环境管理_贯流式水轮发电机组的技术优势与关键技术

贯流式水轮发电机组的技术优势与关键技术 田树棠2012 04 15 目录 1 概述2 贯流式水轮机的分类与发展3 贯流式水轮机的技术特点4 贯流式水轮机几个关键技术5 机组机型与参数选择6 采购招标书中应强调机组的刚强度与疲劳破坏计算7 其它相关的关键技术问题8 结束语 摘要 贯流式水轮机虽开发较晚 但近年来发展较快 一方面是中高水头水电资源开发殆尽 另一方面是贯流式水轮机具有十分优越的技术优势 能量指标与效率都比较高 能节省建设投资 又可增发一定的年发电量 同时空蚀轻微 检修工作量小 当然贯流式水轮机亦有它的不足之处 有一些关键技术必须正确对待 妥善処理 例如 其桨叶与导叶的最佳协联关系一定要调整好 否则将引发一系列问题 贯流式水轮机的刚强度与疲劳破坏亦要高度重视 另外还有一些相关问题也要慎重对待 其设计 安装 运行等都有自己的独特之处 与立式机组相比有许多不同特奌 1 概述 贯流式水轮机起步较晚且发展较慢 国外从上世纪三十年代开始使用 到六十年代才比较兴旺 国内则从八十年代开始使用 到夲世纪初方蓬勃发展 国内厂家从引进仿制 试制中小型贯流式水轮发电机组开始 到如今已有不少厂家能自主开发 独立设计制造50Mw以上大型贯流式机组 甚至正在生产世界上最大的贯流机组 出口巴西75Mw贯流机组 目前 国内已投运的最大贯流机组是广西桥巩电站的8台57mw机组 贯流机组开发较多的地区有广西 广东 湖南 四川等南方省区 北方有黄河上游地区 相对而言 湖北省开发较为落后 其实汉江下游可供开发的大型贯流机组电站不少 但是仅有王辅州 崔家营两级已发电 在建的有兴隆电站一级 正処在设计阶段的有不少 近期能开工上马的工程尚不明确 汉江水量充沛 开发条件较好 有关单位与企业应当抓紧机会促进工程尽快开工兴建 按GB T2900 45 1969 电工术语 水轮机蓄能泵和水泵水轮机 中的定义 贯流式水轮机 即过流通道呈直钱 或s形 布置的轴流式水轮机 灯泡贯流式水轮机 即发电机置于流道中灯泡体内的贯流式水轮机 图1 灯泡贯流式机组 发电机安装在位于流道中的灯泡体内 图2 竖井贯流式机组 发电机安装在流道内的竖井中 发电机通过一个变速装置与水轮机相联 通过竖井可以直接从上方拆卸发电机和变速装置 图3 全贯流式机组 发电机转子直接与水轮机转轮联在一起 2 贯流式水轮机的分类与发展 2 贯流式水轮机的分类与发展从世界水电建设发展的趋势可以看出 中 高水头水电资源开发殆尽 而低水头甚至超低水头水电资源 含潮汐电站 的建设重要性正在日益增大 在30m水头段以下 贯流式水轮机与立式轴流水轮机相比 具有一系列优势 尤其突出的是水电站投资减少 以及可建在城市近郊 改善了城市景观与湿地 有利于人文社会的建设 按最新的环保观奌来说 还有利于鱼类的通过 国外称之为亲鱼水轮机 更是增加了贯流式水轮机发展的优势 贯流式水轮机各类型式的最高水平大致如表1所示 表1贯流式水轮机的分类及其代表产品 另外 还有少数小型虹吸贯流式水轮机与整装式贯流灯泡机组 而大型在制的灯泡机组Pr达到7 5MW D1达到7 5m 欧州联合体产品 到7 9m 中国东电产品 理论上说最大灯泡机组可达100 0MW D1 9 0m 由表1可见 贯流式水轮机中尤以灯泡式规模最大 发展最快 故以灯泡式为例 以下简称灯泡机组 进行介绍 图4 灯泡贯流式机组 3 贯流式水轮机的技术优势 3 1 流道形式好 尺寸小 