灯泡贯流式水轮机运行稳定性分析研究 (1).pdf

292 EPEM 2023.7 下电力装备Electric Equipment灯泡贯流式水轮机运行稳定性分析研究江西赣能股份有限公司居龙潭水电厂 江小金摘要：由于自身特点以及水力条件的制约，对贯流式水轮机的整体水利结构和电气提出了更高的要求。本文结合实际工作研究，探讨了灯泡贯流式水轮机日常运行稳定性的关键技术。关键词：灯泡贯流式；水轮发电机；稳定性进入21世纪之后，贯流式水轮机的装机量持续提升，因其属于新型机组，对于发电机组的日常运行管理和维护工作来说尚未形成较为统一和完善的标准，基本上是依据运行维护经验丰富的混流式水轮机的相关规程实施运行管理。因为灯泡贯流式水轮机组成结构相对特殊，对日常运行稳定性提出了更高的要求，尤其是对水轮发电机组的检修相对于其他机组而言工作量更大。1 灯泡贯流式水轮机结构与安装1.1 灯泡贯流式水轮发电机组基本结构目前，运用较为普遍的灯泡贯流式水轮机结构为卧式，水轮机组以及发电机组各自传动系统处在同一转轴之中，称之为主轴，该主轴两旁设置了转轮与转子，其主要实现功能是保障二者的持续稳定运行。另外，在贯流式水轮机处于实际运行状态时还包含了发电机轴承、水导轴承以及推力轴承，相关作业人员在进行日常管理的过程中应当把主轴予以固定，确保其运行安全性，让水轮机组和发电机组可处在正常运行状态。发电机组往往设置于密闭的灯泡体之内，其可有效维护水轮发电机处在稳定安全的状态，日常管理时要注意确保灯泡体内部空气干燥，避免发电机组发生腐蚀等现象。对于水轮发电机组的安装环节来说，应当在机组下方设置管型座以及泡头支撑，其实现功能是承担水轮发电机组自身重力。除此之外，在水流动状态下必然会形成一定的推力以及浮力，上述作用力借助于水轮机传输到管型座抑或是泡头支撑，管型座下方连接混凝土，发电机组自身重力以及运行时产生的其他力，可通过管型座直接传导给混凝土基础1。1.2 灯泡贯流式水轮机管型座安装对于灯泡贯流式水轮机而言，管型座表现出十分关键的作用，对管型座实施安装以前需要保障作业现场的清洁，混凝土基础进入养护期，同时作业现场提前准备相应的工具设备。作业人员对基准点进行准确测量，严格检查核对混凝土支撑的具体方位和高程。管型座实际安装过程中，作业人员应当提前确定好具体的安装位置，同时需要于对应位置埋设基础板，有效提高支座自身承载性。管型座安装作业结束以后应当结合水轮机尾水管具体运行数据，将管型座的位置予以微调。比如，可结合管型座下游组合面和尾水管法兰中留下的标记+y、+x、-y、-x 测量点，架设管型座以及尾水管的 X/Y 轴线，选择全站仪或者经纬仪等设备，对管型座和尾水管同心度予以检测，如此便能够更加准确地了解到管型座与定子在组合面的垂直度，合理控制其具体方位，对高程进行有效调整。若管型座内的测量点相对之前出现显著下降，代表管道座并未完全稳定进行加固，安装过程中可能出现缺陷，管型座与基座相互没有牢固连接，抑或是管型座安装支撑稳定性不足2。管型座顺利进行安装后应当在附近进行固定支撑，能够采取焊接的办法进行，焊接环节中作业人员应当控制好焊接温度，确保焊接作业质量，不断提高管型座的安装质量，从而保证灯泡贯流式水轮2023.7 下 EPEM 293电力装备Electric Equipment机能够持续稳定运行。2 灯泡贯流式水轮机日常运行稳定性的关键技术2.1 不断优化设计选型、试验手段设计选型在一定程度上关系到其运行水力性能。随着现代技术的发展，CFD 技术及模型试验法近年来在国内大多数灯泡贯流式水轮机的设计选型中予以广泛推广应用，借助于模拟分析可以更加准确地掌握转轮以及通流部件实际水力性能，从而更好地对过流部件予以优化，促进其运行性能不断提升。在设计选型和试验过程中须注意以下几点内容。