天荒坪抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)

1、天荒坪抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)特點(diǎn)華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司 游光華浙江 安吉 313302摘要 天荒坪抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)組由挪威 KVAERNER 公司提供， 是我國較早從國 外引進(jìn)的大型可逆式機(jī)組，自首臺機(jī)組投產(chǎn)至今已有 7 年多。本文總結(jié)分析了水泵水輪機(jī) 7 年多的運(yùn)行中出現(xiàn)了一些問題，以供參考借鑒。主題詞 天荒坪抽水蓄能水泵水輪機(jī)性能 “S形特性 不穩(wěn)定軸向水推力抬機(jī)導(dǎo) 葉 關(guān)閉規(guī)律天荒坪抽水蓄能電站安裝有 6 臺 300MW 水泵水輪機(jī)組，為單級、立軸、混流可逆式， 額定凈水頭為 526 米，運(yùn)行毛水頭 揚(yáng)程 為 526 米 610.2 米，水輪機(jī)安裝高程為 225 米， 淹

2、沒深度為 -70 米，是目前國內(nèi)已投產(chǎn)運(yùn)行的水頭和變幅最大的單級可逆式機(jī)組，在國際上 也較罕見， 為使其到達(dá)滿意的效率和良好的運(yùn)行穩(wěn)定性， 設(shè)計(jì)難度大， 沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可供 借鑒。水泵水輪機(jī)的參數(shù)如下：水輪機(jī)工況：水泵工況：額定容量：306MW333MW最大軸出力入力 ：338MW333MW額定流量：67.7m 3/s58.80m 3/s 最大43.00m 3/s 最小額定轉(zhuǎn)速：500RPM500RPM旋向俯視 ：順時(shí)針逆時(shí)針轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)進(jìn)口直徑：4030mm轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)出口直徑：2045mm水泵水輪機(jī)及其輔助設(shè)備由挪威GE公司提供。水泵水輪機(jī)大修拆卸方式采用中拆方式。首臺機(jī)組于1998年9月30

3、日投入運(yùn)行，2000年12月25日所有機(jī)組投產(chǎn)，投產(chǎn)以 來運(yùn)行情況說明，機(jī)組性能良好，效率較高，但也出現(xiàn)了一些問題，在技術(shù)人員的努力下， 通過采取措施，相關(guān)問題已得到了較好的解決。1 水泵水輪機(jī)的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)合同要求水輪機(jī)工況的最高效-91.70 %，加權(quán)平均效率_90.61%，折算為原型其整個(gè)1.1 效率按照合同規(guī)定，水泵水輪機(jī)的效率按照模型試驗(yàn)來驗(yàn)收, 率_ 92.20 %，加權(quán)平均效率 _ 90.41 %，水泵工況最高效率91.52 %。根據(jù)模型試驗(yàn)報(bào)告，水輪機(jī)工況的模型最優(yōu)效率為運(yùn)行范圍內(nèi)的最優(yōu)效率為92.28% ,加權(quán)平均效率為90.317% ,而水泵工況下模型最優(yōu)效率為89.84

4、% ,折算原型最優(yōu)效率為 92.17% ,加權(quán)平均效率為 92.01% ,除水輪機(jī)工況加權(quán)平均效率略低于保證值0.083 %外，其余均到達(dá)合同要求。為了檢驗(yàn)真機(jī)效率，我們于2001年5月在5號機(jī)組上進(jìn)行了局部水頭揚(yáng)程的熱力法效率試驗(yàn)，測得水輪機(jī)工況下在試驗(yàn)平均凈水頭566.23 m時(shí)，機(jī)組出力為 210304.06 MW,水輪機(jī)最高效率為 92.11 %，相應(yīng)機(jī)組出力272.00 MW ;水泵工況試驗(yàn)平均凈揚(yáng)程為 542.09 m，水泵平均效率為 88.99 %。 從上述結(jié)果可以看出，水輪機(jī)工況的最高效率已接近模型推算值，水泵工況效率偏低，我們認(rèn)為主要是水泵工況的試驗(yàn)揚(yáng)程較低所致。因測量范圍有