由于取消了立式机组平面上180 270 的蜗壳和立面上90 拐弯的肘形尾水管 而采用直轴引水室 其进口断面为矩形 在接近灯泡体的范围内逐渐过渡为圆形断面以及直锥式尾水管 由圆断面逐渐又变为矩形断面 由于流道平直对称 避免了水流拐弯后形成流速分布不均而使水流流态变坏的影响 水力损失较小 这种直锥扩大型尾水管能量恢复系数高达0 9 而常规弯肘形尾水管能量恢复系数仅在0 75左右 同时 由于取消了蜗壳与弯肘形尾水管 使机组流道尺寸减小 在转轮直径D1相同时 其机组段水力尺寸仅相当于立式轴流机组的三分之二左右 因而土建工程量与建设投资减少较多 3 2能量指标大 效率高 由于灯泡机组为卧式布置 流道平直 水流平顺 且采用直锥扩大型尾水管 减少了尾水管水头损失 大为提高水轮机能量指标 单位流量Q11比轴流机组增加了40 左右 在相同的单位流量时 其效率相应高5 以上 在同一水头段其单位转速n11也比轴流机组高10 左右 因此 灯泡机组的比转速ns在1000m kw左右 比速系数在3000左右甚至更高 远远超过其它类型水轮机 另外 灯泡机组因具有良好的水力特性 故其效率较高 额定点效率与最高效率分别比轴流机高5 与3 左右 3 3机组尺寸小 重量轻 灯泡机组由于能量指标高 更兼有结构紧凑 体积小 消耗材料少等特点 与轴流机组相比 在相同的水头与直径下 出力可提高30 左右 当水头和单机容量相同时 灯泡机组直径比轴流机组小15 左右 重量减轻25 左右 而每台机组重量相差1 7倍左右 例如 在相同的pr 37 5mw Hr 12 9m时 不同方案机组重量估算见表2 表中Gt Gf G总分别表示水轮机 发电机和机组总重量 表2灯泡 GZ 机组与轴流转桨机组 ZZ 比较表 1995年水平 3 4土建工程量少 投资省 灯泡机组由于取消了蜗壳和肘形尾水管 其体积减小 结构紧凑 厂房面积小 另外 因水平布置 其开挖深度也小于轴流机组 因此 与采用轴流机组方案相比 厂房工程费用可节省30 到40 3 5运行性能好 适用范围大 运行经济性好 比轴流机组可增发电量4 左右 运行稳定性良好 空蚀轻微 据国内外设计经验 比轴流机组方案可节省投资15 左右 水头越低 灯泡机组优势越大 当然 由于灯泡机组本身的特点和水力条件的限制 对机组结构有着严格的要求 有些地方较轴流机组要复杂一些 特别要重视疲劳破坏特性 随着机组出力和尺寸的增大 其制造难度随之增加 必须予以充分的重视 3 6其它功能 由于机组卧式布置又有反向推力轴承 所以不会发生抬机现象 由于导水机构设有关闭重锤可防止发生机组飞逸事故 另外 还具有空载泄水功能 按最新的环保要求 水轮机要能过鱼 而贯流式水轮机流道平直 压力变化小 而且叶片数少 转速较低 适宜鱼类通过 再者贯流式水轮机可布置在城市附近的低水头径流式水电站 可以改善城市景观与湿地 水面还可以运动健身 适合城市人口旅游度假 符合人文设计要求 不少城市都在实施中 4贯流式水轮机几个关键技术 4 1水轮机桨叶与导叶的最佳协联关系周知 凡转桨式水轮机 含轴流转桨式与贯流转桨式 的桨叶与导叶之间存在一种最佳协联关系 水轮机运行在此処 则水轮机效率最高 运行性能也最好 无论是水轮机模型试验或是原型水轮机现场必须调试协联关系 都必须在水电站水头范围内 选择几个具有代表性的水头与多个不同工况 即导叶开度 下 调整桨叶开度直到效率出现拐点 相对效率最高処即桨叶与导叶的最佳协联点 将各工况的最佳协联奌连成曲线 即该水头下的最佳协联曲线 