金安橋水電站主軸補氣裝置增加防尾水倒灌措施

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（金安橋水電站有限公司，云南 麗江 674100）

1 前言

金安橋水電站是金沙江中游梯級開發(fā)的第5個電站，位于云南省麗江市境內(nèi)，電站首期裝機2 400 MW，共4臺機，單機容量600 MW，水庫正常蓄水位1 418.00 m，校核水位1 421.07 m，相應(yīng)庫容8.47億m3，具有周調(diào)節(jié)能力。控制流域面積237 357.6 km2，最大壩高160 m，壩頂長度為640 m。電站運行時保證出力473.7 MW，年平均發(fā)電量110.43億kW·h，發(fā)電效益顯著，是國家“西電東送”戰(zhàn)略的骨干電站之一。

2 補氣裝置設(shè)計

為了減小水輪機在非最優(yōu)工況運行時，轉(zhuǎn)輪下腔真空引起的空蝕破壞和尾水管壓力脈動，金安橋水輪發(fā)電機組采用了主軸中心自然補氣方式，補氣閥位于發(fā)電機頂部上端軸上，當(dāng)轉(zhuǎn)輪下腔壓力小于設(shè)定值時補氣閥打開，外界空氣在大氣壓作用下進入轉(zhuǎn)輪下腔消除真空，保證機組安全穩(wěn)定運行。補氣裝置主要由主軸中心補氣管和端部補氣閥組成，其中主軸中心補氣管（Ф500 mm）經(jīng)過轉(zhuǎn)輪中心體、水輪機軸、發(fā)電機軸、轉(zhuǎn)子中心體、上端軸，至補氣閥；補氣閥主要由閥罩、閥蓋、支座、軸套、壓板（閥板）、閥座、緩沖器等組成（見圖1）。補氣閥是東方電機股份有限公司提供的油壓緩沖式補氣閥,該補氣閥采用液壓油作為緩沖介質(zhì),在緩沖器活塞的正反方向上各鉆制兩個節(jié)流孔,節(jié)流孔內(nèi)安裝彈簧及鋼珠，在該閥工作時,一側(cè)節(jié)流閥受力開啟,另一側(cè)節(jié)流閥回油,起到緩沖作用。機組運行中當(dāng)轉(zhuǎn)輪下腔壓力值達到補氣閥動作值時，補氣閥閥板向上打開對轉(zhuǎn)輪下部進行補氣，補氣結(jié)束后補氣閥閥板自重關(guān)閉。

圖1 補氣裝置結(jié)構(gòu)圖

3 金安橋水電站補氣裝置現(xiàn)狀及存在隱患

金安橋水電站補氣閥閥板安裝高程1 305.17 m，電站下泄流量（溢流表孔泄洪+機組過機流量）大于5 010 m3/s時，尾水位將高于補氣閥閥板安裝高程1 305.17 m。自投產(chǎn)以來，機組在汛期運行時，尾水位高于閥板安裝高程的情況經(jīng)常出現(xiàn)。在歷年機組檢修期間，發(fā)現(xiàn)在補氣裝置排水管及閥罩內(nèi)均有不同程度的水跡現(xiàn)象。

在下泄流量大于5 010 m3/s情況下，補氣閥安裝高程及機組運行尾水位決定了補氣閥不僅僅要承擔(dān)機組不穩(wěn)定工況區(qū)域內(nèi)運行時的補氣工作，且在停機時仍需承擔(dān)尾水壓力。一旦補氣閥故障關(guān)閉不到位、閥板密封損壞、閥板損壞等都會導(dǎo)致尾水倒灌，水淹發(fā)電機組，給電站的安全生產(chǎn)帶來極大的隱患。

4 補氣裝置增加防尾水倒灌措施選型設(shè)計及論證

4.1 防止尾水倒灌措施類別選型

目前國內(nèi)水電機組為防止尾水通過補氣裝置處倒灌，常采用的措施有傳統(tǒng)式（彈簧式）補氣裝置的閥板式密封止水、機械式浮球閥、增加檢修蝶閥等形式，考慮金安橋水電站已投產(chǎn)多年，大規(guī)模改造實施難度大、造價高等因素，根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用增加機械式浮球閥方式以防尾水倒灌。

4.2 補氣裝置增設(shè)機械式浮球閥工作原理

浮球閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)（見圖2）：水輪機補氣為負壓時，浮球下落于下端密封圈上，為補氣提供通路。補氣時空氣經(jīng)浮球閥上端密封圈→浮球閥底部補氣孔→進入水輪機補氣管道，機組正常補氣時浮球閥只為補氣提供通路。

