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回龙电站水轮机存在的问题及前期改造方案the existi ng pro blems o n water turbi ne of huilo ng po werst atio n and it s early st age refo r m scheme宋明轩(桓仁发电厂 , 辽宁 本溪 117201)摘要 : 桓仁发电厂回龙电站的 2 台机组由于历史的原因 , 在选型 、结构设计 、选材和制造质量上都存在着许多问题 , 严重地威胁着电站的安全运行 , 急需进行技术改造 , 更换水轮机转轮 。电站委托 4 家设计制造单位进行了改造的初步设计 , 最 终将从水力性能 、结构尺寸 、改造工作量 、吸出高度 、安全稳定性及经济性等诸方面考虑 , 选出一种最适合回龙电站的水轮机转轮 。关键词 : 水轮机 ; 问题 ; 改造 ; 方案 中图分类号 t k733 108 文献标识码 b 文章编号 1004 - 7913 (2000) 06 - 0016 - 04能差 , 脆性大 , 可焊性差 , 故修复工作量大 , 易引起叶片变形 , 影响水力效率 。2 台水轮机的叶片 , 由于汽蚀和裂纹特别严重 , 不能保证安全运行 , 早 在 80 年代就更换成 20 sim n 碳钢材质的叶片 , 水 轮机的转轮体 , 由于当时更换难度大 、费用高而不 得不勉强维持运行 , 现在已到了无法保证安全运行 的程度 。1 号机转轮体上端面与水轮机大轴法兰连 接的 24 个 m80 的 螺 孔 , 由 于 材 质 脆 性 大 、易 掉 渣 , 在多次的大修拆装过程中 , 有 5 个螺纹扣被拧 坏 , 虽 经 现 场 修 复 , 但 螺 纹 已 损 , 受 力 很 不 好 。1991 年大修后安装时 , 有 1 个螺孔被拧坏 , 致使 螺栓无法拧靠而不受力 , 下次扩修时 , 只有将这个 螺栓破坏掉才能将水轮机大轴与转轮体分解开 , 这 个螺孔也将因无法修复而报废 。113 转轮体的结构设计不合理水轮机叶片的操作机构为无操作架结构 , 活塞 动作时导向性差 , 运动不平衡 。6 个叶片拐臂的推拉杆直接与活塞相连 , 压力油腔与操作浆叶的拐臂 腔合在一起 , 使叶片的密封结构复杂 , 容易造成上 下两腔串油和向外漏油 , 给检修工作带来了很大的困难 。由于 215 m pa 的油压直接作用在叶片拐臂 轴套止推面上 , 向外产生很大的压力 , 加上机组在旋转时浆叶的离心力 , 使拐臂与轴套的推力面产生很大的摩擦力 。浆叶在关闭时 , 既要克服摩擦力 矩 , 又要克服水流对叶片的垂直冲力 , 因而 , 所需1回龙电站水轮机存在的问题桓仁发电厂回龙电站的 2 台机组是轴流转浆式水轮机 , 型号为 zz587 - l h - 450 , 于 70 年代初投产发电 , 现已运行 27 a 。由于历史的原因 , 在选 型 、结构设计 、选材和制造质量上都存在着许多问题 。111 水力性能和汽蚀性能差zz587 转轮是 50 年代前由苏联研制的模型转 轮 , 由于当时的技术条件所限 , 在水力性能和汽蚀性能上都远远低于 90 年代的水平 。xx587 模型转轮的最优效率为 8815 % , 限制工况效率为 8315 % 。 电站 设 计 水 头 26 m , 水 轮 机 设 计 出 力 为 3615m w , 从电站运转特性曲线上看 , 此时的效率只有8717 % , 而最优工况在 22 m w 左右 , 设计工况点 远远偏离最优工况区运行 。根据电站实测 , 毛水头 在 2818 m 时 , 导水叶开度开到 100 % , 发电机出力可达 42 m w , 这时的水轮机效率只有 85 %左右 ,而汽蚀性能远超出电站 - 8 m 的 允 许 值 。可 见 原zz587 转轮远不适应本电站的运行条件 ,利资源的浪费 , 发电运行很不经济 。112材质选用不当造成了水水轮机的转轮体 、叶片及转轮室里衬 ,都选用了不常用的 215m nmo v cu 材质 。运行后发现这种材质不适合做水轮机部件 , 其缺点是耐磨耐汽蚀性 16操作力矩非常大 , 经常操作不动 , 不得不提高油压运行 。在投产初期 , 曾发生过操作连杆 、耳柄的销 孔被拉长 , 浆叶拐臂多次被拉断 , 使浆叶失控而采取定浆运行的情况 。1 号机在第一次大修后 , 由于 摩擦力矩太大 , 浆叶的拐臂带动了轴套一起转动 , 将轴套的固定螺钉剪断 , 定位销滚动 , 浆叶被卡 住 , 使机组无法协联运行 , 第二年不得不重新大 修 , 投运后 不 到 10 a 就 进 行 了 3 次 扩 大 性 大 修 。 由于浆叶的枢轴与拐臂为一体 , 枢轴只能从转轮体里边拆装 , 给叶片和密封圈的拆装带来很大的困 难 。叶片密封采用双层 “”密封 , 里层密封油压 为 215 m pa , 外层密封为渗漏油并与操作油管外回 油腔相连 , 油压为 011 m pa 。