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厂顶流电站相关问题的设计总结

2010/11/10 11:40:00 来源: 评论: 0 条 点击: 4791 次

段宏江 

(中国水电顾问集团西北勘测设计研究院  陕西  西安 710065)

摘 要:炳灵水电站,在国内首创将水库的泄洪明渠修建在发电厂房内部的厂顶溢流布置模式,蜀河水电站也采用了类似的设计,厂顶溢流电站从无到有,电站的设计方面存在诸多难点。本文以炳灵水电站为例,对厂顶溢流电站机型选择、机组安装高程的确定、机组结构刚强度的复核、水轮机主轴密封的设计、轴承润滑方式的确定、调速系统的特殊设计、枢纽的泄流共振问题研究、贯流机组的在线监测、机组防飞逸的措施及泄洪表孔密封盖板设计及其它防漏水措施进行设计总结,希望能够对类似电站的设计提供参考。

关键词:炳灵水电站;厂顶溢流;贯流机组 

0  引言

炳灵水电站位于永靖县与积石山县交界处的黄河干流寺沟峡上,是龙羊峡—青铜峡河段水电规划中的第13个梯级,电站设计总装机24万千瓦,安装5台当时国内最大的单机容量48MW灯泡机组。炳灵坝址河谷峡窄,水头较低,泄洪建筑物布置困难,工程的单位造价投资和移民困难制约着工程的上马。2001年业主进行炳灵水电站的设计招标,要求各投标单位对工程设计进行进一步优化。当时蜀河电站的情况比较类似,这种电站所处位置河谷峡窄,河水陡涨陡落,河道两边居民众多,人多地少的矛盾突出,移民安置的困难非常大,如何突破常规,优化设计方案,减少工程投资,是我们获取设计份额,促进工程早日上马的关键所在。

1  设计总结

对于低水头的河床式电站,机电设备的投资份额较大,往往机电整体设计方案的好坏就能基本决定整个工程方案的优劣。经过多次的方案讨论,机电专业提出能否采用厂顶溢流的枢纽布置模式,并举证多年前收集的前苏联类似资料,2003年起我们进行了相关资料的考证和检索工作。2004年10月考察了俄罗斯的萨拉托夫水电站和乌克兰的契列波维茨水电站,由于各种原因,我们无法获得相关的设计资料,但通过考察知道,我们设想的技术方案是可能实现的,随即院里开展了大量的研究工作,最后决定在炳灵和蜀河电站的设计投标中采用厂顶溢流方案,让泄洪表孔从厂房运行层和主机层之间通过,厂房作为挡水建筑物和泄水建筑物(见附图1),这样可以大大降低工程投资,彻底改变电站的概算指标,最后我们的设计方案获得了业主和审查部门的认可。在电站的具体实施过程中,机电专业进行了大量的设计优化和科研工作,现将主要成果简要介绍如下:
 

2.1  水轮机机型选择

黄河炳灵水电站是是龙羊峡—青铜峡河段水电规划中的第13个梯级,电站设计总装机24万千瓦,根据上游水位、各特征下泄流量对应的下游水位、引水系统水头损失以及电站运行方式等,确定该电站的水头变化范围为11.6m~25.7m,在本水头段可供选择的水轮机有灯泡贯流式和轴流转桨式两种机型,常规来讲,在此水头段灯泡机组具有明显的技术经济优势,与立式轴流机组相比,约可节省电站建设投资10%左右,而且运行稳定、空驶轻微,由于贯流机组为卧式布置,水流平顺,采用直锥扩大形尾水管,减少了尾水管的水头损失,提高了水能回收系数。对于厂顶溢流的电站而言,贯流机组的流道水平布置的更加暗合整个枢纽的设计思路。

