機容量746 MW(含生態機組裝機26 MW),多年平均發電量25.528億kW·h(單獨),額定水頭217.0 m,具有日調節能力。電站于2020年12月29日正式開工建設。

2 頂蓋取水結構選擇

電站通過招標已確定制造廠為東方電氣集團東方電機廠有限公司,基于巴拉水電站水輪機設計參數水頭、轉速、布置等綜合情況,已明確機組臨界轉速為600.92 r/min,水輪機軸向水推力[3]不大于660 t(不含轉動部分重量)。為使將來機組性能優良、運行安全穩定性更有保障,通過流體動力學CFD數值模擬技術[4]探究帶泵板的頂蓋取水和不帶泵板頂蓋取水兩種結構方式,最后確定頂蓋取水為合理結構,能增加技術供水穩定性及經濟性。

3 水輪機設計

巴拉水電站水輪機為立軸混流式,帶有金屬蝸殼和彎肘形尾水管,在水輪機固定導葉與活動導葉之間裝設筒形閥,筒形閥采用全數字集成式電液控制系統。水輪機主軸與發電機主軸剛性直聯,水輪機旋轉方向為俯視順時針,其基本參數見表1:

表1 巴拉水電站水輪機基本參數

3.1 轉輪

轉輪過流部分的型線和尺寸與經過驗收的模型轉輪相似,過流表面光滑,呈流線型,無裂紋、凹凸不平等缺陷,型線偏差不大于IEC60193的規定。轉輪葉片17個,全部采用抗空蝕、抗磨蝕和具有良好焊接性能的低碳優質不銹鋼材料ZG04Cr13Ni5Mo制造,轉輪泄水錐采用與上冠相同的材料制造,和上冠做成一體,在結構設計上有足夠的剛度,并有利于大軸中心孔補氣和減少尾水壓力脈動。轉輪上冠設有泄壓孔或平壓管路等泄水裝置,以減少頂蓋的水壓力和轉輪向下的水推力。

3.2 主軸

機組采用二根軸結構,即水輪機軸和發電機軸。水輪機主軸上端法蘭與發電機軸下端法蘭直接連接,分界法蘭面高程暫定為2 679.6 m。水輪機主軸采用20SiMn低合金整鍛,帶軸領兩端均為外法蘭結構。主軸采用中空結構、水輪機軸與發電機軸采用銷釘螺栓聯接并傳遞扭矩。主軸與轉輪采用螺栓連接,摩擦傳遞扭矩結構。兩端法蘭采用模板加工,保證機組的互換性。

3.3 頂蓋

頂蓋支撐水輪機導軸承、水輪機密封、筒形閥和筒形閥操作機構。頂蓋設計成能方便地裝入和拆卸水輪機部件,并且可利用主廠房起重機整體吊入或吊出水輪機坑。頂蓋采用鋼板焊接結構,采用Q345B鋼板焊接而成。頂蓋除了設有自流排水管外,另外還提供了兩臺潛水泵,一臺主用,一臺備用。頂蓋過流面設有抗磨板。抗磨板材料為04Cr13Ni5Mo不銹鋼板,采用塞焊固定在頂蓋本體上。在對應導葉全關位置密合處設有端面密封裝置,密封條的材料為鑄鋁青銅ZCuAl10Fe3加橡膠的結構。頂蓋上設有梳齒式固定止漏環,材料為06Cr19Ni10,其硬度比轉輪硬度低HB50以上。頂蓋上還設有頂蓋泄壓管。頂蓋的設計充分考慮設置對筒形閥后的影響,并保證整體頂蓋具有足夠的強度和縱、徑向剛度,能安全可靠地承受最大水壓力(包括水錘壓力)、徑向推力、最大水壓脈動和所有其它作用力,包括導水機構、導軸承、主軸密封、筒形閥及操作機構等部件的支撐力,并不產生過大的振動力和變形。頂蓋上裝有用于導葉軸的自潤滑軸承、密封和導葉軸承孔。筒形閥上部密封設置在頂蓋上。