浆叶的密封结构与作用非常复杂 , 外密封圈与水接触磨损严重 , 导致转 轮体经常漏油进水 , 被迫多次停机处理漏油 。1996 年 11 月初统计 , 2 号机在 1 028 d 内 , 漏油达 23 t 之多 , 平均每 h 漏油接近 1 kg 。在此后近 3 a 的时 间内 , 2 号机进行了临检 、扩大性小修 、大修及扩2回龙机组改造的原则回龙电站在东北电网中担任着调峰和事故备用的重要任务 , 其状况的好坏 , 直接影响着电网的安全经济运行 。多年来 , 我厂结合机组的大小修 , 不 断分析原因 , 总结经验 , 进行了一些改革和康复性 工作 , 但效果不十分理想 。也曾试图将原水轮机转 轮定浆运行 , 以解决漏油问题 , 并于 1998 年 5 月 , 委托东北电力科学研究院对回龙电站机组进行了定浆运行的效率和振动摆度试验 。试验结果表明 , 机 组脱开协联后定浆运行 , 运行工况非常恶劣 , 离开 协联点定浆运行时 , 发电机出力和效率急剧下降 , 振动 、摆度急剧增加 , 大大超过规程的规定值 。鉴 于机组目前的状况 , 只有对水轮机转轮 、环形接力器进行更换改造 , 才能彻底解决上述问题 。1998 年 12 月 , 在沈阳由东电水管部主持召开 了回龙电站水轮机改造论证会 。鉴于回龙机组存在 的问题 , 专家们认为 : 回龙电站水轮机转轮应当进 行改造 , 并同发电机的改造统一规划 , 整体考虑 。转轮的更换宜采用转浆式新型不锈钢转轮 , 转轮结 构改为新型常规结构 。改造后的水轮机在流道不变 的条件下 , 应尽量提高效率 , 降低空蚀 , 适当增加 功率 , 满足调保计算的要求 。几经讨论 , 确定了回龙机组改造的技术条件如下 。a1引水系统结构 (即引水洞 、调压井 、压力 管道 、蜗壳 、尾水管道) 总体不变 。大性大修共 9 次来处理漏油问题 ,的浪费 , 且污染了环境 。114汽蚀严重给国家造成很大水轮机转轮室及叶片汽蚀相当严重 ,每次大 、小修都进行补焊处理 。投产初期大修时 , 经补焊处理的总汽蚀面积达 5 m2 左右 , 个别叶片甚至出现 穿孔现象 , 水轮机叶片由于多次敷焊不锈钢抗汽蚀 层 , 已产生变形 。浆叶密封圈的压板及转轮体上的 紧固螺孔 , 被汽蚀破坏严重 , 经过了多次的大修补 焊处理 , 几何尺寸已很不规则 。有几个螺钉已无法 拧上 , 造成密封圈压环不能压紧而漏油 , 也给检 修 、安装工作带来了很大的困难 。另外 , 叶片根部b1c1电站水头按 2815 m 考虑 。吸出高度 - 815 m 。在此基础上 , 提出了新转轮设计的几点技术要求 : 新转轮要尽量提高效率 ; 水力性能 (出力 、汽蚀 、振动) 不低于国内同 条件转轮 ; 对引水系统的水头损失 、调压井的动能 特性和甩全负荷时的过渡过程进行计算 。新转轮应 能满足电站下列要求 : 单机甩全负荷时调压井最高涌浪不超过 22913 m 高程 ; 2 台机同时甩全负荷时 调压井最高涌浪不超过 23315 m 高程 ; 转速升高率 应满足电站要求 。d1 原水轮机部件结构可以改变 , 但工作量要 小 , 且容易实施 。e1 在保证上述条件的前提下 , 对转浆式转轮 和定浆式转轮分别论证 。对于水轮机环形接力器的改造 , 已有成功的经 验 。1984 年 3 月和 1999 年 12 月 , 桓仁电厂与哈 尔滨大电机研究所合作 , 分别将桓仁 3 号机和 2 号 17(出水侧) 曾多处发生长短不一的贯穿性裂纹 ,长的裂纹长达 600 mm 。115接力器结构设计不合理最水轮机导水机构的接力器为环形接力器 ,长期的运行实践证明 , 环形接力器结构复杂 , 密封面大 , 密封性差 , 而且活塞存在多处砂眼 , 密封圈磨 损严重 , 因此经常漏油 。由于环形接力器体积庞 大 , 使水轮机室大部分面积被占用 , 检修拆装接力器活塞时需要用千斤顶移动调速环 , 给检修工作带 来了很大的困难 。在检修工作中 , 经过处理砂眼 、 改造密封结构 , 漏油问题虽得到了缓解 , 但不能彻 底根除 , 还需经常分解处理 , 既增加了检修维护 量 , 又造成浪费 , 污染环境 。表 1回龙电站转轮改造转轮模型参数对比表zz587 ( 原型)zza623a( 哈厂)zza623f( 哈厂)zz5 kn35 ( 阿厂)zz ( k28932 g) ( 克瓦那)zz ( k421567 g) ( 克瓦那)参数电站实际参数014660154156015 %01356014601356014601385014501550147015601475转轮直径/ m叶片数 轮毂比 d 0/ d 1注 : 东方电机厂没有提供具体参数 。