在国外,灯泡机组是一种技术成熟的机型,已经得到广泛的应用,且单机容量愈来愈大,投运单机容量最大的为日本只见水电站65.8MW;在国内,灯泡贯流机组虽然起步较晚,但经过二十多年的努力,已有了一定的规模和水平,当时湖南洪江水电站5×45MW灯泡机组是国内正在运行的单机容量最大,国际上利用水头(27.3m)最高的灯泡机组.为了稳妥安全,炳灵水电站单机容量最终确定为48MW ,现在看来如果当时选择单机容量60MW的机组也是可行的,与随后发电的桥巩机组(单机57MW)相比,炳灵电站的额定水头为16.1m, 单机60MW时转轮直径也只有7.0米左右,水轮机制造难度不大,而黄河上游水温较低,夏季最高水温低于20ºC,有利于灯泡机组通风冷却,便于灯泡水轮发电机的设计制造,如果因此能减少机组台数,采用两机一变的电气接线,可以更加节省工程投资。2009年东方厂为巴西杰瑞水电站设计的18台75MW的贯流机组正在设计制造中,应该说,中国的贯流机组的设计和制造已达到了世界先进水平。

2.2  水轮机安装高程的确定

炳灵水电站处于刘家峡水电站的库尾,其下游尾水受到梯级电站刘家峡水库回水的影响,其额定水头的确定相对比较复杂。在建设中第一次在国内水电史上引入了“库尾建坝”的概念,充分利用刘家峡水库汛限水位,减少淹没耕地1万亩,减少移民1万多人。炳灵电站的额定水头的确定是概率统计的结果,根据黄河龙羊峡、刘家峡两库梯级联合调度的实际运行的调查结果,以及刘家峡水库30多年实际运行资料统计,炳灵水电站的额定水头16.1m的保证率能够达到87%以上。

对于炳灵水电站而言,其下游尾水不但受到本电站下泄发电流量的影响,而且主要是由下游梯级电站运行水位所决定,电站安装高程的确定相对复杂。由近30年的实际统计结果可知,当龙、刘两库联调运行时,刘家峡多年平均水位为1725.55m,当流量700m3/s~2000m3/s时,在炳灵塔坪坝址尾水断面计算的回水为1726.74m~1729.31m(大沽高程)。这时设计尾水位不是依据几台机组的下泄流量确定,而是根据刘家峡电站运行几率最高的运行低水位1726.74m确定,然后按照厂顶溢流布置的要求,可以对机组的安装高程进行复核,炳灵的水轮机装置空化系数是按照1.05~1.1初生空化系数σi来确定,考虑厂顶溢流泄洪表孔的布置下降0.7m,最终炳灵电站的安装高程确定为1715m, 经复核计算满足尾水淹没深度不小于0.5m的要求。

2.3  机组结构刚强度的计算复核

对于单支点双悬臂的大型灯泡机组而言,仅依靠管形座的固定导叶及发电机部分的三条辅助支臂支承固定在流道外壁的混凝土基础中,灯泡体承受着静水压力,水锤、水流脉动、旋转、冲击、水的正反向瞬间增大的推力等动水压力,本体自重以及发电机在不同工况下的扭矩、热应力等多种负荷。从近年来国内大型贯流机组的运行情况来看,许多电站都存在一定的结构设计问题而导致机组运行产生故障。因此在结构设计中要特别注意结构的强度、应力、刚度、电机温度变化及派生等引起的变形、稳定及振动的固有频率计算。随着大型通用有限元分析软件ANSYS的普及,对于贯流机组的的整体和主要的大部件都可以进行有限元计算分析。在机组标书中我们要求制造厂家对关键的部位和卖方认为需要的任何部件,必须采用较低的工作应力,重要部件的最大应力值不宜超过100MPa,正常工况下应力变形的绝对位移不大于2mm。

近年来,国内投运的一些大型贯流机组,先后出现了阻尼线圈断裂、转子支臂开裂、发电机气隙严重超标、转轮室裂纹、定子接地短路等问题,各种因数严重地影响了机组运行的稳定性与可靠性,究其原因或多或少与结构设计有一定的关系。在炳灵水电站机组结构设计中,我们对一些重要部件进行强度复核计算。在计算时应该特别注意一些计算边界条件的选择:在发电机转子刚强度计算中应考虑转子支架内外存在的较大温差引起的温差应力,重点复核转子腹板与下环板焊接处,磁轭通风孔刚度对应力变形的影响;在大轴轴系振动、静挠度及轴承受力计算时应注意转轮的GD2应包含水体的惯性力距,在管形座强度计算等计算中,应该大在型计算机上计算并绘制其变形图,以获得有价值的数据,并作为结构设计的依据。在机组安装时严格按照相关技术规范进行必要的材质检查,机组发电后,经监测观察机组的结构变形很小,机组运行安全可靠。

