天花板水电站水力机械设计

2011-04-14郭喜兵李仕宏

水力发电 2011年6期

关键词：油压水轮机厂房

郭喜兵，李仕宏

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

天花板水电站为混合式开发，主要由碾压混凝土拦河拱坝、引水系统、岸边式厂房等组成。电站安装2台90 MW混流式水轮发电机组。本工程等别为三等工程，工程规模为中型。电站以发电为主，电力送入云南电网。

1 主机设备选型及特点

1.1 水轮机

1.1.1 水轮机的选型及主要参数

本工程对机组台数，2×90、3×60 MW 和 4×45 MW 3个方案进行了比选。比较认为，在技术上无限制性因素，但在工程总投资上和枢纽布置上2台机方案具有明显的优势，能满足电站运行要求，投资较少，且日常运行维护较方便，最后确定为2台机方案，单机容量90 MW。

天花板水电站除了担负系统中调峰和用电需求外，还需要满足运行要求。这就要求水轮机有较高的效率、较宽的高效率区、良好的抗空蚀性能和水力稳定性。在对国内水头容量相近的水电站资料分析及向厂家咨询的基础上，结合本电站运行条件要求，最终确定了立轴混流式水轮机，俯视顺时针旋转，水轮发电机组采用两根轴结构。其主要参数为：水轮机型号HLD294A-LJ-340，最大水头107.43 m，额定水头89 m，最小水头84.63 m，额定出力92.3 MW，额定转速214.3 r/min，飞逸转速410 r/min，额定流量116.2 m3/s，额定工况效率91%，旋转方向俯视为顺时针，蜗壳包角345°，吸出高度-3 m。

1.1.2 水轮机的主要结构特点

（1）转轮采用0Cr16Ni5Mo不锈钢材料制造，叶片采用VOD（真空吹氧脱碳）精炼。转轮的上冠和下环设有止漏环，上冠设有梳齿。转轮上冠设有转轮泵，并充分利用止漏环的漏水作为机组技术供水的辅助水源。

（2）主轴采用中空锻焊式结构，主轴的水机端法兰为外法兰结构，发电机端法兰也为外法兰结构。主轴与转轮靠摩擦传递转矩。

（3）主轴密封装置设置在导轴承下方，主轴穿过顶盖的部位，采用无接触密封，不需要水润滑。

（4）蜗壳外设弹性垫层，蜗壳材料为Q345C钢板。

（5）顶盖上设置铜基石墨自润滑导叶轴承和导叶轴颈密封。其上设有梳齿止漏环，材料均采用0Cr13Ni4Mo。

（6）为了使水轮机在导水叶部分开启状态下稳定运行，在发电机上端设置中心补气装置。补气管通过轴系内孔延伸至转轮上冠出口，补气管通径DN250。

1.2 发电机型号及结构特点

1.2.1 发电机主要参数

发电机型号SF90-28/6800，额定容量102 857 kV·A，额定功率90 000 kW，额定电压13 800 V，额定电流4 303.2 A，额定功率因数0.875（滞后），额定频率50 Hz，额定转速214.3 r/min，飞逸转速410 r/min，励磁方式自并激静止可控硅励磁，旋转方向俯视顺时针，效率98.1% （保证值），转子转动惯量 GD25 500 t·m2。

1.2.2 发电机结构主要特点

（1）本发电机为立轴悬式结构，并具有上、下导轴承。推力轴承位于上机架之上部，与上导轴承分开，单独使用1个油槽。

（2）发电机冷却方式为密闭自循环空气冷却，空气冷却器采用铜质穿片式冷却器。冷却器按0.5 MPa的最大水压设计。

（3）发电机转子由中心体、磁轭和磁极组成，转子采用无风扇结构。转子轮毂采用ZG20SiMn。

（4）发电机制动方式为机械制动。当机组转速降至额定转速的20%～30%时，通入压力为0.5～0.7 MPa的压缩空气进行连续制动。

（5）发电机消防采用水喷雾灭火方式，灭火环管分别布置在发电机定子线圈的上下两端，上下分别设有满足定子、转子线圈消防的喷雾头。

（6）本发电机分别在上、下导轴承油槽与推力轴承油槽的上、下端设置了防油雾装置。

1.3 辅助设备

1.3.1 起重设备

（1）主厂房桥机。机组安装时主厂房内吊运的最重件为发电机转子，质量约280 t，加上起吊工具和平衡梁，最大起吊质量约为290 t，选用1台2×1 600 kN电动双梁双小车桥式起重机，跨度19 m。

（2）GIS桥机。在主变开关楼GIS内设有1台LDT型1 00 kN电动单梁桥式起重机，跨度12.5 m。

1.3.2 进水蝶阀

进水蝶阀为双平板、双偏心的通流式，设液压操作的卧轴式活门，工作为硬橡胶软密封，检修密封为金属硬密封。蝶阀通过上、下游延伸管段和伸缩节与压力钢管和水轮机蜗壳连接，伸缩节放置于进水阀的下游侧，开启、关闭时间在90 s内完成。

