大容量高沖擊式水輪發電機組設計總結與思考

【摘 要】：本文針對龍勝縣南山水利樞紐工程南山一級橋岔水電站在機組試運行過程中出現的問題進行總結，以便對類似機組的設計提供一些經驗，并使問題在前期設計階段引起關注并加以解決。

【關鍵詞】： 沖擊式水輪機 高水頭 容量大轉速高 試運行 問題與思考

1. 前言

龍勝縣南山水利樞紐工程南山一級橋岔水電站裝機2×30MW，最大毛水頭1000m，最小毛水頭965m，額定水頭950m。壓力引水系統總長為3537.66m，廠房內安裝2臺立軸四噴嘴沖擊式水輪發電機組，水輪機型號為CJA237a-L-165/4×9.6；發電機型號為SF30-8/3100；額定轉速750r/min。機組從2011年3月開始調試至5月底結束，歷時3個月。

2. 機組試運行所出現的問題

2.1 水輪機及其附屬設備

南山一級橋岔水電站前池正常水位為1523.00m，噴針中心高程為523.00m，水輪機額定出力為31250KW，試機時水庫水位為1504.5m時，水輪機最大出力為32291.67KW。因此水輪機出力完全滿足當初招標文件的技術要求。

2.1.1 關于噴針與折向器協聯問題

在機組招標文件中要求“調速器直接控制噴針接力器調節機組頻率，折向器不參與調節作用，只有當機組轉速突增10%（此值可任意整定）后，折向器才迅速投入并切斷射流，當轉速低于整定值后，折向器又回到初始位置。”但設備制造商提出“由于本電站水頭高，為了機組的安全，最后噴針及折向器采用協聯。”噴針及折向器結構見下圖：

但在實際調整過程中存在下列問題：

（1）由于折向器接力器內置彈簧使折向器具有自關閉，但在設計中由于彈簧的彈力存在誤差，再加上滑塊及拐臂聯接的機械誤差造成偏流器行程不一致。

（2）由于折向器動作快（全行程72mm為1.5～2s），而噴針全行程（80mm）關閉時間為20s。則折向器的動作時間比噴針要快，那么減負荷的過程中就會出現折向器折水，從而造成機組運行的不穩定。

因此在本站最后取消了噴針與折向器的協聯。

2.1.2 水輪機軸承油霧溢出問題

油的霧化分兩種，一種是在油槽內霧化，另一種是油在滴落過程中（油槽外）霧化。油霧化的有以下幾種原因：

（1）油槽內透平油隨著機組運轉溫度隨之升高，具備了霧化的可能。本電站水導溫度達51.8℃。

（2）本電站由于機組額定轉速較高（750r/min），高速旋轉的水導軸頸行成高速的環形油流，碰撞、產生油霧。

本電站試機過程中發現大量油霧從補氣裝置溢出，造成水機室嚴重污染。發現該問題后廠家提出加高補氣裝置，以增加油霧的行程而減少油霧溢出。整改后效果不佳。

本人認為在增加補氣管高度的同時，應在補氣管內設置隔板。這樣大大增加了油霧的行程，而且油霧在彎曲行進過程中與隔板碰撞而回落。水導軸承結構及改進后的補氣裝置詳見下圖。

2.1.3 噴針操作油管

由于本站機組水頭高，轉速也高，因此水輪機機殼及機墩震動較大。而噴針操作油管沿機墩及機坑進行門布置，噴管布置在機殼上。由于震動使噴針操作油管接頭拉裂，嚴重影響機組的安全運行。建議從機墩至噴針段改為高壓軟管連接，使該管段形成一定的自由度。

2.2 發電機及其附屬設備

2.2.1 機組動平衡

本電站單機容量較大，轉速高。因此機組的動平衡問題不容忽視。試機過程中2臺機都進行了配重，其中2號機配重3.2kg，1號機配重23.5kg。本站轉子軸和磁軛采用整鍛加工而成，因此制造廠在轉子制造過程中應該有把握控制機組的不平衡量，以減少現場的工作量。保證機組的安全穩定運行。

2.2.2 發電機上、下導瓦間隙

本電站發電機上、下導軸承由軸承座、軸瓦、調整螺釘及調整墊片等組成。

通常發電機導軸承軸瓦間隙采用抗振螺絲調整，本站導軸承軸瓦間隙采用調節調整墊片獲得所需油膜間隙，上（下）導瓦間隙設計值為0.1mm。具體結構見下圖：

在2011年5月17日1號機組配重完畢后進行空載試驗，測得上機架垂直振動值為0.005mm，水平振動值為0.01mm。22日進行1號機甩負荷（30MW）試驗后開機，空載運行時測得上機架垂直振動為0.015mm，水平振動值為0.06mm。停機檢查發現上（下）導瓦間隙變大，造成機組振動增大。上導瓦除+Y方向1塊瓦間隙未變外，其余都變大，最大單邊間隙為0.3mm。

因此當采用該種結構形式時，制造廠必須要有很高的加工精度，否則墊片數量增多時會影響墊片之間的緊密度，從而不能準確調整導瓦間隙，造成當導瓦受力增大時間隙發生變化，危及機組安全運行。

2.3 調速器及其附屬設備

2.3.1 調速器液壓控制系統

由于主機方面取消了噴針與折向器協聯，因此調速器對噴針及折向器分別設置獨立的操作系統，只有當頻率變化超過設定值時折向器投入。

2.3.2 噴針跳動

試機過程中發現1號機3#噴針跳動，跳動量達2%。經檢查發現，造成噴針跳動的原因是3#噴針返饋電位器及噴針接力器行程開關屏蔽接地存在電位差，使接地線之間形成環流，造成噴針跳動。經剪斷該處接地，保留電器柜端接地后噴針跳動消失。

3. 總結

隨著我國水電事業的發展，但沖擊式水輪發電機組無論是在理論研究及實際運行都比較欠缺。本人對龍勝縣南山水利樞紐工程南山一級橋岔水電站的調試過程中出現的問題與同行進行交流，使設備隱患消除在設計、制造階段，為今后設備安全穩定運行打下良好基礎。同時在設備調試過程中少走彎路，為設備早日投入商業運行創造條件。