2.4   水轮机主轴密封设计

灯泡贯流机组的主轴密封是经常容易出现问题的地方之一,主轴密封形式多种多样,主要有梳齿密封、盘根密封、多道V型密封、多道L型密封、端面+盘根密封等多种形式。国内已运行的大部分贯流机组主轴密封有不同程度的漏水量,甚至部分电站的主轴密封在汛期根本无法实现密封水的作用,曾多次导致停机。故在选择主轴密封的形式中首先应对灯泡贯流机组主轴密封常用的型式有所了解,并应积极收集各已建电站在实际的运行情况,选择应用较为成熟的设计型式;其次,对于密封材料的选择也是非常重要的。

主轴密封效果与水质有关,对于水质清洁的电站,密封问题相对容易解决。但对于多泥沙电站,就存在密封件磨损非常严重,密封寿命过短等问题,增加停机检修次数,影响电站经济效益;炳灵水电站地处刘家峡电站的上游,河水汛期泥沙较大,参照我院在黄河上多年的设计经验,炳灵水电站采用了径向盘根密封加两道L型密封作为主轴密封的型式,密封材料选用塞斯德尔,盘根材料亦采用进口的聚四氟乙烯材料。这种密封型式的优点在于能够有效的防止主轴密封渗漏,也能防止泥沙进入,在电站供给的清洁密封水的作用下能有效止水,并且采用的多分子材料具有很高的耐磨性,可延长密封的更换周期。这里需要指出的事,由于黄河汛期瞬时的泥沙较大,应该注意对主轴密封水源切换的自动控制的要求。

2.5 轴承润滑方式的确定

大型贯流机组轴承设计特点为负荷大、转速低,为低速重载轴承,炳灵水电站支撑结构采用单支点双悬臂结构,发电机正反向推力轴承与导轴承设计成组合轴承,设置在发电机转子下游侧,水轮机设径向轴承。灯泡机组轴承负荷较大,油槽容量较小(可以称为无油槽),这就要求在机组运行中不能停止轴承的润滑和冷却。由于机组贯流机组GD2相对较小,停机需要一定的时间,所以一旦油泵故障停机无法供油或供油不足,会因为机组不能迅速停机会导致轴承烧损。鉴于贯流机组此特点,机组各部轴承的润滑方式的确定也显得尤为重要,目前国内贯流机组轴承润滑多采用大循环模式:轴承低位油箱→油泵→油冷却器→高位油箱→油分配管路→各部轴承低位油箱,优点是高位油箱能够提供稳定的重力压力油源。

炳灵水电站的泄洪方式采用水库的泄洪溢流渠修建在主厂房内的厂顶溢流式设计,按照《水力发电厂机电设计规范》规定轴承高位油箱对轴承最好形成不小于0.2MPa的油压差,高差要求轴承润滑的高位油箱应布置1735泄流层以上高度,这样轴承高位油箱只能布置在机组间闸墩内或主厂房运行层,这两种布置方式都需要大量增加穿越闸墩的管路空间,势必加大了闸墩厚度,致使土建投资大量增加。为解决这个问题,我们联合科研院所进行了低速重载轴承的研究,经过论证认为轴承油膜的形成主要靠机组的转速,轴承供油点的压差达到0.1MPa以上就能满足轴承润滑的要求,于是我们决定降低轴承高位油箱高度,将轴承高位油箱布置在1728主机层,并对轴承润滑管路进行优化设计,详细计算供油配管的直径,在高位油箱内安装加热器,尽量减少管路油阻,这种设计大大缩减了机组间闸墩的厚度(减少约1/2),简化了安装和检修难度,节省了土建投资和安装时间。这里需要特别指出的是由于轴承润滑系统各部轴承出口的流量开关量要进入开停机流程,所以自动化测量元件选择一定要可靠和安装正确。