4 頂蓋結構方案

4.1 研究理論

足木足公司聯合制造廠家東方電機廠,結合流體動力學CFD數值模擬技術和解析法計算方法,并結合電站實際運行驗證等方法進行研究,取得了一系列頂蓋取水技術的理論研究成果:

(1) 頂蓋取水技術具有一定的適用性,特定機組是否適合采用頂蓋取水與其水頭、轉速和設備布置位置有密切關系;

(2) 頂蓋取水的流量和壓力可以采用解析法進行計算,精度基本滿足巴拉工程應用要求;

(3) 頂蓋取水技術與增壓泵板結構和主軸密封結構等均有關系;

(4) 通過增壓泵板增壓能力的解析法計算方法,得到滿足工程應用要求的結果。

4.2 計算方案

通過對巴拉水輪機頂蓋取水方式進行深入的分析計算,對轉輪上腔設置泵板與不設置泵板進行了詳細對比計算。結果如下:

在轉輪上冠設置合適的帶泵板結構(見圖1),在頂蓋內設置8根DN100取水管,機坑內頂蓋取水管即原頂蓋平壓管。機坑外部設置技術供水總管與頂蓋平壓總管,通過在機墩外設置三通及閥門等可實現技術供水功能或頂蓋平壓排水功能轉換。

圖1 帶泵板結構

4.3 水推力分析

4.3.1 頂蓋取水采用泵板結構與不采用泵板結構取水比較-CFD算法[4-5]

上冠上腔的任意點r處的壓力P計算公式如下:

(1)

式中P0和r0為已知點的壓力和半徑;n為機組額定轉速;ρ為水的密度;式中的k0值,圓周光滑的面取0.5,泵板結構取1。

根據壓力的計算式,可以得到上冠上腔(圓環面)受到的水推力F計算公式:

(2)

式中r1和r2分別為計算圓環面的內外徑;其中r1為泵板出水口半徑,巴拉值為1.54 m;r2為泵板吸水口半徑,巴拉值為1.19 m。P0、r0、π、n、ρ、k0的取值仍按前述。

在相同的壓力梯度標尺上標示的帶泵板頂蓋取水和不帶泵板頂蓋取水的差異分別見圖2、3。泵板外徑側(同時為頂蓋取水管口)處的壓力和半徑分別為P0和r0,頂蓋取水無論是否帶泵板,其P0值基本相同。正是k0值在泵板內和外取值的差異,泵板結構使上冠上腔產生了更大的壓力梯度,從而達到降低上冠上腔平均壓力最終達到盡量減小軸向水推力增加的目的。

圖2 帶泵板的頂蓋取水

圖3 不帶泵板頂蓋取水

經CFD算法初步計算,頂蓋取水帶泵板結構比不帶泵板可增加軸向水推力約48 t(水輪機總水推力不大于660 t),在滿足巴拉水電站實際需求前提下,技術供水穩定性和經濟性卻大幅度提高。

4.3.2 頂蓋取水帶泵板結構與不帶泵板結構取水比較-解析算法

巴拉水電站頂蓋取水系統解析計算結果見表2:根據解析法計算結果,采用有泵板取水方案與無泵板取水方案相比,水推力將增加約48 t(水輪機總水推力不大于660 t)。且泵板功耗與額定功率相比,增加117.6 kW,占比僅0.044 1%,幾乎可忽略不計,但技術供水穩定性和經濟性卻大幅度提高。

表2 巴拉水電站頂蓋取水系統解析算法計算結果

5 結 語

基于電站水輪機設計參數水頭、轉速、廠房布置、取水狀態等綜合情況,在水輪機軸向水推力限定的情況下,通過CFD算法和解析算法兩種方式均表明:水輪機采用泵板結構取水比不采用泵板結構的取水方案,水推力雖略微有所增加,增加部分占水輪機總水推力比重卻較小。但是,考慮到對電站技術供水穩定性及經濟性等好處,且對水輪機無不利影響,因此,帶泵板結構的頂蓋取水方案在水推力確定的條件下,具有廣泛的推廣價值。