5、限和測量誤差，我們不能全面判斷最高效率和加權(quán)平均效率能否到達(dá)模型試驗(yàn)的推算結(jié)果，但從多年來的抽水電量與發(fā)電電量統(tǒng)計(jì)說明，全廠的綜合效率接近80%，由此可反映機(jī)組的效率比擬高。1.2 汽蝕合同要求水泵水輪機(jī)汽蝕量為機(jī)組運(yùn)行3000小時(shí)轉(zhuǎn)輪材料的失重量不大于2公斤。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前失重最多的一臺機(jī)組運(yùn)行 12000 小時(shí)，汽蝕補(bǔ)焊焊條約 4.0 公斤，汽蝕性能優(yōu) 于合同規(guī)定。 我們現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)， 汽蝕一般發(fā)生在轉(zhuǎn)輪葉片的水泵工況進(jìn)口， 且多發(fā)生在正 壓面，由此推斷汽蝕多由水泵工況運(yùn)行產(chǎn)生，說明水泵工況的汽蝕性能比水輪機(jī)工況要差。1.3 振動合同要求水泵水輪機(jī)的大軸相對振動即大軸擺度不大于150 jm，

6、頂蓋垂直振動不大于1.8mm/s。據(jù)運(yùn)行資料，1#水泵水輪機(jī)大軸擺度較大，發(fā)電工況約為 240 ，抽水約 為160 jm , 3#、4#水泵水輪機(jī)發(fā)電工況次之，約為170 jm，其余機(jī)組、工況均小于150 jm。最新的?水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T8564-2003?規(guī)定大軸運(yùn)行擺度應(yīng)小于導(dǎo)軸承總間隙的 75% 。天荒坪電站水導(dǎo)軸承的總間隙為 0.400.50mm 左右， 照此標(biāo)準(zhǔn)， 只要大 軸運(yùn)行擺度小于 300jm 即符合標(biāo)準(zhǔn)要求。頂蓋垂直振動根本小于合同要求。1.4 機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 天荒坪抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)由蝸殼、座環(huán)含固定導(dǎo)葉、導(dǎo)葉及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、水導(dǎo)軸承、頂蓋、主軸密封含檢修密封

7、 、主軸、中間軸、轉(zhuǎn)輪、底環(huán)、尾水管等部件組成， 水泵水輪機(jī)檢修的拆卸方式設(shè)計(jì)為中拆方式， 水車室機(jī)墩開有寬 5.8 米的運(yùn)輸孔， 轉(zhuǎn)輪、頂 蓋等水輪機(jī)大件從水輪機(jī)層拆出，從球閥吊孔吊運(yùn)至安裝間，而不影響發(fā)電機(jī)的檢修工作， 但是在機(jī)墩開孔較大將在一定程度上影響機(jī)墩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。 天荒坪電站也保存了局部下拆的 方式， 尾水直錐管可以從尾水管拆出，底環(huán)能夠下落至尾水管混凝土根底上，導(dǎo)葉、迷宮環(huán) 等可以直接拆出更換，抗磨板可以直接修補(bǔ)而不需拆卸頂蓋和大軸，這樣節(jié)省了檢修時(shí)間。 從投產(chǎn)至今， 我廠抗磨板修補(bǔ)和抬機(jī)后更換上迷宮環(huán)的檢修工作均采用下拆方式，目前我廠還未用過中拆的方式檢修機(jī)組。設(shè)計(jì)認(rèn)為，機(jī)組采

8、用下拆方案將增加尾水管的噪音和振動， 事實(shí)上，天荒坪機(jī)組的尾水管噪音在離尾水管 1 米處的噪音為 100db 左右。因尾水管非人 員長期工作區(qū)， 對人員不會造成大的傷害。 從目前機(jī)組運(yùn)行來看， 我們未發(fā)現(xiàn)因尾水管振動 原因造成設(shè)備損壞的情況。2 投產(chǎn)以來出現(xiàn)的問題和解決方法2.1 機(jī)組低水頭空載運(yùn)行不穩(wěn)定模型試驗(yàn)報(bào)告顯示，在低于 560m 水頭的空載開度約為 46 °下，機(jī)組處于或接近全特性的“S區(qū)運(yùn)行，機(jī)組出現(xiàn)不穩(wěn)定。由于制造廠當(dāng)時(shí)對該問題認(rèn)識缺乏，設(shè)計(jì)上未采取任何措施，導(dǎo)致 1# 機(jī)組投產(chǎn)試運(yùn)行期間，當(dāng)水頭較低空載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速來回?cái)[動，自動并網(wǎng) 困難、 發(fā)電并網(wǎng)后出現(xiàn)逆功率跳機(jī)、

