水电机组无油转桨式发电系统的研发

水电机组无油转桨式发电系统的研发

近年来，人们强调减少水电工程中的油污染风险。由于市场需求增加,GE水电公司已经开发了减少或取消转桨式转轮轮毂中润滑油的技术。传统设计的大型转桨式水轮机组转轮轮毂中装有大量的润滑油。第1台无油转桨式转轮于1998年安装于瑞典波尔尤斯水电研究和开发中心,从那时起该机组一直运行正常。波尔尤斯机组的轮毂中注满了水,并且装有6种类型的永久润滑轴承材料。目的在于测量摩擦和磨损,以确定以后机组的轴承设计。采用无油设计的第1台商业机组于2001年10月在瑞典安装并投入运行,从那时以来,一直运行正常。对于该项目,特别重视防止充水轮毂中低碳钢部件的磨损。2002年夏季,对各种轴承材料磨损进行了第1次评估,效果很好。第2台无油技术的商业机组于2002年8月安装并投入运行。在2003年秋季,亦采用了无油技术的第3、4、5台商业机组也已安装运行。开发了一种干燥润滑新技术,目的是减少转轮轮毂中的油量。另外,采取了防止油从转轮叶片密封处泄漏的措施。在转轮轮毂下部,安装了一台液压式水泵/电动机,以便使压力油进入转轮轮毂,润滑转轮轴承。然后,将油送回转轮轮毂外的油循环系统。转轮采用了一种特殊密封结构,以确保油不渗入水道中;事实上,水可以渗入轮毂内。油循环系统也装有仪表以监测油中的含水量,以便确定更换转轮叶片密封的时间。自从1999年起,已经在5台转桨式机组安装了干燥润滑设备,并且一直在运行。1转桨式转轮的环保技术水电是主要的可再生能源,大约占当今世界发电量的20%。水力发电非常经济,而且温室气体排放可忽略不计。涉及水力发电和环境的问题,大多数与建坝和淹没土地,以及鱼类回游的影响有关。不过,官方和公众对环境越来越关注,将焦点放在水力发电的各个方面。另外,欧盟委员会已经颁发了一个关于环保责任的文件。在该文件中,特别强调引起环境破坏的任何人应负责支付有效恢复环境的费用。在水力发电行业内,特别是在斯堪的纳维亚和北美,对有利于环境的技术方案已越来越感兴趣,其中,对水电站漏油的危险也越来越关注。一座水电站有许多含润滑油的部件,但是并不是所有这些部件都直接与水道直接接触。直接与水道接触的含油的部件是导叶和叶片。因此,从水电站泄漏油的危险主要与导叶和叶片有关。瑞典瓦腾费尔水电站的调查表明,每年大约有6000L油和其他润滑剂溢入河中。虽然与其他漏油源如船相比,其漏油量小,但是在水电站业主和官方看来,仍然较多。转桨式转轮的传统设计包括一个完全注满油的轮毂。在以前的某些情况下,转轮轮毂中的油甚至是处于受压状态。这样做是为了防止水进入轮毂中,而允许油泄漏到水道中。因此,油具有润滑和防止水进入转轮的双重作用。50a前,有一项申请了专利的密封装置,该装置具有将油和水从密封之间抽入水道中的作用。在那个时候,该技术是保护转轮而不是环境。由于通过转轮叶片密封不断渗出油,因此传统设计的转桨式水轮机对环境产生了负面影响。随着时间的推移,由于转轮部件的磨损,漏油会更加严重。转桨式转轮的损坏(例如丢失一个销子或轮毂底部损坏)会引起大量的油泄漏到水道中。大型转桨式转轮含数千升油。由于对与水力发电有关的环境危险越来越关注,GE水电公司于20世纪90年代初启动了一项研究和开发计划,旨在为转桨式转轮寻求环保方案。早期的一些想法在于减少转轮轮毂中油量的可能性。随着开发工作的深入,于20世纪90年代中期提出了干燥润滑技术的第1个方案。该技术得以继续开发,于20世纪90年代末制造出了第1台商业机组。同时,随着这种技术的发展,开始将焦点集中在完全取消转轮中油的可能性上。于20世纪90年代末这一技术得到了进一步发展,在瑞典波尔尤斯研究和开发中心的9号机组上安装了第1台转桨式转轮无油轮毂。1995年,瓦腾费尔公司、阿尔斯通水电公司和GE水电公司成立了波尔尤斯的水电中心。该中心位于瑞典北部的波尔尤斯市。目的是促进水力发电技术的发展。该中心一台培训机组(波尔尤斯U8机组)和一台研究开发机组(波尔尤斯U9机组)都安装在电站的老厂房内(图1)。