2.6  调速系统的特殊设计

炳灵水电站采用了厂顶溢流布置,调速器布置不能按照常规水电站布置在主厂房,其结构设计受到一定的影响,需要在调速器的工艺设计上采取特殊措施,在炳灵调速系统的设计中我们进行了大量的创新,大胆采用了全新插装集成式油压装置设计方案,将调速器的机械液压部分和油泵等布置于回油箱上,将卸荷插装阀组(含两段关闭功能)固定在回油箱的侧面,调速器管路直接从回油箱底部走管路廊道,大大简化了管路连接,节省了设备布置安装空间。针对贯流机组调节特性,电液转换元件采用响应速度更快的比例阀冗余配置,调节规律变采用变结构的PID控制,调节关系曲线的调整能够在触摸屏上操作和修改,在引入流量和在线监测信号的前提下,调速器采用自学方法来自动优化和完善关系曲线,解决了枢纽初期蓄水低水头发电问题。
炳灵水电站地处刘家峡水库的入口,为避免下游水位发生较大变化而引起事故,要投入大波动(防波浪)控制策略,另外枢纽设计要求机组具备在非协联工况下参与泄洪能力,为此我们进行了专门的研究,进行了相关的模型试验,在调速器系统中专门设置了泄水工况,当调速器接收到接点开关量或监控通讯发出泄洪指令且机组出口断路器辅助接点断开,即进入飞逸泄水调节模式,在低水头时利用水轮机的飞逸性能泄水。根据水头信号装置采集的水头数据对应机组特性曲线将导叶开度最小值限制于满足该泄洪的最小开度值之上,频率给定置为50HZ,机组频率限定值限制于主机厂提供的飞逸泄流保证值之下,同时应保证机组转速不至于过低而对机组造成损坏,当机组转速过低则发出报警,转速过高则转入调频运行,而泄流工况下桨叶全开,利用灯泡机组大转角、大开度、低水头、流量大的特点满足泄水流量及转速要求,泄洪控制就是调速器弃水桨叶控制,将机组导叶定开度运行,以保持流量恒定,不断的调整桨叶开度(角度)达到控制机组的转速或有功负荷在规定的范围。经初步试验在最低水头附近桨叶全开时,下泄流量不小于60%的额定流量。

2.7  泄流共振问题的研究

根据设计要求,电站在三年一遇以上洪水时,位于厂内的溢流明渠泄洪时机组能够安全稳定运行,所以必须对机组在泄流工况下可能引起机组稳定运行问题的几种激振频率进行必要的分析,在厂房动力设计中,共振是应该准确预知和避免的,因为在发生共振时,尽管激振力的幅值很小,但也可能产生很高的振动响应。共振复核以《厂房设计规范》为依据,原则要求结构自振频率和干扰振源频率的错开度大于20%~30%。这时必须对土建结构频率、机组的相关转频倍频以及泄流工况下的水力激振频率进行分别分析和判别。在厂房结构设计时,泄流工况的激振频率也在考虑在影响的共振频率之内。

经过对额定转速频率、飞逸转速频率、转轮叶片频率、整机固有频率计算和结构动态性能模拟,尾水管低频涡带、水轮机转轮叶片数频率、导叶数频率及电气高频共振的危险性基本不存在,频率保持有足够的错开度。存在共振可能的频率区间为,厂房的第5~7阶频率与转频十分接近,第8~10阶频率与2倍转频。通过2009年进行了泄流同时机组空载工况的实践,观测并研究表孔泄流对电站尾水出流及发电的影响,测定机组及尾水管的脉动频率,对比泄洪建筑物泄洪与不泄洪时尾水管压力特性,通过实验发现发现泄流工况属于低压面流,泄流回水对机组尾水出流几乎没有影响。