其它水头工况照此法找出最佳协联曲线 如转桨机组最佳协联调整不适 则将产生下列一些不利因素 首先将产生水力损失 也就是电量损失 转桨式水轮机在最佳协联工况下 水流进口无撞击 出口为法向 所以 水流损失较小 可保持平稳高效运行 而失去协联之后 转轮叶片进口将产生撞击损失 出口不再是法向 将产生环流损失 另者 由于转桨式水轮机比转速比较高 尤其是贯流式水轮机更高 约在1000m kw左右 其出口动能相对数值也大一点 当尾水管恢复系数一定 则比转速越高 其尾水管动能损失也越大 转桨式水轮机失去最佳协联之后如同定桨式 其效率曲线下降很快 可见 协联关系好坏对转桨式水轮机效率特性影响甚大 南方某电站调整最佳协联关系后 水轮机相对效率提高约2 有的电站甚至更高 其次将产生多种压力脉动 失去最佳协联之后 叶片进口水流对叶片产生一定的冲击 水流对叶片不再是平顺的绕流 而形成机组转频 nr 60 叶片频率 叶片数 转频 导叶频率 导叶数 转频 等多种有规律的压力脉动 甚至还产生混流式水轮机所固有的低频偏心涡带频率 1 4转频左右 压力脉动 而且是在转轮前后诱发多种频率压力脉动 过去曾在轴流转桨式水轮机的现场测试中发现这种现象 如今在贯流式转桨水轮机的多次试验中皆有此种现象发生 现以某次现场试验为例进行介绍 南方某个电站装有4 45Mw灯泡贯流式水轮发电机组 其转轮直径D1 7 1m 额定水头Hr 11 0m 额定转速nr 83 3r min 由于协联关系欠佳 多种压力脉动作用于机组 致使转轮室环筋产生裂纹甚至还有转轮室本体裂纹 叶片裂纹 叶片空蚀严重等现象发生 可见 协联关系欠佳不仅效率下降 而且在转轮前后出现多种压力脉动及相应的各种频率的振动 尤以叶片频率压力脉动及相应的振动值最为显著 这也是所有转桨式水轮机振动的一大突出特征 4 2贯流式水轮机的疲劳破坏值得重视4 2 1重视机组刚强度设计与计算贯流式水轮机由于是卧式布置 每旋转一周就有一次弯曲应力发生 所以 必须重视其疲劳破坏设计 首先要正视机组刚强度计算 一些灯泡机组投产初期大都运行良好 但运行一段时间后 陆续会出现一些故障 尤其是低价中标机组表露比较明显 一者由于一些灯泡机组电厂运行经验比较缺乏 且规章制度不够严格 时而出现一些误操作 更加剧了机组故障率 二者由于现在是市场经济 有些厂家过于注重减少生产成本 设计应力选用过高 而安全系数偏小 有些水电设计院或买方对此关注不够 没有严格编写标书或签订机组技术协议 设计联络会上也没认真审查刚强度计算成果与钢材牌号 有些监造人员也没认真检验部件尺寸等等原因 造成部份机组部件刚强度不足 例如 有些转轮室采用焊接结构 但经过金加工后 原来的主板设计厚度为60mm 而裂纹后在电站用超声波实测只有30mm 如此大的差距怎么能保证转轮室的刚强度 发生裂纹就不奇怪了 如果协联关系欠佳 机组部件长期承受各种频率的水压脉动与振动 就会加剧事故发生的几率 尤其是叶片频率的脉动与振动 其后果就会更为严重 例如 一个额定转速nr 83 3r min的4叶片灯泡机组 以年运行小时为4000h计 那么运行5 6年 就要承受1 12 108次振动扰动力 而且实测动应力高达180Mpa 如此大的动应力必然会引起材料的疲劳破坏 实际上一般转轮室多数采用Q235 B 其屈服限235Mpa 一般厂家设计应力为78Mpa 即1 3屈服限 而高达180Mpa的动应力长期作用于转轮室 已超过2 3屈服限了 则转轮室必然会发生疲劳破坏 