为了适应以后的新技术要求,安装了研究开发机组U9。考虑到以后发展的需要,对该机组进行了设计,并安装了必要的监测设备。在波尔尤斯U9机组上主要研究水动力学的比尺效应,新材料,部件和机械设计特性。在这台机组上也能够研究该系统不同部件之间的相互作用。在波尔尤斯U9机组的设计阶段,GE水电公司和瓦腾费尔公司同意将环境安全作为考虑重点。因此在转轮轮毂中充水代替油。2管和电机/泵之间的连接对与水电有关的环境问题的更加关注是转桨式转轮采用第一代环保技术的出发点。当时的方案就是以尽量减少轮毂中的油量,并能监测密封的功能进行设计的。这种设计不是让油完全充满转轮轮毂,而是将油直接送到轮毂中的轴承进行润滑。在转轮中安装一台组合的水力电动机和泵,再通过主轴泵送来达到这个目的。所有轴承是安装了永久润滑的轴承,油润滑效果欠佳也不会引起故障。原理见图2。水力电动机和泵安装在泄水锥内,泄水锥内有空间适合于泵排油。泵的吸入点将决定轮毂中的油量,一般不到全部油量的10%。控制管和电动机/泵之间采用软管连接。对于泵的位置和软管的安装,必须考虑离心力。应用软管连接,通过降低泄水锥就能够检查和检修机组。油取自一个独立的液压系统。水轮机达到正常转速之前,油不进入转轮。这样就避免了泵长时间干润滑运行。油量和油泵/电动机装置的转速由一个流量控制阀来控制。必须增加2根管子或者油路来改进轴孔中的控制管,这样可以为电动机供油和排走回油。起初采用静油压的油路使转轮与大气相通。轴孔中的油管用软管连接到转轮轮毂底部的泵/发动机装置。电动机的回油输送到转轮叶片轴承中以润滑轴承。叶片操作机构中的一些轴承不能单独供油,因此必须依赖于轴承内的永久润滑。系统中油的总量可以精确控制,以确保没有漏油。任何可能泄漏到轮毂中的水通过探水箱的监视来检查。如果转轮叶片密封泄漏,通常开始时很慢,及早发现能适时进行故障检修。在老式转轮叶片密封中,通常在转轮叶片的负压侧设有排水孔,以排出正面的漏水。现在这种布置则反过来了。允许转轮叶片正面的水进入密封之间,这样就确保水在内密封外侧,内密封外侧的压力比转轮轮毂中的大气压力高。在流道中压力较低的情况下,来自密封箱的有压水能够从另一个方向进来。这是为了确保油不泄出,但是水漏到轮毂中,可以测出来,并且渗漏水也可以控制。密封外表面必须抗腐蚀,因为在密封之间总是有水。干燥滑润技术在瑞典、欧洲、挪威、美国、加拿大、巴西、中国、日本和俄罗斯申请了专利。从1999年起,已经安装了5台采用干燥润滑技术的转桨式水轮机。其中1台是瑞典利加3电站的最大转桨式机组,转轮直径为7.5m,出力为181.7MW。自采用无油润滑的转桨式转轮以来,干燥润滑技术似乎是老转轮改造最具有吸引力的方案。3静力器的应用在开发干燥润滑技术的同时,人们对完全取消转桨式转轮中润滑油很感兴趣。波尔尤斯U9机组为试验新技术提供了很理想的机会。从一开始,GE水电公司和瓦腾费尔公司就一致同意,环境安全是开发优先考虑的课题。波尔尤斯U9的转轮轮毂在叶片操作机构的空间注满水。接力器仍然用液压油操作,并为以后采用可靠的水力操作系统留下余地。波尔尤斯U9转轮投入运行以后,研究和开发工作集中在防止或者延缓轮毂的侵蚀过程上。在波尔尤斯机组中,大多数部件由不锈钢或青铜制成。为了使转轮价格具有竞争性,一些部件不得不用较廉价的材料制造。GE水电公司和瑞典侵蚀研究所进行了一项关于转桨式转轮侵蚀危险的研究。随着有效的密封技术的发展,可以用脱氧水(deaeratedwater)充注转轮,这样能将腐蚀限制在一定的范围内。为了避免局部电偶腐蚀,大面积的表面不进行表面处理,以消耗水中残留在轮毂中的少量氧气。有许多方法可去除水中的氧气。主要是热(沸腾原理)或化学方法。对于大型转轮,考虑切实可行的原因,无毒的化学去氧方法更好一些。3.1材料、密封件和密封无油转轮的设计见图3。为了能从转轮检修平台检查操作机构,接力器放在下游端。所有轴承为永久润滑型。现在市场上有许多这样的轴承,由复合材料和含有石墨成分的金属材料制成。