帶泵板結(jié)構(gòu)頂蓋取水技術(shù)在巴拉水電站的應(yīng)用

李 前, 三 郎 乓

(四川足木足河流域水電開發(fā)有限公司,四川 成都 610041)

0 引 言

混流式水輪機(jī)頂蓋取水作為水電站技術(shù)供水的方式正被逐步推廣應(yīng)用。頂蓋取水是將頂蓋止漏環(huán)與轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間不做功的泄露水作為技術(shù)供水的水源,具有節(jié)能、清潔環(huán)保、安全可靠的特點。目前技術(shù)條件下的水輪機(jī)頂蓋取水結(jié)構(gòu)有帶泵板和不帶泵板兩類,其結(jié)構(gòu)設(shè)計會直接影響頂蓋取水效果和機(jī)組安全運(yùn)行[1]。帶泵板和不帶泵板兩種結(jié)構(gòu)均有其優(yōu)缺點[2],通過設(shè)計過程中的計算對比,將決定是否滿足水電站頂蓋取水應(yīng)用要求的結(jié)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(xiāng)境內(nèi),系大渡河干流水電規(guī)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(jī)額定功率240 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量746 MW(含生態(tài)機(jī)組裝機(jī)26 MW),多年平均發(fā)電量25.528億kW·h(單獨(dú)),額定水頭217.0 m,具有日調(diào)節(jié)能力。電站于2020年12月29日正式開工建設(shè)。

2 頂蓋取水結(jié)構(gòu)選擇

電站通過招標(biāo)已確定制造廠為東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)廠有限公司,基于巴拉水電站水輪機(jī)設(shè)計參數(shù)水頭、轉(zhuǎn)速、布置等綜合情況,已明確機(jī)組臨界轉(zhuǎn)速為600.92 r/min,水輪機(jī)軸向水推力[3]不大于660 t(不含轉(zhuǎn)動部分重量)。為使將來機(jī)組性能優(yōu)良、運(yùn)行安全穩(wěn)定性更有保障,通過流體動力學(xué)CFD數(shù)值模擬技術(shù)[4]探究帶泵板的頂蓋取水和不帶泵板頂蓋取水兩種結(jié)構(gòu)方式,最后確定頂蓋取水為合理結(jié)構(gòu),能增加技術(shù)供水穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性。

3 水輪機(jī)設(shè)計

巴拉水電站水輪機(jī)為立軸混流式,帶有金屬蝸殼和彎肘形尾水管,在水輪機(jī)固定導(dǎo)葉與活動導(dǎo)葉之間裝設(shè)筒形閥,筒形閥采用全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng)。水輪機(jī)主軸與發(fā)電機(jī)主軸剛性直聯(lián),水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向為俯視順時針,其基本參數(shù)見表1:

表1 巴拉水電站水輪機(jī)基本參數(shù)

3.1 轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪過流部分的型線和尺寸與經(jīng)過驗收的模型轉(zhuǎn)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(guī)定。轉(zhuǎn)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(yōu)質(zhì)不銹鋼材料ZG04Cr13Ni5Mo制造,轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計上有足夠的剛度,并有利于大軸中心孔補(bǔ)氣和減少尾水壓力脈動。轉(zhuǎn)輪上冠設(shè)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(zhuǎn)輪向下的水推力。

3.2 主軸

機(jī)組采用二根軸結(jié)構(gòu),即水輪機(jī)軸和發(fā)電機(jī)軸。水輪機(jī)主軸上端法蘭與發(fā)電機(jī)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(jī)主軸采用20SiMn低合金整鍛,帶軸領(lǐng)兩端均為外法蘭結(jié)構(gòu)。主軸采用中空結(jié)構(gòu)、水輪機(jī)軸與發(fā)電機(jī)軸采用銷釘螺栓聯(lián)接并傳遞扭矩。主軸與轉(zhuǎn)輪采用螺栓連接,摩擦傳遞扭矩結(jié)構(gòu)。兩端法蘭采用模板加工,保證機(jī)組的互換性。

