罗 煜

（新疆有色金属工业（集团）稀有有限金属责任公司富蕴836300）

大型贯流机组存在主要问题的探讨

罗 煜

（新疆有色金属工业（集团）稀有有限金属责任公司富蕴836300）

目前我国低水头径流式水电站建设之势方兴未艾，贯流式机组以其优良的水力特性和显著的经济效益倍受到广大水电开发者的青睐。但是由于该机组发展的时间较短，在设计、制造、运行各方面或多或少存在一些问题，影响了机组的稳定运行。本文对设计或考察过的贯流式水轮机运存在的问题进行探讨，希望能够对贯流机组的设计和运行提供有益的参考。

贯流机组问题

1 引言

目前，国内外已投运的灯泡贯流机组几千台套，在国内，灯泡机组虽然起步较晚，但经过二十多年的努力，亦有了一定的规模和水平，已建和在建的电站超过30个，作为大型贯流机组，应该说国内的设计、制造、安装已经达到一定的水平。贯流电站在国内虽然发展速度很快，但在建设中为了追求工期和业绩，缺少必要的归纳总结和设计优化，在运行中或多或少存在一些问题，有的是由于设计选型造成的、有的是制造工艺方面的问题、有的则是由于安装质量造成的，究其原因，大多是由于近年来水电站开发速度较快，针对贯流机组的设计制造安装各方面技术都缺少总结，重视不足，对出现的问题往往缺乏交流，以致于一些业主在调研一些电站后设计选型改变贯流机组的设计方案，一些运行人员往往反映贯流机组运行存在问题，检修相对困难，但是瑕不掩瑜。

2 存在的问题

目前国内贯流机组电站的运行的确存在一些问题，比如机组出力不足、发电机转子支架断裂、轮毂漏油、桨叶操作连接螺栓断裂、主轴密封磨损严重、转轮室漏水、重锤重量偏轻、定转子扫膛等等，有的问题在一个电站中发生，在另外的电站接连重复发生，有的问题虽经处理，但依然不能从根本上解决问题，虽然一些问题尚没有严重到事故停机，但严重的威胁到机组的安全运行，本文将收集到的一些共性问题进行剖析，希望有助于这些问题的解决。

2.1 机组的结构强度设计

大多数的大型灯泡贯流机组采用单支点双悬臂结构，仅依靠管形座的固定导叶及发电机部分的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。受力比较复杂，近年来，国内投运的大型贯流机组，如凌津滩、飞来峡、青居、尼那等电站先后出现了阻尼线圈断裂、管形座变形、转子支臂开裂、发电机气隙严重超标等问题，各种因素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刚强度的设计有一定的关系，现在各个厂家虽然一般都进行了刚强度计算，但各家对于刚强度的校核准则不尽相同，加上对机组的振动摆度的评估国家尚缺乏统一的评判标准，所以尽管设计院在机组招标文件中对主要部件的刚强度有一定的要求，但由于各个厂家所采用材料的不同，有限元计算建模边界条件的差异，制造工艺水平的差异，导致考核的标准也不尽相同。

机组整体的刚强度分析不但包含CFD的静、动应力分析，还应包含轴系的动力特性分析以及振动频率的相关计算，另外对支撑机组的管形座的应力计算要考虑机组振动的影响，还要在设计上考虑混凝土浇筑的设计变形，一些主要结构件的设计措施要考虑现场的安装手段和工艺水平，有些制造商要求的公差在现场无法达到，所以在后续的安装过程中会产生许多纠纷，对设备的整体质量产生影响。对于贯流机组而言，气蚀影响不大，除非是泥沙较大的地区，但是由于贯流机组的转动惯量较小，对于支撑灯泡的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。在机组标书中我们要求，制造厂家在机组正常运行工况下，对关键的部位和卖方认为需要的任何部件，可采用较低的工作应力，重要部件的最大应力值不大于材料屈服强度的1/3，最大应力值不宜超过110MPa，应力变形的绝对位移不大于2mm，在飞逸工况下可以适当放宽。

2.2 桨叶操作系统漏油

对于贯流机组而言，桨叶操作系统漏油大多产生在两个部位，一个是轮毂体上下腔的窜油，导致调速系统丢油；另一个是桨叶操作油管路漏油。这两种情况都会导致调速系统的油泵频繁启动，引发其他故障产生。