有些厂家已提出加厚环板的措施或改用不锈钢转轮室以防止转轮室空蚀并提高其刚强度 不过不锈钢的水下疲劳应力并不高 所以不锈钢转轮叶片设计应力仅在100Mpa左右 因此转轮室采用不锈钢时其设计应力也应在100Mpa左右 南方某电站在作机组现场试验中 证实其叶片频率的振幅最大 而且出倍频现象 说明机组转动部分存存一定的动不平衡现象 则机组的疲劳破坏时间更会缩短 甚至缩短一半时间 从实测中可见 在整个水头的运行范围内 叶片频率的脉动与振动的历时时间最长 几乎在绝大部分水头内都是叶频振动 尤其是转轮室的振动几乎都是叶频振动 无论是垂直振动分量或水平振动分量都是 因此 在机组招标书中应要求厂家帮助电站调整好最佳协联关系 并校核在非最佳协联工况运行时的动应力应小于材料屈服限 并留有足够的余量 不得造成转轮室裂纹 包括转轮室在内的所有大型环形件最好采用油压或水压成型工艺 减少焊缝与金加工量 保证转轮室等环形件留有足够的设计厚度 当然设计亦应正确并留有一定的余量 另外 最好对机组主要部件所用对材料牌号 屈服限 许用应力等主要数据作出规定 防止个别厂家使用劣质材料替代正规产品然后低价中标 而投运后达不到机组可靠性指标 尤其是40年寿命周期难以满足等故障出现 应规定不得采用 山寨 产品 4 2 2要高度重视贯流机组的疲劳破坏问题疲劳是一种十分有趣的现象 当材料或结构受到多次重复变化载荷作用后 应力值虽然始终没有超过材料的强度极限 甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏 这种在交变载荷重复作用下的材料或结构的破坏现象 就叫疲劳破坏 而水轮机就经常受到重复变化载荷的作用 尤其是贯流机组最为明显 由于贯流机组卧式布置 主轴除受拉伸和扭矩外 还要承受由于转子体重量引起的弯矩 因此 贯流机组主轴存在弯曲疲劳破坏 所以 要对主轴法兰根部 联结螺栓和销套强度及疲劳安全系数进行研究 另外 贯流机组有不少焊接结构 而经验表明 焊接的疲劳强度取决于焊接过程 焊条种类 焊接水平 焊后热处理和焊缝的最后形状 关键是 只有当焊缝中的任何缺陷不超过其极限尺寸时 其疲劳强度才能接近板材的疲劳强度 关键是 结构的设计应力应远小于材料的许用应力 方能使结构的疲劳安全系数足够 例如 主轴轴身最大应力仅为30Mpa 而法兰根部在正常与甩负荷工况下仅50与100Mpa左右 法兰根部的疲劳安全系数在3 5以上 而联轴螺栓与销套的疲劳安全系数在2 0倍左右 转子支架裂纹亦是贯流机组常见的一种缺陷 优化的途径首先在于材料的选择 应选用Q345等300Mpa级的板材 不能选用Q235类材料 其次 要采用能避免裂纹发生的计算分析软件 而且应有足够的安全余度 而且 焊后要进行高频超声 20000Hz 振动处理 以强化焊缝疲劳强度 贯流机组叶片裂纹较少 但亦有发生 所以 叶片的设计应力应小于100Mpa 虽然不锈钢屈服强度较高 但其水下疲劳极限并不高 仅180Mpa左右 所以 不锈钢水下部件的设计应力亦不宜超过100Mpa 4 3 可靠性指标需认真计算无论是水轮机还是水轮发电机 甚至调速器等附属设备都具有可靠性指标 除少数厂家对水轮机有部分计算外 其余都无人问津 买方招标书上怎么要求 卖方都是照样填写 有的甚至耍小聪明填高一点 以博取高分 实际上 都沒有作什么工作 评标时还真有评委多给分的笑话 除了一些须要作统计工作的指标 电厂缺乏认真统计 暂不执行外 最重要的就是设计应力的选取 应力取得低 