2.8  贯流机组的在线监测

灯泡贯流式机组的振动往往是电磁、水力、机械三者的耦合作用。随着机组容量、尺寸及重量的增加,部件承受的动态、静态载荷随着干扰也随之增大,不可避免地会出现各种机械、水力及电磁方面的振动问题,以及部分负荷区的压力脉动值也相应增大了。近年来,国内投运的大型贯流式机组电站先后出现了阻尼线圈断裂、转子支臂开裂及发电机气隙严重超标等问题,对于故障发生的机理各个制造厂家看法不一,在运行维护过程中采取优化措施尽量降低各类故障的发生概率,是在设计措施中重点考虑的问题。保证机组运行的稳定性对电厂的安全经济运行十分重要,及时发现机组存在的隐患和缺陷,有针对性地对机组设备进行维护保养,实施状态监测,建立预测性维修体制等,将有助于提高电厂的安全经济运行水平,可以给电厂带来显著的经济效益。

炳灵水电站机组在线监测系统由传感器、数据采集单元、服务器及相关网络设备、软件等组成,整套系统采用分层分布式结构。系统主要分为发电机气隙监测模块、发电机局部放电监测模块、机组稳定监测模块、能量特性监测模块四个主要模块,机组稳定监测分析包括机组各部轴承的振动和摆度、泡体的振动、转轮室的压力脉动等状态和参数进行实时监控;能量特性监测系统从机组现地的LCU盘上获取与机组能量特性相关的水轮机的流量、工作水头、发电机的有功功率、水电站上下游水位等的工艺量数据,通过在线监测数据的积累和修正,逐步形成最优的运转特性曲线以及机组的其他性能指标,这样对低水头的贯流机组增加出力,提高运行的稳定性更显重要。通过对炳灵灯泡机组各个工况进行全面的监测,一方面通过对厂顶溢流各种工况运行进行监测,指导机组的稳定运行;另一方面希望能够对我国大型灯泡机组的状态诊断积累原始的数据,为大型灯泡机组的专家状态检修积累经验。

2.9  机组防飞逸的措施

当机组因事故甩负荷时,机组调速系统同时发生某种故障,不能关闭导水机构,机组将发生过速甚至达到飞逸转速,可能使机组转动部分产生不同程度的损坏,甚至造成严重后果。为了防止机组损坏,在电站设计方面则需要采取防止飞逸的措施,对于灯泡贯流式机组转动惯量通常由发电机飞轮力矩、水轮机飞轮力矩和水体附加力矩组成。灯泡机组由于受灯泡比的限制,发电机直径比一般常规机组小约为立式机组的60%,水体附加飞轮力矩则随叶片安放角的增加而增加,约为发电机GD2的10%左右,炳灵水电站机组GD2只有约3934t.m2,故机组转速在甩负荷后5s之内即可上升到最大值,而之前国内普遍采用的快速闸门的要求是在机组飞逸时2min内关闭,针对灯泡贯流式机组,设置快速门对于防止贯流机组产生飞逸的作用已无实际意义。贯流机组一般采用重锤作为机组防飞逸措施。

炳灵水电站采用了机械液压控制的重锤力矩和机组自关闭动水力矩相结合的方法作为机组防飞逸措施,重锤机械液压控制系统的设计必须简单可靠,由于贯流机组的关闭时重锤必须下落,目前国内外灯泡贯流式机组防飞逸措施普遍采用调速器重锤卸荷阀、重锤关机系统相结合的方式,机组在正常运行时导叶的开关完全由调速器主配压阀来完成,当机组出现事故,需要紧急停机,首先应是调速器动作,执行事故关机程序,而当调速器出现故障,拒动或失灵,且此时的转速达到一级整定值,紧急停机电磁阀动作,在重锤卸荷阀和重锤的作用下,紧急停机。重锤关机的控制元件采用了组合电磁配压阀和图拉博纯机械液压保护装置相结合的方式。这里需要重点指出的是重锤重量的计算,重锤重量是根据导叶关闭需要的最大操作功来核算的,在接近导叶全关位置越15%的行程时导叶由于要克服轴径处的摩擦力矩而不能自关闭,重锤关机情况与重锤的重量、水头的大小、与安装质量有关的摩擦力矩、卸荷阀的泄油管阻都有关系,建议重锤的设计为砝码累加结构,确保重锤关机的合理性和可靠性。