9、機(jī)組甩負(fù)荷后不能轉(zhuǎn)至空載穩(wěn)定運(yùn)行而跳機(jī)等現(xiàn)象，為此制造廠借鑒國外有關(guān)電廠的經(jīng)驗(yàn)， 在水泵水輪機(jī)的 5# 、18#導(dǎo)葉上加裝了兩套非同步預(yù)開 裝置，設(shè)定當(dāng)水頭低于 560 水頭、發(fā)電空載啟動或發(fā)電轉(zhuǎn)調(diào)相時(shí)，當(dāng)導(dǎo)葉開度處于210 °時(shí)投入， 或者當(dāng)機(jī)組發(fā)電甩負(fù)荷后也立即投入， 此時(shí)這兩只導(dǎo)葉開度在其它導(dǎo)葉開度的根底 上再增加 26°的開度，但不能超過 32°。采取此措施后，根本解決了上述機(jī)組低水頭空載不 穩(wěn)定的現(xiàn)象，但是非同步預(yù)開裝置投入時(shí)，水輪機(jī)的擺度、振動和噪音將增大，因?yàn)橥度霑r(shí) 間短，對機(jī)組短期運(yùn)行危害不大，長期運(yùn)行影響需要監(jiān)測總結(jié)。2.2 2# 機(jī)組轉(zhuǎn)動局部向

10、上抬起2003 年初， 2#機(jī)組檢修后調(diào)試期間，晚峰發(fā)電發(fā)生200MW 轉(zhuǎn) 300MW 運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動部分抬起的現(xiàn)象。 根據(jù)有關(guān)資料， 由于甩負(fù)荷引起向上軸向水推力不平衡而抬機(jī)的現(xiàn)象比擬常 見，而正常增減負(fù)荷時(shí)抬機(jī)現(xiàn)象較為罕見，試驗(yàn)說明，機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)軸向水推力向下，機(jī)組表現(xiàn)為較大的下沉。 經(jīng)專家分析認(rèn)為， 本次抬機(jī)由向上水推力過大引起， 并具有很大的偶然 性。影響軸向水推力的因素有流道暢通情況、迷宮環(huán)間隙、導(dǎo)葉開關(guān)速度和開度、水頭、流 量、尾水管空化、平壓管特性、 流道內(nèi)殘留空氣等，引起本次向上軸向水推力過大的主要因 素目前還不很清楚。 為防止機(jī)組轉(zhuǎn)動局部抬起而損壞有關(guān)部件， 我們在機(jī)組上加裝了抬

11、機(jī)量 保護(hù)裝置，機(jī)組相對抬起 2mm 延時(shí) 2 秒跳機(jī)。2.3 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律本廠采用上游輸水道采用一管三機(jī)的連接方式， 設(shè)計(jì)要求壓力鋼管的壓力上升值不大于 8.7MPa ，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值不大于 680rpm 。由于水泵水輪機(jī)在運(yùn)行區(qū)域內(nèi)存在“ S 特性，導(dǎo) 致調(diào)保計(jì)算的水擊壓力上升值、 轉(zhuǎn)速上升值與實(shí)際值相差較大， 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律很難通過計(jì)算 來確定。天荒坪電站 1#、2# 、4# 、5# 機(jī)組目前采用的發(fā)電工況的導(dǎo)葉關(guān)閉曲線曲線7是制造廠在 1#機(jī)組上進(jìn)行了 22 次甩負(fù)荷試驗(yàn)而獲得的， 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果， 當(dāng)單機(jī)甩負(fù)荷和一 管兩機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)，壓力上升值和轉(zhuǎn)速上升值均不會超過設(shè)計(jì)值，但一管兩機(jī)1