2715 m 水头水轮机出力 3715 m w 时的参数及年增发电量表 2原机587阿尔斯通5 kn35哈尔滨克瓦纳k421567 g参数a623aa623fk289392 g/ %/ %q / ( m3s - 1)q/ ( m3s - 1)hs/ m年多发电量/ ( 万 k wh)9015315153161114不超过 - 79215515150131417不超过 - 79215515150131417不超过 - 79215515150131417不超过 - 7879306149151515不超过 - 71650- 72 323111 554112 169162 169162 16916 ( 不包括弃水损耗) 机的 2 个环形接力器改造为 4 个布置在顶盖上的直缸摇摆式接力器 , 简化了结构 , 彻底解决了接力器 漏油的问题 , 检修 、调整工作量也相应减小 。回龙 机组的环形接力器改造 , 可结合转轮改造一同进 行 , 改造为直缸摇摆式接力器 。转轮改造前后的技术参数与性能3桓仁电厂先后委托 4 个设计制造厂按电站提供的有关参数和技术条件进行了初步设计 , 各厂经过 论证 , 一致推荐选用轴流转浆式转轮 。天津阿尔斯 18导 水 机 构分布圆直径 d 0/ d 1 11166 7 11166 7 112 112 1122 112 112导叶高度 d 0/ d 1 014 01376 01375 01375 01367 01414 01413 6导叶个数32 24 24 24 24 24 24蜗 壳型式t t t t t t t包角/ () 180 180 240 240 216 215 215尾 水 管高度 h 0/ d 1 2124 213 2151 2151 2135 2141 2141 长度 l / d 1 415 415 41613 41613 41414 41394 41744 宽度 b / d 1 2158 2138 3125 3125 2183支墩无1 1 1 无1出口断面 d 2 3112 21856 31113 21719 5 21842最 优 工 况转速 n n0/ ( rmin) 115 129 123 123 125 130 123 流量 q n0/ ( m3s - 1) 018 1142 1106 1101 1138 1 1112 效率 m / % 89 93 9111 9216 91192 92165 9219空化系数 m0130 - 715 m 0130 013 01360131 013限 制 工 况流量 q no/ ( m3s - 1) 118 1165 1155 1155 118 1175 11825效率 m / % 81 91 88 88 9016 89 90空化系数 m 0182 - 815 m 0156 0151 0162 017 0165表 32715 m 水头水轮机出力 4115 m w 时的参数及年增发电量原机587阿尔斯通5 kn35哈尔滨克瓦纳k421567 g参数a623aa623fk289392 g/ %/ %q / ( m3s - 1)q/ ( m3s - 1)hs/ m年多发电量/ ( 万 k wh)9215715166131417901551517085889191036618117516916906超过 - 81512超过 - 81511超过 - 81512不超过 - 815超过 - 9不超过 - 82 30713907141 850111 690141 85011 ( 不包括弃水损耗) 表 42815 m 水头水轮机出力 45 m w 时的参数及年增发电量原机587阿尔斯通5 kn35哈尔滨克瓦纳k421567 g参数a623aa623fk289392 g/ %/ %q / ( m3s - 1)q/ ( m3s - 1)hs/ m年多发电量/ ( 万 k wh) ( 不包括弃水损耗)8415092178121731616149018613177121218超过 - 8158721518591615176181312超过 - 81590515178181112超过 - 81519005超过 - 815超过 - 9不超过 - 82 49112733181 971151 660141 90819通水电设备有限公司提出了 zz5 kn35 型 5 叶片转轮 ; 克 瓦 那 ( 杭 发 ) 发 电 设 备 有 限 公 司 提 出 了zz k289392 g 型 5 叶片和 zz k421567 g 型 6 叶片两 种型号的转轮 ; 哈尔滨电机有限责任公司提出了zza623a 和 zza623f 两种型号的 6 叶片转轮 ; 东方电机厂提出了 zz507/ 5 型 5 叶片转轮 。这几种 转轮都是国内外最新开发研制的转轮 , 与老转轮相 比 , 具有较高的效率和优秀的抗空化性能 , 叶片密封结构均采用新型密封结构 , 保证机组不漏油 。在 选材和制造质量上 , 有严格的保证体系 。另外 , 回 龙机组改造后采用两段关闭 , 能保证调保计算的要 求 。如采用 5 叶片转轮 , 转轮吊装工具需进行改 造 。各方案转轮模型参数对比见表 1 。对水头 2715 m 、出力 3715 m w , 水头 2715 m 、出力 4115 m w 和水