关注和重视叶片设计，结合实际需要制定有针对性的流动计算标准；叶片出口位置曲率变化应当维持稳定，确保压力以及流速能够均衡分布，防止存在逆压梯度而出现二次流问题；合理控制叶片进水方向的设置角度，确保叶片扭角保持合理，避免其进水方向背面产生脱流而对实际运行带来较大影响，在此基础上合理提升叶片出口段厚度，优化抗汽蚀性能。通过各种方式对灯泡贯流式水轮机转轮和空化性能予以提升。叶片处于不同转角状态下，借助于和活动导叶进行联合计算，确保进出口边界环境的稳定，如此才可以保障叶片更好地对流速和压力进行分散，确保整个发电机组可以处在更加稳定的运行状态；转轮以及尾水管需要联合计算，以保证得到最佳水力匹配，让水轮机整体水力性能有所保障。现阶段，灯泡贯流式水轮机设计得以不断优化，但在实际运行过程中依旧还表现出一定的问题，比如说因为转轮设计和实践经验还有待进一步积累和研究，几何设计标准与 CFD 流动计算指标尚未完全统一，试验水头段难以完全覆盖等，上述问题是未来在进行设计研究过程中必须予以重视和解决的，应根据工程实践需求对其进行不断优化与提升3。2.2 掌握机组大部件强度及动力特征，重视疲劳破坏灯泡贯流式水轮机处于实际运行状态下，灯泡体不单单需要承担来自机组的重力，还会因为浮力、水推力、转动力矩等相关载荷而受到影响，可以说实际受力情况较为复杂，同时水轮机组仅仅是由座环处的支持体予以支撑，对水轮机组自身强度和受力带来了很大的挑战。现阶段，必须充分关注和重视的问题是对主、辅支持体支撑受力以及预紧力展开全面分析，同时还应当深入研究灯泡体处于水下状态时受力可能带来的影响，转子、定子处在各种运行环境时的形变，水轮机振动模态以及轴系临界转速等也应当引起重视，以及转子支架刚度分析等相关工作。贯流式水轮机自身结构设计的过程中可能会产生一定挠度，每次旋转之后会产生弯曲应力，在这一状态下大轴需要承担因为转子重量产生的弯矩，因此灯泡贯流式水轮机疲劳破坏相对于立轴机组更加显著，疲劳损伤通常来说往往出现在主轴法兰底部区域、连接螺栓和销套附近，上述区域设计应力需要控制在相关材料的许用应力之内，从而让结构具备充足的安全系数。同时，灯泡贯流式水轮机的焊接结构相对较多，尤其是针对主要支撑结构而言涉及很多焊接作业，如果焊缝出现超标缺陷必然会对其自身疲劳强度带来较大影响，也会对未来机组实际运行稳定性和安全性带来影响。因此，应当充分关注焊接区域的疲劳强度，建议在当前已有技术工艺的前提下对焊条材料予以逐步优化，尽可能消除焊接应力，开展好缺陷检查工作。不锈钢因为屈服强度相对较高，现阶段在灯泡贯流式水轮机设计过程中得以广泛运用，较为普遍的型号包括 Q235、Q345等，但因为水下疲劳极限不高，如 Q235水下疲劳强度为180MPa，因此水下部件设计应力需要保持在100MPa 之内。2.3 明确发电机组安装技术难点，制定应对措施灯泡贯流式水轮机实际安装环节中必须注意的关键环节在于吊装与焊接变形；相关部件轴承间隙的控制。针对一部分大型灯泡贯流式水轮机大件吊装作业，即便目前已经较为普遍地运用专门的吊装设备予以加固，然而由于吊装过程中存在较大的滞空时间，容易出现塑性变形的情况。吊装可能出现塑性变形情况的主要有导水机构、座环以及尾水管里衬。为有效防止吊装变形问题，正式吊装开始前需要制定完善且合理的起吊和加固作业计划，相关工序之间要保持密切衔接，尽可能减少大件的滞空时间，同时通过有针对性的解决手段，例如吊装作业时通常应把导叶防止在全关位，把导叶轴承沿轴向外环位置进行拉紧，让导叶外部能够和导水机构外环内壁保持紧密连接，随后应当在二者之间的缝隙位置预留楔子板，作业人员采取电焊的方式进行焊接，将搭板与旁边导叶进行连接。吊装作业完成之后应当根据既定流程对相关设备进行拆除；对于有效避免大件出现焊接变形的现294 EPEM 2023.7 下电力装备Electric Equipment象，现阶段较为普遍的方式是对称、分布以及退步焊接等处理方式。灯泡贯流式水轮机轴承间隙进行控制的过程中需要充分结合静止、充水以及运行状态下可能出现的各种情况，合理控制轴向轴承的间隙。