12、#、 2#機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)的壓力上升值達(dá) 8.4MPa ，如果仍采用原因?qū)~關(guān)閉規(guī)律，一管三機(jī)同時(shí) 甩負(fù)荷時(shí)的壓力鋼管的壓力上升值就可能超過設(shè)計(jì)值 8.7MPa 。由試驗(yàn)錄波曲線可以發(fā)現(xiàn)， 機(jī)組發(fā)電工況甩全負(fù)荷后， 壓力鋼管壓力曲線存在兩個(gè)壓力波峰， 其中第一個(gè)壓力波峰產(chǎn)生 在導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的拐點(diǎn)處，第二個(gè)壓力波峰發(fā)生在最高轉(zhuǎn)速后約 1 秒鐘，且第二個(gè)壓力波 峰值要大于第一個(gè)壓力波峰值拐點(diǎn)位置應(yīng)大于 350mm 接力器行程 ，而通過改變拐點(diǎn)的 位置就可以改變最高轉(zhuǎn)速發(fā)生的時(shí)刻，為此，我們在5#、 6#機(jī)組上再次進(jìn)行了屢次甩負(fù)荷試驗(yàn)，最終確定在 3#、6# 機(jī)組上采取另外的導(dǎo)葉關(guān)閉曲線曲線9，通過第

13、二個(gè)壓力波的峰谷相互削減來降低壓力上升值。試驗(yàn)證明，一管兩機(jī)甩負(fù)荷壓力上升值約為 8.1MPa ，說 明上述分析與措施是有效的， 也為一管三機(jī)甩負(fù)荷壓力上升值預(yù)留了較大的余量。 抽水工況 斷電按一段關(guān)閉規(guī)律關(guān)閉。注:發(fā)電工況采用兩段關(guān)閉規(guī)律，第一 段的斜率為-1/7.6,第二段斜率%為-1/25.1# 2# 4# 5#機(jī)采用50%度作為100拐點(diǎn)即曲線7, 3#、6#機(jī)采用500mmy J 5 門 rr59.88%開度作為拐點(diǎn)即曲線9.59.88抽水工況為直線關(guān)閉，斜率為-1/25.；5OOrrrr)L50F-1曲線9*曲線7 -03.87.6導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律曲線16.318.025.0 s2.4

14、 主軸密封主軸密圭寸由英國 Sterling Mechanical seal分包設(shè)計(jì)制造。機(jī)組投產(chǎn)至2003年6月前，主軸密封屢次出現(xiàn)因其運(yùn)行溫度高、 移動環(huán)抬起不能復(fù)位而漏水過大、 調(diào)相壓水困難而導(dǎo)致 跳機(jī)或密封磨損快而進(jìn)行搶修的情況， 且發(fā)電調(diào)相工況不能正常運(yùn)行， 在投產(chǎn)初期是嚴(yán)重影 響機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性因素之一， 給天荒坪電站的正常生產(chǎn)造成了巨大的壓力，特別在迎峰渡夏期間，更是如此。其間制造廠也屢次對主軸密封進(jìn)行了屢次改造，但效果不能令人滿意。制造廠和天荒坪電站有關(guān)技術(shù)人員經(jīng)過分析認(rèn)為下庫水位變化太大到達(dá)49.5米、運(yùn)行工況多、工況轉(zhuǎn)換等造成主軸密封處的壓力變化太快、制造廠對上述條件估計(jì)缺

15、乏造成原主軸密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理是主軸密封不能正常運(yùn)行的主要原因，因此在2002年6月，華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司要求求制造廠重新設(shè)計(jì)主軸密封，于2003年初在1#機(jī)組上試驗(yàn)取得了成功，2003年6月前所有的機(jī)組已更換成新型主軸密封。新型密封與舊密封相比有 如下優(yōu)點(diǎn)：1.結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。移動環(huán)壓緊力隨尾水變化而自動調(diào)整，運(yùn)行穩(wěn)定可靠， 工況轉(zhuǎn)換時(shí)不需要人員調(diào)整壓力，可節(jié)省運(yùn)行人員的人力；2.更換后安裝磨合期短，經(jīng)首次開機(jī)約10分鐘磨合就可投入運(yùn)行，且溫度不高磨合期比冷卻水溫高5 C左右；3.防轉(zhuǎn)動裝置安裝在主軸密封外部，更換方便，不用拆卸外環(huán)而重新打壓,同時(shí)磨損指示裝置不再穿過操作腔，因