其疲劳寿命就必然会比较长 黄河龙羊峡水轮机是东方电机厂第一台出力超过300Mw的大型混流式水轮机 D1 6 0mHmax 148 5mHr 122m 设计较为保守 转轮叶片设计应力仅44 22Mpa 正常工况 所以 龙羊峡转轮叶片运行了近二十年才出现裂纹 而有些应力取得较高的转轮叶片则出现裂纹的时间就相对较短 龙羊峡水轮机整机结构设计都较保守 机组运行稳定性也比较好 只是水轮机效率略低 这也是限于当时国内水力设计水平较低之故 后来有一段时间业主与设计院都有些追求高效率的趋势 致使厂家为了提高效率而将叶片厚度减薄较多 叶片长而薄便其固有频率下降易起多阶频率共振 造成叶片裂纹加剧 甚至儿十小时就出现裂纹 当然这也有叶片出口形况不适造成卡门涡共振等原因有关 总之 设计应力的高低对于机组可靠性的影响非常重要 例如 广西桥巩57mw灯泡机组的可靠性 水轮机部分 就是 在规定的运行工况下 水轮机及其附属设备的可靠性指标规定如下 1 无故障连续运行时间不小于18000h 2 扩大性大修间隔时间不小于10年 3 退役前的使用年限不小于40年 4 允许操作次数 机组年开停机次数不小于1000次 可见 关键在于第 3 条 而水轮发电机的可靠性指标为 1 可用率为99 5 2 无故障连续运行时间为不小予18000h 3 大修间隔年限不小于10年 4 定子绕组使用期限为30年 5 退役前使用期限为40年 同样亦是40年使用年限 即寿命周期 最为重要 而定子绕组使用年限决定于绕组运行温度 即发电机的冷却通风效果如何 5机组机型与机组参数选择 5 1机组机型选择低水头径流式水电站原来都采用轴流式水轮发电机组 随着技术进步与发展 如今世界各地大多采用卧式布置的贯流式水轮发电机组 按水头高低选用不同叶片数的转轮 水轮机最大水头超过20 5m者 选用5叶片转轮 最大水头可用到30m 甚至有望突玻30m 国外有厂家已开发6叶片转轮 而水头从20m左右到10m左右则采用4叶片转轮 最大水头在10m以下者则采用3叶片转轮 目前 已有厂家在开发2叶片转轮 用于最大水头不超过5m的超低水头电站及潮汐发电站 由于转轮结构布置与强度要求 各水头段转轮轮毂比有所不同 5叶片者多采用0 42左右 而4叶片者以最大水头15m为界 大于15m者用0 38到0 4 小于15m者可用0 36 而3叶片转轮按最大水头而定 大约8m以上者用0 34 小于8m时可用0 3 2叶片者可用0 3或更小一点 5 2机组参数选择特点5 2 1单位流量按转轮轴面流速而定关于转轮轴面流速Vm的计算方法 笔者曾在多篇文章中作过介绍 此处不在重复 过去认为Vm不宜超过15m s 实际上 国外己有超过之实例 但国内一直使用较低 只有12m s左右 主要是害拍发生严重空蚀 实际上并非如此 虽然在模型试验台看到空泡较多 但是在原型机组上空蚀并不严重 大部分贯流水轮机空蚀均较轻微 有些运行了二十多年仍未处理 即使国内Vm用到14m s的广东北江飞来峡电厂空蚀仍比较轻微 笔者建议国内用13 14m s 虽然国内亦有叶片发生空蚀 甚至转轮室也发生空蚀 但是并非Vm太高之故 而是另有原因 随着国内中高水头电站开发殆尽 剩下一些10m 甚至5m左右的电站有待开发 水轮机单位流量应适当提高 一些三叶片转轮 国外厂家己用4000l s左右 国内大多得较低 笔者建议用3500l s左右 如果水头低 那么还可以用得再大些 5 2 2机组额定转速可不拘一格选择以前水电站机组额定转速强调备品 