小型軸流定槳式電站的技術(shù)改造

小型軸流定槳式電站的技術(shù)改造

在中國乃至全國的中小型水庫中，軸流式漿砌石機(jī)廣泛應(yīng)用，但由于每種類型的機(jī)器，由于機(jī)械零件的問題無法正常運(yùn)行，因此很常見?；诮?jīng)濟(jì)、便利、合理的方法，對(duì)這些設(shè)備的改造具有必見性。本文以各種小型軸流式半流式發(fā)電機(jī)的改造實(shí)例，介紹了實(shí)施方案、改造后的效果以及總結(jié)了一些意見，供同行參考。1西北小型圓軸流的主缸性能1.1選擇合適的轉(zhuǎn)輪以減少流轉(zhuǎn)選用的標(biāo)準(zhǔn)困難.造成這種問題的主要原因:一方面是由于現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪型譜,特別是中小型型譜尚不完善,型譜中可供選擇的轉(zhuǎn)輪數(shù)目少,有些水頭段還空缺,即便型譜中已有的轉(zhuǎn)輪,性能也不能與電站水力參數(shù)相匹配,導(dǎo)致選型中迫于無奈只好選擇性能相對(duì)接近實(shí)際需求的轉(zhuǎn)輪;另一方面,既有考慮問題出發(fā)點(diǎn)的不同,也有選型不妥的情況存在.對(duì)于后者,最簡(jiǎn)單的應(yīng)對(duì)措施是重新選擇合適的轉(zhuǎn)輪更換原有轉(zhuǎn)輪,以這種手段解決其基本問題;而對(duì)于前者,就需有針對(duì)性的進(jìn)行轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)了.至于設(shè)計(jì)出的轉(zhuǎn)輪性能如何、是否滿足要求,能否在完成轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)后直接進(jìn)行真機(jī)制造,這就只能憑設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和水平,或參考流場(chǎng)計(jì)算分析過程中給出的性能預(yù)估而定.水輪機(jī)的模型試驗(yàn)費(fèi)用較高,對(duì)于小型機(jī)組不可能進(jìn)行專門的模型試驗(yàn),但由于小型機(jī)組的轉(zhuǎn)輪制造費(fèi)用并不高,因而也不存在多大的風(fēng)險(xiǎn).1.2枯水季節(jié)小流量發(fā)電由于小型軸流定槳式水輪機(jī)容量較小,在電站設(shè)計(jì)中很少有正規(guī)的設(shè)計(jì)部門參與,設(shè)計(jì)隨意性較大,易出現(xiàn)選型設(shè)計(jì)方面的問題.比較常見的現(xiàn)象是所有機(jī)組容量都一樣大,造成單機(jī)容量與不同季節(jié)的來流條件不相適應(yīng).由于定漿式機(jī)組的特點(diǎn)是對(duì)流量變化極為敏感,因而這種方式的選型設(shè)計(jì)就造成了電站在豐水季節(jié)能達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行,但在枯水季節(jié)小流量時(shí)卻發(fā)不了電的問題.為使機(jī)組能夠有效利用小流量,有些電站的定漿式轉(zhuǎn)輪葉片采取“可調(diào)”型式,葉片與輪轂間不予焊接,而是將葉片軸從輪轂內(nèi)側(cè)用卡環(huán)卡住,葉片角度調(diào)好后用銷子來實(shí)現(xiàn)葉片和輪轂間的定位.從設(shè)計(jì)角度來說,這種結(jié)構(gòu)在枯水季節(jié)可以通過調(diào)小葉片角度來部分解決小流量下發(fā)電的問題,但在實(shí)際應(yīng)用中每調(diào)一次角度相當(dāng)于機(jī)組一次大修;更重要的是,由于葉片與輪轂間沒有焊接固死,在水力波動(dòng)的作用下,銷子與孔均不可避免地產(chǎn)生磨損而松動(dòng),從而也使葉片松動(dòng).葉片松動(dòng)加劇了水機(jī)振動(dòng),水機(jī)振動(dòng)反過來又加速銷子與孔磨損,如此惡性循環(huán)直至機(jī)組因振動(dòng)而無法運(yùn)行.