16、而不會造成泄壓而密封抬起； 4. 密封環(huán)被磨損后，對其冷卻潤滑水回路 不構(gòu)成影響， 而舊的主軸密封的密封環(huán)被磨損后， 移動環(huán)進(jìn)入密封環(huán)的槽內(nèi)將惡化其冷卻潤 滑效果， 造成主軸密封密封環(huán)的惡性循環(huán)磨損， 且大軸的擺動將加劇密封環(huán)的破裂， 導(dǎo)致主 軸密封的使用壽命降低； 5. 新型主軸密封的密封環(huán)高度降低，將意味著可磨損量的減小， 但將明顯提高其剛度，如密封面保持良好地液體摩擦，密封環(huán)的磨損將保持在較低的水平。 另外， 舊的密封環(huán)中間開有冷卻水溝，將削弱其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且當(dāng)密封環(huán)被磨損后， 不銹鋼移 動環(huán)將嵌入密封環(huán)， 機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)大軸擺動將對其進(jìn)行不停的撞擊， 導(dǎo)致其破裂。 而新型的密 封內(nèi)采用水孔通

17、水， 且密封環(huán)境優(yōu)美被磨損后仍將處于自由狀態(tài)而不受大軸擺動的影響。 因 此主軸密封的壽命不但不會縮短，反而將得到延長； 6. 移動環(huán)壓力調(diào)節(jié)采用壓緊彈簧的形 式，容易造成各彈簧的受力不均勻， 且調(diào)整壓緊力時(shí)需要作較多的防轉(zhuǎn)動隔離措施， 采用調(diào) 節(jié)氣缸后， 供氣壓力取自同一壓力源， 保證了移動環(huán)六個(gè)方向受力均勻， 同時(shí)壓力調(diào)整裝置 可以放在水車室外， 因而調(diào)整方便。 主軸密封經(jīng)改造后， 運(yùn)行穩(wěn)定性比舊的密封有很大提高， 經(jīng)過了發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相等工況的 6 小時(shí)熱運(yùn)行試驗(yàn)及工況轉(zhuǎn)換試驗(yàn)，各 種工況下，密封運(yùn)行溫度比冷卻水溫約高23 C,同時(shí)也經(jīng)過了夏季高溫天氣的考驗(yàn)，2003年夏季冷

18、卻進(jìn)口水溫最高到達(dá)33C 設(shè)計(jì)最高水溫為 28C,而主軸密封在各工況下的運(yùn)行溫度也未超過 36 C,也未出現(xiàn)溫度突升的情況。2.5 導(dǎo)葉上下竄動制造廠最初設(shè)計(jì)導(dǎo)葉支撐時(shí)， 只設(shè)計(jì)了限制導(dǎo)葉向下運(yùn)動的止推裝置， 導(dǎo)葉端面間隙由 止推裝置進(jìn)行調(diào)整， 而未設(shè)計(jì)導(dǎo)葉向上運(yùn)動的限制裝置， 原因是他們認(rèn)為由于導(dǎo)葉本身存在 700 公斤的重量，導(dǎo)葉不應(yīng)向上運(yùn)動。事實(shí)上，導(dǎo)葉上、中、下軸承均為水潤滑軸承，下端 導(dǎo)葉軸和大局部上部軸與導(dǎo)葉葉片一樣均泡在流道內(nèi)的壓力水中，為防止流道內(nèi)的砂子等機(jī)由于械雜質(zhì)損傷軸承，在導(dǎo)葉葉片的上、 下與軸連接根部，安裝有開口的圓形橡膠密封條， 流道內(nèi)的水壓脈動和水壓分布并不均勻，且上下端部軸承腔的空間不相等，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)， 特別是在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)， 擋砂用密封圈的開口在水壓的作用下閉合， 并在上、 下軸承腔內(nèi)形 成一個(gè)壓力差， 使導(dǎo)葉