3.3 頂蓋

頂蓋支撐水輪機(jī)導(dǎo)軸承、水輪機(jī)密封、筒形閥和筒形閥操作機(jī)構(gòu)。頂蓋設(shè)計成能方便地裝入和拆卸水輪機(jī)部件,并且可利用主廠房起重機(jī)整體吊入或吊出水輪機(jī)坑。頂蓋采用鋼板焊接結(jié)構(gòu),采用Q345B鋼板焊接而成。頂蓋除了設(shè)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(shè)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(yīng)導(dǎo)葉全關(guān)位置密合處設(shè)有端面密封裝置,密封條的材料為鑄鋁青銅ZCuAl10Fe3加橡膠的結(jié)構(gòu)。頂蓋上設(shè)有梳齒式固定止漏環(huán),材料為06Cr19Ni10,其硬度比轉(zhuǎn)輪硬度低HB50以上。頂蓋上還設(shè)有頂蓋泄壓管。頂蓋的設(shè)計充分考慮設(shè)置對筒形閥后的影響,并保證整體頂蓋具有足夠的強(qiáng)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(dǎo)水機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軸承、主軸密封、筒形閥及操作機(jī)構(gòu)等部件的支撐力,并不產(chǎn)生過大的振動力和變形。頂蓋上裝有用于導(dǎo)葉軸的自潤滑軸承、密封和導(dǎo)葉軸承孔。筒形閥上部密封設(shè)置在頂蓋上。

4 頂蓋結(jié)構(gòu)方案

4.1 研究理論

足木足公司聯(lián)合制造廠家東方電機(jī)廠,結(jié)合流體動力學(xué)CFD數(shù)值模擬技術(shù)和解析法計算方法,并結(jié)合電站實際運(yùn)行驗證等方法進(jìn)行研究,取得了一系列頂蓋取水技術(shù)的理論研究成果:

(1) 頂蓋取水技術(shù)具有一定的適用性,特定機(jī)組是否適合采用頂蓋取水與其水頭、轉(zhuǎn)速和設(shè)備布置位置有密切關(guān)系;

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

(3) 頂蓋取水技術(shù)與增壓泵板結(jié)構(gòu)和主軸密封結(jié)構(gòu)等均有關(guān)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(yīng)用要求的結(jié)果。

4.2 計算方案

通過對巴拉水輪機(jī)頂蓋取水方式進(jìn)行深入的分析計算,對轉(zhuǎn)輪上腔設(shè)置泵板與不設(shè)置泵板進(jìn)行了詳細(xì)對比計算。結(jié)果如下:

在轉(zhuǎn)輪上冠設(shè)置合適的帶泵板結(jié)構(gòu)(見圖1),在頂蓋內(nèi)設(shè)置8根DN100取水管,機(jī)坑內(nèi)頂蓋取水管即原頂蓋平壓管。機(jī)坑外部設(shè)置技術(shù)供水總管與頂蓋平壓總管,通過在機(jī)墩外設(shè)置三通及閥門等可實現(xiàn)技術(shù)供水功能或頂蓋平壓排水功能轉(zhuǎn)換。

圖1 帶泵板結(jié)構(gòu)

4.3 水推力分析

4.3.1 頂蓋取水采用泵板結(jié)構(gòu)與不采用泵板結(jié)構(gòu)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(jī)組額定轉(zhuǎn)速;ρ為水的密度;式中的k0值,圓周光滑的面取0.5,泵板結(jié)構(gòu)取1。

根據(jù)壓力的計算式,可以得到上冠上腔(圓環(huán)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(huán)面的內(nèi)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(biāo)尺上標(biāo)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(cè)(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(nèi)和外取值的差異,泵板結(jié)構(gòu)使上冠上腔產(chǎn)生了更大的壓力梯度,從而達(dá)到降低上冠上腔平均壓力最終達(dá)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(jīng)CFD算法初步計算,頂蓋取水帶泵板結(jié)構(gòu)比不帶泵板可增加軸向水推力約48 t(水輪機(jī)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(shù)供水穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性卻大幅度提高。

4.3.2 頂蓋取水帶泵板結(jié)構(gòu)與不帶泵板結(jié)構(gòu)取水比較-解析算法

巴拉水電站頂蓋取水系統(tǒng)解析計算結(jié)果見表2:根據(jù)解析法計算結(jié)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(jī)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(shù)供水穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性卻大幅度提高。

表2 巴拉水電站頂蓋取水系統(tǒng)解析算法計算結(jié)果

5 結(jié) 語

基于電站水輪機(jī)設(shè)計參數(shù)水頭、轉(zhuǎn)速、廠房布置、取水狀態(tài)等綜合情況,在水輪機(jī)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(jī)采用泵板結(jié)構(gòu)取水比不采用泵板結(jié)構(gòu)的取水方案,水推力雖略微有所增加,增加部分占水輪機(jī)總水推力比重卻較小。但是,考慮到對電站技術(shù)供水穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性等好處,且對水輪機(jī)無不利影響,因此,帶泵板結(jié)構(gòu)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。