實(shí)際上近年生產(chǎn)的軸流定槳式轉(zhuǎn)輪基本上都采取了葉片與輪轂焊接的結(jié)構(gòu).我們認(rèn)為,對(duì)于已建成的裝機(jī)容量單機(jī)匹配不合理的軸流定槳式水電站,可以裝備一個(gè)與現(xiàn)有機(jī)組過流通道兼容的、適用于枯水期小流量的低比速轉(zhuǎn)輪,來解決枯水季發(fā)不了電的問題,而不宜采用“可調(diào)”式轉(zhuǎn)輪.1.3水潤滑水導(dǎo)軸承與過機(jī)流場(chǎng)水潤滑橡膠軸承要求清潔有壓水作為潤滑水源.在水質(zhì)較好的南方大部分電站,運(yùn)行狀況還算不錯(cuò);但在西北多泥沙河流上采用這種軸承,雖可利用沉沙池或離心分離等手段獲得一定程度上的清潔水,但因建造和維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用太高而無實(shí)際價(jià)值.用過機(jī)含泥沙水略作過濾后引入軸承,不可避免地使橡膠軸承快速磨損,導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪與轉(zhuǎn)輪室互相接觸引起碰撞、磨擦,經(jīng)一段運(yùn)行時(shí)間后轉(zhuǎn)輪間隙變得很大,容積損失大大增加.對(duì)軸流定漿式水輪機(jī)而言,由于其特性曲線陡窄,決定了其對(duì)流量變化極為敏感的特點(diǎn),當(dāng)轉(zhuǎn)輪室間隙變得很大后,在容積損失增加到一定程度時(shí),因經(jīng)過轉(zhuǎn)輪的有效流量大量減少而使轉(zhuǎn)輪運(yùn)行工況點(diǎn)遠(yuǎn)離其有效工作區(qū)域,出力即急劇下降乃至帶不上負(fù)荷.這是運(yùn)行多年后水潤滑橡膠軸承機(jī)組普遍存在的問題.采用水潤滑橡膠軸承的小型軸流定槳式水輪機(jī)按引水室的不同分為明槽式和蝸殼式兩種類型.蝸殼式水電站水輪機(jī)導(dǎo)軸承與過機(jī)水流是隔離的,具備采用稀油潤滑導(dǎo)軸承的條件,但因稀油潤滑導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)制做較水潤滑橡膠軸承復(fù)雜、成本高,同時(shí)還需妥善解決主軸密封問題,所以迄今轉(zhuǎn)輪直徑在1.2m以下的小型機(jī)組,用戶在廠家定貨時(shí)依然采用橡膠軸承結(jié)構(gòu).明槽式水電站水工建筑物簡(jiǎn)單,其水輪機(jī)水導(dǎo)軸承完全浸泡在工作水流中,由于其工程造價(jià)低廉,有很多電站采用了這種型式以減少投資,但水輪機(jī)導(dǎo)軸承的潤滑問題尚需妥善解決,特別是對(duì)多泥沙河流上的電站.我們認(rèn)為以油潤滑水導(dǎo)軸承取代水潤滑橡膠軸承是解決問題的根本途徑,并在蝸殼式電站上進(jìn)行了成功的嘗試.但在明槽式水電站,如果要改用稀油潤滑水導(dǎo)軸承,先要使水輪機(jī)導(dǎo)軸承與過機(jī)水流隔絕,必須對(duì)水工建筑做一些相應(yīng)的改造,相對(duì)來說麻煩一些、費(fèi)用較高,是否進(jìn)行軸承改造需依據(jù)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益分析而定.2例如，機(jī)械手術(shù)翻新2.1zd650-lm-1000轉(zhuǎn)輪作為水輪驅(qū)動(dòng)的zd60-lm-1000機(jī)組西營水管處電站水頭H=6m,機(jī)組轉(zhuǎn)速nr=428.6r/min,發(fā)電機(jī)額定功率為160kW,選用的水輪機(jī)型號(hào)ZD560-LM-100(0°).該機(jī)型在本電站的水力條件下,導(dǎo)葉全開時(shí)其最大流量?jī)H為3.2m3/s,機(jī)組出力只有105kW,存在大量棄水和發(fā)電機(jī)容量不能充分利用的弊端.