桨叶的调节依靠调速的系统的压力油管利用大轴的中空结构操作，大多数大型贯流机组的油压为6.3MPa中压油系统，由于油管较长且要随大轴旋转和操作桨叶前后运动，这样对油管接口密封的结构提出了很高要求。

2.3 主轴密封设计

灯泡贯流机组主轴密封是经常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均有不同程度的漏水，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过程中的情况，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非常重要，例如：可采用进口的聚四氟乙烯材料作为盘根密封，端面或密封材料可采用进口的高分子材料，如塞斯德尔、塞龙等。

2.4 润滑油系统管路

贯流机组受油器窜油问题在很多电站均不同程度的体现。一些水电站整个润滑系统和调速系统分为两个独立的系统，即轴承润滑系统由轴承高位油箱、轮毂高位油箱、低位油箱以及高低位油箱之间的各种管路和自动化元件组成；调速系统由回油箱、漏油箱以及其间的各种管路和自动化元件组成。就从主机厂的原设计来讲，轮毂高位油箱的油压用于转轮轮毂内增压挡水，压力一般不会泄压，所以可认为轮毂高位油箱无需补油。调速器漏油箱用来接从受油器漏出的油，按照原理上来说，仅有少量油会漏出，等油位到达一定程度，便直接油泵打至回油箱中。所以，在普通灯泡贯流机组设计中，设计人员对此应引起足够的注意，建议将轮毂高位油箱和调速系统统一为一个系统，漏油箱的油可直接打至轮毂油箱，而轮毂油箱可接溢油管至回油箱。针对贯流机组结构布置特点，润滑油泵对于机组的安全稳定运行是非常重要的，通常在低位油箱上设置有2台油泵，单台油泵的容量应能满足各部轴承的润滑需要，以保证各部轴承瓦温在允许的范围之内，一台为主用，一台为备用。容量的选择计算书，以复核其是否能满足运行要求。

2.5 灯泡机组的漏水问题

在目前运行的很多大中型灯泡贯流机组在很多地方存在漏水现象，尤其是底部操作廊道漏水，其主要的漏水源有：（1）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。可采取各种灌浆、化学、树脂、水力等方式进行处理；（2）导叶轴套漏水。在比较早的导叶轴套设计中采用“O”型密封圈，而与密封圈相配合的“O”型槽设计较浅，在安装公司的安装过程中很容易将密封圈挤至槽外，而引起轴套的漏水，解决这种漏水的方法主要是加深“O”槽深度，另外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；（3）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。其原因主要是安装质量问题，即沿法兰面圆周的螺栓未全部上紧或局部断裂，故在机组发电前应严格检查螺栓的松紧程度，必要时在机组招标文件中可要求采用高强螺栓；（4）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，容易出现阀上不紧等缺陷，故在设计中一方面在选择阀门时应充分考虑此处工作环境，选择较好的阀门、法兰材质。另外，因排流道水时水内含有大量泥沙，阀门应采用硬密封。

3 结束语

我国水轮机调节技术与国际先进水平基本保持同步，在适应式变参数PID调节、电机式电/机转换、双机交叉冗余和机组功率控制模式上处于国际领先地位，但在产品可靠性、产品质量、工艺水平等方面与国外产品有一定差距；系统的基本结构模式：电气-机械/液压转换元件+主配压阀的经典形式，控制方式依然采用传统模拟控制或间接数字控制，并未得到根本性的改变，随着液压集成和电子控制领域技术迅速进步，如何加快现代液压技术在调速器机柜中的应用、推动调速器机柜的升级换代，在系统设备的调节控制方式，主要元件多采用国际知名品牌标准液压件、模块化、集成化程度，以及元件的稳态耗油泄漏量、使机柜的工作可靠性有了全面的保证。真正做到调速系统免维护，并在技术上精益求精，适应式变参数的频率调节规律、快速、无超调的机组功率控制规律、系统集成的产品模式和全数字式水轮机微机调速器等方向是水轮机数字式电液调速器的主要发展趋势。很有可能成为推动和促进我国调速器产品迅速挤身国际先进水平最有希望的快捷途径之一。

[1]魏守平.现代水轮机调节技术.华中科技大学出版社，2002，01.

[2]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.

[3]沙锡林.贯流式水电站.中国水利水电出版社，1999，12.

[4]魏守平，罗萍，卢本捷.我国水轮机数字式电液调速器评述.水电自动化与大坝监测,2003,27(5):1-6.

收稿：2015-03-10

10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2015.04.039