进水阀型号为PDF120-WY-430，设计压力为1.6 MPa。油压装置型号为4 300 YYZ-3，额定工作油压为16 MPa。

1.3.3 调速器

本电站在系统中担任调峰等作用，因此要求其调速器稳定性好、灵敏度高，调节品质优良、精度高、动态性能指标良好。最终，选用的调速器为数字式微机型WB（L）T-80-6.3调速器，机电分柜、导叶单调节方式。

调速系统额定操作油压6.3 MPa，操作用油为L-TSA 32透平油。油压装置型号为HYZ-2.5-6.3。

2 辅助系统设计介绍

2.1 技术供水系统

机组技术供水采用减压自流供水方式，供水对象为机组各轴承冷却器、发电机空冷器和主变冷却器；顶盖供水作为备用水源。

机组供水以压力钢管减压供水为主，为了简化供水系统管路，顶盖供水直接接入空冷器进出水总管上，当顶盖供水不满足水压、水量要求时，直接排入下游尾水。技术供水系统取水口设2个，分别自每台机组的压力钢管取水，形成全厂技术供水高压总管。

2.2 厂内检修渗漏排水系统

（1）检修排水系统。设置2台检修排水深井泵，同为工作泵。因水泵排水管管路较长，在水泵出口设有排气阀和泵控阀，并适当加大排水管管径，有利于减小水击压力对管路和设备的危害。

（2）渗漏排水系统。水力机械辅助系统防震设计的重点是厂房渗漏排水系统。当地震发生时，厂房设备有可能被损坏，水系统管路可能被破裂而导致漏水，厂房水工建筑物漏水也可能会增加，因此应适当加强厂房渗漏排水系统排水能力。在不增加厂房尺寸的前提下，渗漏集水井有效容积设计尽量大，排水设备选用3台深井泵（2台工作，1台备用）。另设1台潜水排污泵，作为集水井清淤用，特殊条件下作为排渗漏水备用泵。

2.3 大坝排水系统

电站首部大坝设有大坝渗漏集水井及排水泵房，设2台渗漏排水井用潜水泵，1台工作，1台备用。井内设1套浮子式水位计、1套压电式水位计，互为备用。水泵排水排至下游河道，水位信号送至大坝值班室。

2.4 中压气系统

中压气系统的供气对象为2台调速器油压装置，供气压力为6.3 MPa。由于蝶阀油压装置采用蓄能罐型式，故中压气系统只为调速器油压装置提供气源。根据用气设备要求，选用2台活塞式空压机，1个V=2 m3，PN=7.0 MPa的中压储气罐，储气罐设计压力为7.5 MPa。

2台空压机工作方式为1台工作，1台备用。每台空压机还具备自动、手动、停止等操作方式，可任意选择，并有相应位置的信号输出。

2.5 低压气系统

低压气系统主要供气对象为机组制动、检修和水轮机主轴密封用气，最大工作压力为0.8 MPa，储气罐设计压力为0.88 MPa。机组制动按1次压气设计，适当留有余量。为增加机组制动供气可靠性，把检修贮气罐的供气口与制动贮气罐供气口相连接，管路之间设止回阀，使检修气罐成为制动气罐的备用气源。选用2台低压螺杆式空压机，设1个3 m3制动储气罐、1个3 m3的检修储气罐。

2.6 油系统

（1）透平油系统。本工程单台机组透平油用量约18 m3，主要供给机组推力、下导、上导、水导轴承以及油装置用油。

（2）绝缘油系统。由于天花板水电站交通较为方便，考虑暂不设绝缘油库，但保留所有绝缘油所需设备。

2.7 水力监测系统

水力监测系统主要分为两部分，全厂性测量和机组段测量。

（1）全厂性测量。本电站设置了上游水位、电站毛水头、下游尾水位和拦污栅压差的监测。

（2）机组段量测包括：顶盖压力测量，尾水管进口压力测量，肘管进口压力测量，尾水管出口压力测量，水轮机有效水头，蜗壳进口压力测量，蝶阀前压力测量，机组震动和大轴摆度测量。

2.8 消防供水系统

（1）主要机电设备消防供水对象。消防供水系统主要供2台发电机、2台主变消防用水及厂内外建筑消防用水，发电机消防和主变消防用水采用水喷雾灭火方式。

（2）消防水源。本电站在1 020 m高程3号施工支洞口设有370 m3消防水池。在引水隧洞放空后，尾水渠内水体为电站可靠水源，故消防水池的补水必须从尾水渠取水，用水泵加压后进行补水。从水池引两根DN250管路至主厂房消防供水总管，形成环路，分别供主厂房、副厂房建筑消火栓用水和发电机、主变压器水喷雾灭火用水。