最关键的部件用非腐蚀材料制成,轮毂体用青铜制造,叶片操作机构的许多部件是不锈钢的。操作机构的大型铸件由表面喷漆的碳钢制成。一些关键表面覆盖有不锈钢层。轮毂底部由碳钢制成,未采取保护措施以消耗水中的残余氧气。所有密封必须是有效而且被证实是完好的,以确保在充油和充水部件之间或者河水和轮毂水之间不出现交叉泄漏。除了波尔尤斯U9机组,这样设计的转轮已经制造了2台,并于2003年末投入运行。3.2重新设计的机组无油的波尔尤斯U9轮毂和许多干燥润滑轮毂投入运行之后,瑞典的用户提出了将老式轮毂改成无油轮毂的问题。2001年1月,Sydkraft电力公司签订了瑞典南部拉甘河上的特拉吕德电站的1台机组的改造合同。同意将该机组的转轮改造成无油设计,以作为采用这种技术的样机。该机组是1946年由瑞典GE水电公司的前身Nohab公司提供。旧机组的改造比制造新机组更困难。它需要单独进行研究。对于第1台这样的机组,必需制造一个新轮毂底,许多部件改成不锈钢的或者覆盖不锈钢层。叶片密封结构也不得不重新设计。图4示出的是一个改造转轮的例子。主要作法是将所有青铜轴承改成永久润滑型轴承,将叶片操作机构部件改成不锈钢,在许多部件上嵌入不锈钢里衬,更换密封,包括转轮叶片密封,并用脱氧水注满转轮。另外,由于转轮注满了水而不是油,轴孔中的控制管必须作修改。目前,3台机组已经改造成无油转轮。4经验4.1测量连杆机构中的应力为了试验无润滑油的转轮叶片操作机构,设计了该转轮。该转轮为6叶片,开始装有5种型式不同的轴承,以测试摩擦和磨损。为了对比,2个轴承是相同的。转轮轮毂注满水。轮毂下游部分的操作杆和转轮叶片的转动臂之间的连杆上装有应变仪测量连杆应力,这样可以评估不同轴承中的摩擦力。该机组于1998年5月投入运行。一开始,水轮机主要是满负荷运行,因为在那个阶段最重要的目标是进行发电机试验。自2000年11月起,水轮机进行叶片强制运行以达到加速轴承磨损的目的。摩擦的测量值比轴承供应商提供的值小。不过,在轴承之间存在着较大差异。轴承的平均摩擦系数为0.04~0.12。2002年6月对机组进行拆卸,以便于了解轴承状况和测量磨损。总体而言,很难弄清磨损差异的原因。发现按转桨式转轮中常用的表面压力设计的轴承,其磨损都可以接受。连杆机构中的轴承按超高表面压力设计,其中一些轴承的损坏程度不可接受。这就暗示有一个设计上限。现在该机组已经恢复叶片强制运行,并且配有一套新的轴承试验装置以获取更多的经验。4.2机组正常运行第1台机组于1998年9月订货,1999年11月起投入运行。随后,另外几台机组全部在瑞典投入运行。为了减少停机时间,利加3电站的机组在工地改造。所有机组已经顺利运行。在利加3电站出现了一些不正常情况,可能是由于在现场检修期间,很难彻底清洁液压元件。4.3复合机组的运行及投运之前是否发生异常在特拉吕德2电站的第1台改造的无油机组于2001年11月1日投入运行。当转轮轮毂排空水检查转轮并进行水分析时,没有发现有大量磨损颗粒的任何迹象。轮毂的内部部件用内窥镜进行检查,没有发现显著异常,在恢复运行之前,重新充注脱氧水。胡廷电站的第2台机组已于2002年10月投入运行。目前还没有不正常的报道。托舍电站的第3台机组已于2003年7月投入运行。4.4瑞典的电站当前,除了波尔尤斯U9机组外,另有3台新的无油机组已投入运行:2003年11月投运的瑞典格伦德福尔电站、芬兰的韦亚拉斯科斯基电站,以及2003年12月投运的瑞典奈沃雷德电站。另外3个工程正在施工中,即瑞典的福什胡尔德和隆斯特罗门电站以及芬兰的塞塔科尔瓦电站,这3座电站均于2004年竣工。5桨式转轮的润滑技术上述的研究和开发计划已经开始实施,其目标在于寻求有利于环境保护的技术方案,适应对水电市场的环保方案越来越感兴趣的要求。按照研究和开发计划,研究了减少转桨式转轮轮毂中油的2种方案。第1种方案是为减少转桨式转轮轮毂中的油量而开发的干燥润滑技术。经验表明这种技术适合于新转