按該電站的水力參數(shù)計(jì)算,其機(jī)組的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速應(yīng)為175r/min,而ZD560-100(0°)轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速才140r/min,但型譜中的ZD760-100(5°)轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速為165r/min,相對(duì)于ZD560-100(0°)更接近于機(jī)組應(yīng)具有的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速,且最大過流能力可達(dá)4.3m3/s,比ZD560-100(0°)要大得多.顯然,ZD760-100(5°)轉(zhuǎn)輪更合適.若水輪機(jī)整體更換為ZD760-LM-100(+5°),機(jī)組出力最大可達(dá)190kW.2002年4月份我們制造了ZD760-LM-100(+5°)轉(zhuǎn)輪用以取代ZD560-LM-100(0°)轉(zhuǎn)輪,而過流通道未予改動(dòng),雖然其導(dǎo)葉高度較ZD760-LM-100(+5°)型水輪機(jī)短了50mm,存在轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)不匹配、效率略低的問題,卻依然在4m3/s流量下達(dá)到了160kW的額定出力,充分利用了發(fā)電機(jī)容量和電站的水能潛力.此次改造僅通過更換1個(gè)轉(zhuǎn)輪便使機(jī)組出力增加了52.4%,取得了顯著的效益.如果對(duì)過流通道再做相應(yīng)的改造,其效果會(huì)更佳是不言而喻的.2.2改造梯級(jí)站,增加帶負(fù)荷南營電站始建于1979年,8個(gè)梯級(jí)小站,每站兩臺(tái)ZD760-LM-100(+5°),每梯級(jí)站的水頭均為5m,單機(jī)額定出力160kW,機(jī)組轉(zhuǎn)速428.6r/min.建站之初9m3/s流量就可使雙機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行,4m3/s流量就可使單機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行.由于水潤滑橡膠軸承不適應(yīng)多泥沙水流,幾年運(yùn)行后轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪室在碰撞、磨擦和磨蝕作用下間隙達(dá)20mm,造成很大的容積損失,從而使通過轉(zhuǎn)輪的流量偏離有效運(yùn)行區(qū)較遠(yuǎn),以致于機(jī)組帶不上負(fù)荷.近幾年來要使雙機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行,必須有10.5～11m3/s流量,4m3/s的流量只能使單機(jī)帶30kW負(fù)荷.2000年4月在南營電站的支持下完成了該梯級(jí)站的改造工作.由于鑄鐵制的原裝轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪室無法補(bǔ)焊修復(fù),重新制造了鑄焊結(jié)構(gòu)的鑄鋼轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪室;原有水導(dǎo)軸承座與頂蓋的配合方式不佳,在幾年磨蝕作用下已無法準(zhǔn)確定位和固定,對(duì)此也進(jìn)行了加工處理.改造后該梯級(jí)站的帶負(fù)荷能力恢復(fù)到了建站之初的水平,與未改造相比,平均每一梯級(jí)站增加發(fā)電量20萬k·Wh,增幅達(dá)47%,取得了很好的效益.另外,該梯級(jí)電站運(yùn)行期間幾乎有一半時(shí)間,引水流量在3m3/s或者7m3/s.在3m3/s引水流量時(shí),從停機(jī)的另一臺(tái)機(jī)組關(guān)閉的導(dǎo)葉和水導(dǎo)軸承等處縫隙間漏損了部分流量,實(shí)際運(yùn)行機(jī)組通過的流量只有2m3/s左右,這樣,偏離機(jī)組有效運(yùn)行區(qū)域太遠(yuǎn),致使效率太低而發(fā)不了電,只能維持空載運(yùn)行;在7m3/s左右,當(dāng)一臺(tái)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),通過另一臺(tái)機(jī)的流量也就在2.5m3/s左右了,同樣也帶不上負(fù)荷.