备件一致 所以不管多少台机组都要选相同的额定转速 有些虽是同步转速却亦不能选择 要选所谓标准同步转速 现在可以选择任何同步转速 其因一是电机技术进步了 可以生产任何同步转速 另者 由于低水头电站最大与最小水头相差虽没儿米 但是其相对值却是2到3倍 甚至更多 如果选择同一转速则不能适应电站运行要求 例如某电站装机15台 采用统一的转速 到了汛期河里有几万流量却不能开机发电 因为机组不能适应低水头工况 机组运行时噪声与振动都很大 电厂为安全不敢发电 反而要向电力系统买电 而买电价格远远高于供电价格 造成电厂很大经济损失 作为曾参与咨询的笔者除了遗撼 也反思了此事 当时讨论2m到2 5m发电 联想白垢电厂曾1 3m发电都没问题 该电站也应当可行 机组模型验收时也专门作了验证 厂家也说可以运行 但运行后发现不行 电厂不敢运行 回想起来当时没有考虑机组尺寸大了 其相对刚强度有削弱 低水头运行时就振动较大 当时就没想到部分机组可选不同的机型 可选不同的额定转速 一则当时三叶片转轮尚不够成熟 使用经验也较少 也没有大型三叶片机组投产 到目前也还没有20mw以上三叶片机组 二则当还拘于一个电站一种额定转速的束缚 另外对大型尺寸机组的刚强度也认识不很清楚 只想着白垢 D1 5 5m 有1 3m水头运行经验 没想到D1 7 5m就难以运行了 直到前几年参与某电站咨询时 由于该电站受三峡电站蓄水影响很大 尾水位变幅甚大 造成电站水头变幅也很大 会上才提到采用不同机型不同额定转速的设想 高水头时采用5叶片转轮 而低水头时采用4叶片转轮 当然额定转速也不一致了 如果一个10m左右的电站 机组台数较多时 就可采用部分4叶片转轮用于水头大于10m时运行发电 此时电站来流必然较小 不须要全部机组运行 汛期时主要依靠3叶片机组发电 必要时4叶片机组也可参与运行 到了超低水头时 即使4叶片机组不宜发电 也仍可依靠3叶片机组发电 虽电站出力可能减少 但仍可发出部分出力 至少可以保证厂用电 不致于要系统倒送电 国内己有电站如此设计 参见有关资料 当然国内厂家也要研究超低水头发电时机组如何加强刚强度设计 国外早就有D1大于8 0的转轮投产 即使是竖井式或轴伸式经验也值得借鉴 就是灯泡式 国外也有7 7m转轮投产多年 国内近年开始生产D1为7 7 7 8 7 9m的转轮 但是尚未投产 其刚强度能否完全过关还有待验证 总之 贯流式水轮发电机组的额定转速选择比较灵活 不一定所有机组选同一转速 以利于电站全年均可运行 尤其是全年水量最多的时侯反而不能发电 岂不让大量的水白白流掉 是不符合绿色低碳的要求的 连三峡这种巨型水电工程在后期建设中 也有不同的额定转速的机组出现 说明一个电站是允许不同机组转速存在的 5 2 3正确对待模型水轮机的效率 1 不必过高追求模型水轮机的最高效率 效率高当然好 但是容易造成厂家为了效率而过分减薄叶片厚度而造成其刚强度不足 易形成叶片裂纹等故障 而且 最高效率点不一定落在水轮机运行区内 大多落在运行区外 对于低水头电站是很常见的 当然也应有一定要求 这个指标代表了一个水轮机厂的研发水平 太低了也不合适 但不必过分追求高指标 2 应力争原型水轮机多年加权平均效率更高 只有这项指标才对电厂有真实意义 能对电厂多发电能有真正价值 笔者曾参与某转轮模验收 结果除了多年加权平均效率达到要求 其它效率要求并未达到标书要求 但买方仍然通过验收报告 有些厂家为了达到这一指标 不惜加大转轮直径以满足这个要求而避免罚钱 