機組停機時，當(dāng)尾水位高于1 305.17 m，水輪機補氣管道產(chǎn)生正壓水流上溢時，浮球隨水流上浮，當(dāng)浮球與上端密封圈的密封面緊密接觸時（見圖3），浮球在浮力的作用下與上端密封圈緊密接觸并具有一定的壓緊力。徹底切斷了水流的上溢通路，阻止水流的繼續(xù)上溢，浮球閥關(guān)閉時能可靠地切斷上溢的水流。

4.3 機械式浮球閥安裝位置選擇

機械式浮球閥安裝位置主要考慮安裝在原補氣閥下部和安裝在轉(zhuǎn)子中心體兩種方案。

4.3.1 浮球閥安裝在原補氣閥下部（機頂）方案

（見圖4）

浮球閥安裝在補氣裝置下部，安裝、檢修方便，無需吊風(fēng)罩及補氣管，只需將補氣裝置吊開后，即可進行檢修維護；此結(jié)構(gòu)須將補氣裝置抬高約300 mm，即密封擋水環(huán)高度增加300 mm，密封擋水環(huán)高度增加后，即使在雙重保險（補氣閥、浮球閥）全部失效后，在排水管滿足排水條件下，也不會發(fā)生水淹機組事故，與安裝在轉(zhuǎn)子中心體對比，造價略高。

圖2 機組正常運行時浮球閥狀態(tài)

圖3 機組停機時，尾水位高于1 305.17 m浮球閥止水狀態(tài)

圖4 浮球閥安裝在補氣裝置下部結(jié)構(gòu)圖

4.3.2 浮球閥安裝在轉(zhuǎn)子中心體方案介紹

圖5 浮球閥安裝在轉(zhuǎn)子中心體示意圖

浮球閥安裝在轉(zhuǎn)子中心體位置，可以有效減小上端軸內(nèi)磁極引線產(chǎn)生冷凝水珠，但是安裝在轉(zhuǎn)子中心體內(nèi),其安裝高程是1 297.80 m，低于4臺機發(fā)電設(shè)計最低尾水位1 299.41 m，機組處于停機狀態(tài)時，浮球閥持續(xù)處于工作（受力）狀態(tài)，會減小其使用壽命，且安裝、檢修維護極為不方便，須將補氣裝置及浮球閥以上的補氣管路、發(fā)電機風(fēng)罩等吊開后方能進行檢查、維護。

綜合對比，針對浮球閥安裝位置，在補氣量滿足要求的情況下，從安裝、檢修維護等綜合考慮，安裝在補氣裝置下部利大于弊，因此將浮球閥安裝位置確定為補氣裝置下部。

4.4 浮球閥補氣通徑核算

機組所需補氣量受出力、水頭、汽蝕系數(shù)等多種因素影響，難以精確計算；考慮在原設(shè)計時已進行設(shè)計核算，且經(jīng)過四年多的實踐檢驗，轉(zhuǎn)輪葉片根部及其他部位未發(fā)生超過25 mm以上的貫穿性裂紋，補氣效果比較理想，DN 500的補氣管路足以滿足機組運行補氣量；本次設(shè)計增加的浮球閥，其最小過流面積發(fā)生在浮球與殼體內(nèi)側(cè)，對此進行校核，其額定通徑不小于DN 500即可。

D——最小過流面積的當(dāng)量直徑；

A——浮球閥殼體內(nèi)徑，864 mm；

B——浮球閥球體外徑，650 mm。

結(jié)論：新增浮球閥補氣通徑大于DN 500，滿足機組運行期間的補氣需求。

5 補氣裝置新增防尾水倒灌措施實施

根據(jù)浮球閥安裝位置選型，在原補氣裝置下部增加浮球閥后，其高度已不能滿足需求，需要對閥罩蓋板做相應(yīng)的增高處理，并對擋水環(huán)做相應(yīng)加高處理。需要做的改進：①在原補氣裝置下部（即上端軸端部）增加浮球閥；②加高原擋水環(huán)300 mm；③加高閥罩端部蓋板接長環(huán)；④自動化元器件回裝等。

6 結(jié)語

從2015年汛前檢修開始，金安橋水電站對四臺機組的補氣裝置陸續(xù)進行了相關(guān)改造，即增加浮球閥防止尾水倒灌，經(jīng)過五年多的運行（至2020年），通過檢修時查看浮球閥狀態(tài)，球體擋水痕跡明顯，消除了可能產(chǎn)生的尾水倒灌帶來的水淹發(fā)電機組風(fēng)險。同時機組改造涉及的部件少，在理論計算上，未減小原補氣通道的直徑，滿足機組運行期間的補氣需要且未影響機組的整體布置，解決了在下泄流量大于5 010 m3/s情況下機組停機時尾水倒灌的風(fēng)險，同時減輕補氣閥閥板的承壓狀態(tài)，為設(shè)備安全穩(wěn)定運行起到了可靠的保護作用。