水轮机组轴承间隙实施调控时应当获得更加准确的挠度数据，由于水轮机组处在流道之内，容易因为浮力作用影响，必须充分联系灯泡头与发电机定子抬头、转轮上浮以及下沉变形等相关情况；对于正反向推力轴承进行调整的过程中也应当在定、转子平均磁力中心线符合规定标准后实施4。2.4 提高桨叶操作机构稳定性，优化协联关系桨叶操作机构一般来说包含了受油器与执行机构，其自身稳定性在一定程度上关系到水轮机组的安全稳定运行。近年来，灯泡贯流式水轮机组在实际运行过程中出现了受油器窜油、操作油管损坏以及浮动瓦磨损伤等相关问题，分析其影响因素通常集中在供油以及排油管使用整体浮动瓦，如果主轴出现较大幅度的摆动，浮动瓦自身灵活性降低，导致浮动瓦与操作油管存在较大间隙，间隙太大可能导致出现窜油现象；在进行初期设计过程中有很多贯流式水轮机转浆运用塞动结构，活塞直接作为操作架进行使用，选择卡环与活塞杆将其实施连接，同时存在二道铜瓦支承，在轮毂中心体重复运动，受到活塞自重与实际生产、装配等过程可能存在的影响因素，可能导致铜瓦下方出现较为严重的磨损，导致活塞和缸体之间的间隙降低，出现硬性接触干磨，从而让缸体受到损坏。为有效处理好相关问题，在实践工作中逐步总结经验，可将受油器选择两道浮动瓦结构，转浆执行机构选择缸动结构，促进其随动性以及灵活性增强。未来，针对灯泡贯流式水轮机桨叶操作机构进行设计的过程中，还需要持续优化和结构设计，对相关材料和制造工艺予以更新升级，不断促进运行稳定性提升。灯泡贯流式水轮机自身所表现出的运行效率高且水力性能好等优势，其重点是桨叶和导叶相互的协联关系。即便在设计环节能够开展模型试验，但无法准确呈现出实际情况，水电站需要尽量选择较为典型的水头以及不同运行工况实施真机试验，对协联关系予以调整和修正，同时实际测试不同运行工况下的最佳协联点，得到综合运行指导图，实现对水轮机组的科学运营管控。2.5 充分运用现代运行管理技术现代化管理理念和管理技术，是促进灯泡贯流式水轮机运行稳定性不断提升的关键所在，对电站机组实际运行的各个环节实施科学有效管理，能够显著提升日常运营管理作业质量。现阶段，较为广泛运用的现代运行管理技术主要指的是打造安全管理信息系统、日常运行管理系统、缺陷管理系统以及水轮机组运行异常预警系统等，借助于现代信息技术的支持能够帮助工作人员实时了解整个电站机组的运行状态，第一时间发现异常现象并做好有针对性的处理。同时，要不断推进日常维护检修工作的标准化、规范化和现代化，构建完善的风险管控机制，贯彻落实安全责任制，积极开展好水轮机组的日常检修，建立运行维护台账，坚持定期组织开展电站机组运行工作研讨会，通过反面案例等方式来增强作业人员的安全意识和责任意识5。另外，还应当对电站监控系统予以更新，借助于大数据、云计算以及人工智能等，确保电站日常运行管理科学化、智能化水平不断提升，让灯泡贯流式水轮机的自动化运行监测效率得以提高。监控系统中还能够集合电力系统调度自动化、水情自动监测等模块，确保机组的持续稳定运行。3 结语除本文中所提出建议外，还需注意如下几点：首先是确保高水头运行，促进水轮机运行效率不断提升；其次应当真正了解到不同时段、不同水量可能对灯泡贯流式水轮机稳定运行带来的影响，全面掌握不同情况下机组的实际运行状态，制定有针对性的运行管理措施；最后应当在实践中善于观察、认真分析，促进水电站运行效益不断提升。参考文献1 刘孝皎,余以明,等.灯泡贯流式水轮发电机推力轴承受力调整 J.现代制造技术与装备,2021,7.2陈美娟,刘旸,等.灯泡贯流式水轮发电机组管型座设计特点 J.红水河,2020,4.3王波.国内在建最大灯泡贯流式水轮发电机组群首台机组并网发电 J.能源研究与信息,2020,2.4 付雪辉.灯泡贯流式水轮发电机组常见故障分析及处理 J.广西电业,2019,3.5张方庆.灯泡贯流式水轮发电机润滑油系统可靠性设计 J.水电站机电技术,2019,3.