3 水轮机额定工况点效率一般不作规定 因为规定了额定工况点效率就基本上决定了转轮直径 而转轮直径应由制造厂根据转轮模型试验成果来决定 并要基本上满足标书附图上流道的尺寸要求 尤其不能规定太高 否则厂家就会以加大转轮直径来满足额定点效率要求 就会造成发电机额定转速下降 增加发电机重量与投资 而且也会延长流道长度 增加土建投资 而运行在满负荷或大负荷区效率稍高一点 运行在小负荷区则远离最优工况点太多 效率下降较多 甚至影响水轮机稳定运行性能 所以 一般由厂家试算多年加权效率之后 最后决转轮直径 才能给出额定工况点效率 5 3水轮机参数的综合匹配一定要求比较合适5 3 1贯流式水轮机参数主要要求参数比较匹配贯流式水轮机的参数选择关键在于比较匹配 不必过分考虑其比转速与比速系数的高低 只要参数选择比较合适即可 例如 四川白龙江紫兰坝水电站水轮机的比速系数为3282 5 是国内贯流式水轮机的最高水平 已运行多年 并无异常 该电站原设计额定转速为125r min 后因所用模型最优单位转速为165r min 只能改用额定转速为136 4r min 更兼该电站额定水头15 4m 这就形成其比速系数全国最高 并非追求全国最高而为之 单位转速选择还要注意其最大水头对应的单位转速应大于转轮最优单位转速的0 95倍 避免叶片脱流 而造成机组稳定性不好 而单位流量选择也应适当加大 以发挥贯流式水轮机的优势 前面说过飞来峡水轮机的单位流量已达3300l s 其轴面流速达到14 3m s 并未发生空蚀恶化状况 说明贯流式水轮机参数略高是其优势 用得太低反而不能参数匹配 达不到最佳运行效果 应当正确看待参数匹配问题 5 3 2水轮机安装高程应在水轮机所有参数确定后重新校核虽然水轮机安装高程在招标时已经基本确定 但是 在招标后特别是水轮机模型验收后 如果机组参数有所变化 应重新核算水轮轮安装高程是否合适 例如 紫兰坝因机组额定转速提高一挡 主机厂提出安装高程下降1m 虽叶片供应商认为可以满足要求 但为了安全计 工程仍然将安装高程下降1m 对于一些大型水轮机由于叶片直径达到7m到8m 则其下端完全满足 但上端是否达到安空系数大于1以上 也要校核一下 还有些其它原因造成安全系数不足 甚至只有0 9左右 将水轮机叶片或转轮室造成空蚀 这种现象在有些电站己经发生 另外 要严格控叶片质量 防止质量缺陷造成叶片空蚀甚至裂纹 这在有些电站亦曾发生 切不可因为贯流式水轮机空蚀一般比较微而忽视 5 4要从各方面重视机组设备的可靠性5 4 1正确对待国家标准与国际电工委员会标准首先要明确国标 GB 与国际电工委员会 IEC 标准都是对设备的最基本要求 不是最高要求 各厂家应有更严格的要求 更要满足买方招标书与机组采购合同的技术协议要求 也要达到各次设计联络会的会议纪要 厂家不得以国标要求来抗拒已达成的协议要求 实际上 就是留有余量以防止发生意外 为了避免各种矛盾 应在招标文件中清楚的说明招标文件的优先原则 如IEC编标指南规定 1 特殊条件与通用条件有矛盾时以特殊条件为准 2 专项技术规范与一般技术规范有矛盾时以专项技术规范为准 3 技术规范与图纸有矛盾时以技术规范为准 与此相类似 买方可以在招标文件中指明有 优先有效权 的准则 5 4 2要全面重视技术协议中的一般技术条件在机组招标书的编写过程中 要对一般技术条件逐条重新审核 要根据夲标书的技术特点进行编制 不可人云亦云 盲目烤贝别的标书 否则可能造成以讹传讹 再者 技术在不断进步 