水泵水輪機(jī)特點(diǎn)_第1頁
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文檔簡介

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,淹沒深度為-70米

2、,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,為使其達(dá)到滿意的效率和良好的運(yùn)行穩(wěn)定性,設(shè)計難度大,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:67.7m3/s58.80m3/s(最大)43.00m3/s(最?。╊~定轉(zhuǎn)速:500RPM500RPM旋向(俯視):順時針逆時針轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)進(jìn)口直徑:4030mm轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)出口直徑:2045mm最大瞬態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速:720 r/min最大穩(wěn)態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速:680 r/min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

3、方式采用中拆方式。首臺機(jī)組于1998年9月30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)行情況表明,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)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,合同要求水輪機(jī)工況的最高效率³ 92.20,加權(quán)平均效率³ 90.41,水泵工況最高效率³ 91.70,加權(quán)平均效率 ³ 91.52。根據(jù)模型試驗(yàn)報告,水輪機(jī)工況的模型最優(yōu)效率為90.61%,折算為原型其整個運(yùn)行范圍內(nèi)的最優(yōu)效率為92.28%,加

4、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%,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,其余均達(dá)到合同要求。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)行了部分水頭(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,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

5、況的試驗(yàn)揚(yáng)程較低所致。因測量范圍有限和測量誤差,我們不能全面判斷最高效率和加權(quán)平均效率能否達(dá)到模型試驗(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)計表明,全廠的綜合效率接近80%,由此可反映機(jī)組的效率比較高。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小時轉(zhuǎn)輪材料的失重量不大于2公斤。據(jù)統(tǒng)計,目前失重最多的一臺機(jī)組運(yùn)行12000小時,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)

6、不大于150m,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240m,抽水約為160m ,3#、4#水泵水輪機(jī)發(fā)電工況次之,約為170m,其余機(jī)組、工況均小于150m。最新的水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范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300m即符合規(guī)范要求。頂蓋垂直振動基本小于合同要求。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)、主軸、中間軸、轉(zhuǎn)輪

7、、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。天荒坪電站也保留了部分下拆的方式,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基礎(chǔ)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)計認(rèn)為,機(jī)組采用下拆方案將增加尾水管的噪音和振動,事實(shí)上,天荒

8、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)的問題和解決辦法2.1 機(jī)組低水頭空載運(yùn)行不穩(wěn)定模型試驗(yàn)報告顯示,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)時對該問題認(rèn)識不足,設(shè)計上未采取任何措施,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)行時轉(zhuǎn)速來回擺動,自動并網(wǎng)困難、發(fā)電并網(wǎng)后出現(xiàn)逆功率跳機(jī)、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),

9、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,當(dāng)導(dǎo)葉開度處于210°時投入,或者當(dāng)機(jī)組發(fā)電甩負(fù)荷后也立即投入,此時這兩只導(dǎo)葉開度在其它導(dǎo)葉開度的基礎(chǔ)上再增加26°的開度,但不能超過32°。采取此措施后,基本解決了上述機(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,水輪機(jī)的擺度、振動和噪音將增大,因?yàn)橥度霑r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)動部分向上抬起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)行時轉(zhuǎn)動部分抬起的現(xiàn)象。根據(jù)有

10、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)象比較常見,而正常增減負(fù)荷時抬機(jī)現(xiàn)象較為罕見,試驗(yàn)表明,機(jī)組甩負(fù)荷時軸向水推力向下,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)動部分抬起而損壞有關(guān)部件,我們在機(jī)組上加裝了抬機(jī)量保護(hù)裝置,機(jī)組相對抬起2mm延時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)計要求壓力鋼管的壓力上升值不大于8

11、.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)同時甩負(fù)荷時,壓力上升值和轉(zhuǎn)速上升值均不會超過設(shè)計值,但一管兩機(jī)(1#、2#機(jī))同時甩負(fù)荷時的壓力上升值達(dá)8.4MPa,如果仍采用原因?qū)~關(guān)閉規(guī)律,一管三機(jī)同時甩負(fù)荷時的壓力鋼管的壓力上升值就可能超過設(shè)計值8.7MPa。由試驗(yàn)錄波曲線可以發(fā)現(xiàn),機(jī)組發(fā)電工況

12、甩全負(fù)荷后,壓力鋼管壓力曲線存在兩個壓力波峰,其中第一個壓力波峰產(chǎn)生在導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的拐點(diǎn)處,第二個壓力波峰發(fā)生在最高轉(zhuǎn)速后約1秒鐘,且第二個壓力波峰值要大于第一個壓力波峰值(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)生的時刻,為此,我們在5#、6#機(jī)組上再次進(jìn)行了多次甩負(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),通過第二個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。2.4 主軸密封主

13、軸密封由英國Sterling Mechanical seal 分包設(shè)計制造。機(jī)組投產(chǎn)至2003年6月前,主軸密封多次出現(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。其間制造廠也多次對主軸密封進(jìn)行了多次改造,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(達(dá)到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不足造成原主軸密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

14、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,同時磨損指示裝置不再穿過操作腔,因而不會造成泄壓而密封抬

15、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

16、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)六個方向受力均勻,同時壓力調(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,同時也經(jīng)過了夏季高溫天氣的考驗(yàn),2003年夏季冷卻進(jìn)口水溫最高達(dá)到33(設(shè)計最高水溫為28),而主軸密封在各工況下的運(yùn)行溫度也未超過36,也未出現(xiàn)溫度

17、突升的情況。2.5 導(dǎo)葉上下竄動制造廠最初設(shè)計導(dǎo)葉支撐時,只設(shè)計了限制導(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)葉軸和大部分上部軸與導(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)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,由于流道內(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,特別是在機(jī)組甩負(fù)荷時,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)形成一個壓力差,使導(dǎo)葉向上頂起,使導(dǎo)葉與頂蓋抗磨板發(fā)生摩擦而拉傷。原導(dǎo)葉的止推裝置的鎖定螺母比較單薄,在機(jī)組運(yùn)行時易產(chǎn)生松動,從而使導(dǎo)葉向下移動,在軸承腔壓力差的作用下同樣產(chǎn)生導(dǎo)葉與底環(huán)抗磨板發(fā)生摩擦而拉傷?,F(xiàn)導(dǎo)葉摩擦裝置對止推裝置進(jìn)行了改造,使其既能夠防止導(dǎo)葉向上移動,也能防止其向下移動,同時加強(qiáng)了止推裝置的鎖定的防松動措施。另外,制造廠對擋砂條的壓板也進(jìn)行了改造,材料從橡膠改為青銅,并在其上加開了四條泄壓溝,使軸承腔的壓力泄至流道內(nèi)。實(shí)踐證明,采取上述措施后,導(dǎo)葉上下竄動的現(xiàn)象大為改善,基本未再發(fā)生導(dǎo)葉與抗磨板對磨損傷的現(xiàn)象。3 結(jié)語綜上所述,經(jīng)過投產(chǎn)以來的技術(shù)改造,我們成功地解決了機(jī)組空載運(yùn)行不穩(wěn)

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