如果能設(shè)計(jì)制造出最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速為190r/min最優(yōu)單位流量為1.12m3/s左右,現(xiàn)型譜上沒有的轉(zhuǎn)輪,則可能會(huì)大大增加南營電站發(fā)電量,提高其經(jīng)濟(jì)效益.我們根據(jù)多年積累的經(jīng)驗(yàn),自行設(shè)計(jì)、制造了該轉(zhuǎn)輪,于2002年4月20日安裝于5級(jí)站.目前,電站水庫放水量?jī)H為3m3/s,此次更換轉(zhuǎn)輪的機(jī)組可帶負(fù)荷70kW,而上下游沒有改造的7個(gè)電站中的機(jī)組卻無法發(fā)電.可見,新轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行效果是令人滿意的.2.3水導(dǎo)軸承設(shè)計(jì)多哇電站建于1999年10月,水頭13.5m,機(jī)組轉(zhuǎn)速750r/min,裝機(jī)350kW×2,水輪機(jī)型號(hào)ZD560-LH-80(Φ=+5°).該電站建于多泥沙的隆務(wù)河上,水輪機(jī)水潤滑橡膠導(dǎo)軸承需要的清潔潤滑水無法解決.該電站在機(jī)組采購階段就向若干廠家提出水導(dǎo)軸承采用稀油潤滑型式的要求,但對(duì)1.2m以下水輪機(jī)制造廠家不采用稀油潤滑軸承結(jié)構(gòu),只好被迫接受現(xiàn)行產(chǎn)品.在安裝階段,該電站就委托我們將其水導(dǎo)軸承改造為稀油潤滑軸承.在狹小的頂蓋空間內(nèi),我們采用自行研制的主軸密封結(jié)構(gòu),解決了主軸密封問題;在此基礎(chǔ)上,根據(jù)頂蓋上現(xiàn)有的配合面,設(shè)計(jì)了大小高低適宜的稀油潤滑分塊瓦水導(dǎo)軸承,主軸上加裝了擋油筒、軸領(lǐng)等;在軸領(lǐng)與水輪機(jī)軸焊接時(shí),采取了切實(shí)可行的焊接工藝,盡可能的避免了水輪機(jī)軸的焊接變形,使其徑向擺度沒有超過0.05mm.該軸承投運(yùn)至今已近3年,溫度從未超過45℃,性能穩(wěn)定可靠,使用方便,保證了機(jī)組高效、長壽、穩(wěn)定可靠的運(yùn)行.2.4調(diào)整葉片角度優(yōu)干寧電站水頭12m,裝機(jī)250kW×2,機(jī)組轉(zhuǎn)速n=600r/min.水輪機(jī)型號(hào)為ZD560-LH-80(+5°).該站轉(zhuǎn)輪采用“可調(diào)”式結(jié)構(gòu),而電站在發(fā)電季節(jié)流量并不存在大的波動(dòng),不需要調(diào)整葉片角度,實(shí)際上也從未調(diào)過.經(jīng)過幾年運(yùn)行后轉(zhuǎn)輪室間隙太大,使機(jī)組出力降至200kW.由于轉(zhuǎn)輪葉片定位銷孔磨大,使葉片松動(dòng)導(dǎo)致機(jī)組水力振動(dòng)太大無法繼續(xù)運(yùn)行.我們根據(jù)電站并不需要“可調(diào)”轉(zhuǎn)輪的實(shí)際,在校正好葉片位置后將其與輪轂焊死,并對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行補(bǔ)焊,車削、打磨處理,恢復(fù)至設(shè)計(jì)水平,機(jī)組出力達(dá)到了額定的250kW,同時(shí)振動(dòng)消失.3采用油潤滑水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)①西北地區(qū)多泥沙河流上不宜采用水潤滑橡膠瓦水導(dǎo)軸承,更不宜采用明槽軸流定槳式機(jī)組.從長期效益來考慮近期投資節(jié)省得不償失;制造廠家應(yīng)根據(jù)實(shí)際水質(zhì)和運(yùn)行條件的需要在小型機(jī)組上亦應(yīng)采用油潤滑水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu),以滿足多