2.10  泄洪表孔密封盖板设计及其他防漏水措施

为了检修机组,在泄洪表孔上每台机组水轮机和发电机侧各设有2个检修用吊物孔,当枢纽通过泄洪表孔泄流时,吊物孔上须设置密封钢盖板,盖板顶面与泄洪表孔底板平齐,保证泄洪时水流平顺。对密封钢盖板要求能在泄洪表孔过流时,承受表孔泄洪时水流的荷载,并严防漏水,防止水流流入主机设备布置层;同时要求在机组大检时还能够顺利拆卸。对于钢盖板的设计,国内并无应用实例和成熟经验。经过多种方案比较,盖板设计采用了两道封水的型式,两道封水位置之间的埋件底部设有漏水槽,可将第一道水封漏水排走。主支承为钢支座。盖板的设计荷载,根据水力学模型试验结果,并留有一定安全余度。由于泄洪表孔的工作闸门不可能一点不漏水,所以在闸门后设计了排水管直接将漏水排到下游,炳灵电站的运行初期,泄洪表孔的工作闸门封水良好,基本不漏水。

目前运行的很多大中型灯泡贯流机组或多或少存在漏水现象,其主要的漏水源主要有:第一、水工结构影响,即帷幕灌浆质量或混凝土永久缝的浇注质量,可采取各种化学灌浆等方式处理;第二、导叶轴套漏水,解决这种漏水的方法主要是加深导叶轴套密封槽深度,在密封圈材质的选用上亦应采用不易磨损,不易断裂的材料;第三、在转轮室与基础环连结的法兰面处也存在大量漏水的现象,其原因主要是结构强度和安装质量问题,在机组发电前应严格检查螺栓的松紧程度,在机组招标文件中要求采用高强螺栓连接;第四、流道检修阀漏水,鉴于贯流机组的结构特点及厂房布置特点,水轮机流道排水阀一般均布置在底部操作廊道,该廊道地处底部,容易受潮,且阀门布置空间小,容易出现法上不紧等缺陷,故在设计中最好选用弹性座封的闸阀或偏心半球阀。对于布置在操作廊道底部的设备应该有良好的防潮防淋措施。

3 结束语

黄河炳灵水电站首次采用厂顶溢流方案,第一次在国内水电史上引入了“库尾建坝”的概念,充分利用刘家峡水库汛限水位,减少淹没耕地1万亩,减少移民1万多人, 2009年度获得了甘肃省飞天奖,2010年6月基本通过竣工初步验收。蜀河电站采用厂顶溢流方案较原河床方案节约工程投资5.47亿元,第一台机组的发电周期和施工总工期分别减少6个月和3个月,从根本上改变了蜀河的经济指标。2008年7月17日炳灵水电站首台机组发电,机组空气间隙的测量值和振动值来看均满足要求;蜀河水电站2010年7月18日,汉江流域发生50年一遇洪水,7月19日上午6时左右,洪峰经过蜀河坝址,最大洪峰流量为24000m3/s,机组泄洪表孔封闭安全。由于厂顶溢流布电站的设计国内首创,设计上存在很多难点,所有的设计措施还没有全部验证,如泄水工况的同时机组发电。但是实践证明我们的设计是成功的,技术是可靠的,希望我们的设计能为类似工程提供借鉴。

参考文献:
[1]  段宏江,《炳灵水电站设计中几个问题的研究》,《水力发电》,2009.01,
[2]  段宏江 《水轮机调速系统设计选型问题的探讨》,《水电站机电技术》,2007.04
[3]  田树棠,《贯流式水轮发电机组及其选择方法》,中国电力出版社,2000.05
[4]  段宏江等《炳灵水电站灯泡机组状态监测专题初探》,《西北水电》,2007.03