经常有新技术 好经验产生 可供选择 例如 转子支架裂纹处理的新的热处理与高频振动消缺以强化焊缝疲劳强度等 其它像无损探伤 焊接件和铸钢件等都必须认真重新审核 尤其是转轮或叶片工作应力选择必须根据电站的水头 运行工况等客观条件进行确定 国内一些叶片沒有裂纹或裂纹较少或出现裂纹时间较晚的电站 例如漫湾 鲁布格 龙羊峡等转轮 其设计工作应力都比较低 仅45Mpa左右到70Mpa左右 不能千篇一律的100Mpa左右 6机组采购招标中应强调机组的刚强度与疲劳破坏计算 6 1应有下列正版计算软件机组的运行稳定性主要在于对各部件的结构刚强度 轴系稳定性以及结构失稳 优化 疲劳等进行分析计算 其应有的正版软件有 ANSYS大型结构分析软件adina三场耦合计算程序 温度场 流场 应力场 ncode疲劳分析软件Hypermesh有限元前処理软件等 还应有下列引进技术 WESTINGHOUSE公司轴系计算程序PH0975轴系扭振计算程序及轴系弯曲振动计算程序 三峡工程引进ABB公司的斜支撑结构分析专用程序 ALSTOM水电机组轴系计算程序MADYN等以及相关计算经验 6 2机组刚强计算主要内容机组刚强度计算主要有如下内容 灯泡壳体 位于灯泡头的预紧螺检栓 进人筒 定子与转子间隙 推力支架 导叶外环与转轮室外环 浮力和冲击力对机组稳定性影响 整机模态及轴系临界转速的计算分析 整机动力特性和响应的试验研究 机组各大部件吊装变形计算分析 在机组安装过程中对导轴承的调整量的计算 转子支架刚强度计算 以及主轴 控制环 导叶 管形座 封水刚板等的刚强度计算等 尤其是叶片的刚强度计算 其许用应力按国标是1 5屈服限 对大型重要机组希望小于100Mpa 另外 转子支架材料至少使用Q345与20siMn或更好材料 不得使用Q235等材料 再者按照机组模型 提出水导轴承与发电机导轴承刚度系数 动力特性计算各部件前10阶自振频率与各干扰频率共振的可能性 为了防止低价中标而采用劣质材料 在标书中应对主要部件的材料牌号 材料特性与许用应力作规定以求公正 6 3大型环形件最好采用油压机模压成形贯流式水轮机有许用多大型环件 例如 转轮室 内外配水环 管形座内外环等 过去大多采用焊接件 而焊接时变形较大 而导致过流面 法兰把合面加工后整体减薄 而影响部件刚强度 后来部分厂家改用大型环件下料后由油压机模压成形 成型偏差二次模压和火焰矫形相接合进行矫正 可将环形件焊缝减至最少 成型后精割四周边及坡口 组装后用样板检查各过流面 大为减少了焊接量及焊接变形 保证了大型环形件加工后的厚度 也就达到了设计要求 保证了部件的刚强度 其中转轮室的厚度尤为重要 某电站转轮室设计厚度为50到60mm 加工后在工地因发生裂纹检查仅30mm 转轮室设计时不仅要保证其刚强度足够 而且要计算其固有频率 使其错开各种干扰频率以避免发生共振 特别要错开叶频 转频乘叶片数 1 2倍以上 转轮室及其加强环裂纹事故多有发生 值得制造厂充分注意 7其它相关的技术关键问题 7 1关于贯流式水轮机的流道水头损失取值探讨过去一般取流道损失为0 5m 近年因电站水头越来越低 额定水头到了10m以下 甚至到了5m左右 为了不增加电站投资 有些设计单位就不愿取0 5m水头损失 只取0 4m到0 3m水头损失 以提高额定水头 但是 往往造成电站发不足装装容量 达不到多年加权平均电量 其因在于未计及尾水管出口动能损失 特别是机组叶片与导叶协联关系欠佳时 出口动能损失就越大 再加上低水头