明槽轴流定浆式水轮机性能衰减原因分析及改造对策

2014-07-10刘红军谢向东王闻通

江苏水利 2014年7期

刘红军谢向东宋佳韩猛王闻通

（江苏省灌溉总渠管理处，江苏淮安 223200）

1 工程概况

高良涧闸水电站建成于1995年8月，系利用闸两端空箱岸墙建成水电站，从闸上游翼墙引水至闸边孔出水，90°弯管进水流道，开敞式引水室平面呈非对称蜗形，肘形出水流道，见图1。电站采用ED760-LM-120型明槽轴流定浆式水轮机，EDJ-LM-120Z型硬齿面圆柱齿轮箱增速传动，SF123-6/590型立式同步发电机，见图2。

电站运行至2013年10月，平均累计运行10.46万台时，水轮机相对于1995年性能普遍显著下降，以3#水轮机为例，叶轮和转轮室间隙超过15 mm，转轮室磨损痕迹深度达1.2 mm，3.2 m设计水头下机组出力约减少30%。有研究表明，轴流定浆式水轮机轮缘间隙增加至15 mm时，额定工况出力下降29.7%［1］，设备检测数据和研究结论基本吻合。

图1 高良涧闸水电站进出水流道示意图

图2 高良涧闸水电站机组结构图

2 水流的影响分析

2.1 引水室对水流影响分析

开敞式混凝土引水室内的水流相对于导水叶位置可以分为三个区域，即：导水叶以下的滞水区、导水叶区域的环流区和导水叶以上的自由进水区。引水室平面呈非对称蜗形，主要作用是和导水机构形成一个适当的进入转轮的环量，使水流通过蜗壳的作用形成环流，再通过分布均匀的导水叶作用于转轮，激发转轮旋转；导水叶以上空间相对空旷，水流流速小、自由度大，部分水流不再顺着蜗壳从四周进入转轮，而是直接越过水轮机顶盖拐弯后进入转轮。开敞式引水室内蜗形鼻端不仅不能起到导水作用，反而起到阻水作用，鼻端后壁容易形成漩涡和涡带［2］，作用于转轮的水流在失去轴对称时就会产生一个不平衡横向力，引起转轮振动，导致水轮机效能降低。

高良涧闸水电站设计的引水室平面均呈非对称蜗形，1#-4#机组引水室均设有蜗形鼻端，因施工错误，1#、2#机组蜗形鼻端设置在水流方向左侧，导致环流和叶轮旋转方向不一致，后将1#、2#机组引水室蜗形鼻端予以拆除。偏心涡带是引起机组振动的主要原因，这与电站水轮机的实际损伤结果相一致，蜗形鼻端后导水叶振动明显大于其他部位，3#水轮机导水叶轴孔垂直水流方向最大磨损达12 mm。蜗形鼻端阻水和机组出力情况也相吻合，相对于岸墙位置1#和4#机组位于外侧、2#和3#机组位于内侧，两对机组进出水流道相近，区别仅在于有无蜗形鼻端。从图3可推算出，设计水头3.2 m下1#比4#机组出力高6.3%，2#比3#机组出力高10.7%，流道相近无蜗形鼻端机组出力明显高于有蜗形鼻端机组出力，因此，可以判断开敞式引水室蜗形鼻端是水轮机效能降低的主要因素。

图3 高良涧闸水电站机组水头特性曲线（1995～2002年）

2.2 进出水流道对水流影响分析

1#和4#机组进水端和出水端均位于外侧，水流顺畅，机组出力明显高于内侧的2#和3#机组（图3）。内侧机组上游进水流道直线段长度1.4 m，比外侧机组直线段少2.5 m，水流未经过充分调整，进入转轮的水流流态相对较差，影响机组出力，且出水端位于闸边孔内侧，机组尾水必须具备一定动能以克服出流阻滞［3］，也影响了水轮机的效能。

管理单位采用不平衡的优化闸门调度，在闸门安全开启高度内适当提高边孔闸门开启高度，降低边机组水流出口端水位，增加水头和增强水流动能，使水流自由度减小，在蜗壳的作用下环流增强，以提高水电机组功率，但功率提高至一定程度后，功率不再随边孔闸门开高的继续增加而增加［3］。

3 水轮机结构形式的影响分析

3.1 水轮机导轴承结构形式的影响分析

明槽式水轮机多采用水润滑橡胶轴承，高良涧闸水电站ED760-LM-120型水轮机选用的也是水润滑橡胶轴承。这种轴承要求以清洁有压水作为润滑水源，但由于开敞式引水室结构形式水流无法和导轴承分离，建造和运行维护清洁润滑水源都很困难，故明槽式水轮机水导轴承多数直接引用河水润滑。河水富含各种杂质，不可避免地使橡胶轴承快速磨损，导致主轴摆度变大，转轮与转轮室接触、碰撞和磨损［4］，运行一段时间后转轮间隙变大，容积损伤变大，机组出力下降。

3.2 水轮机顶盖等上部荷载传递方式的影响分析

ED760-LM-120型水轮机采用导水叶轴传递垂直方向荷载，采用拉杆传递水平方向荷载，导水叶轴辅助承担水平方向荷载，这种荷载传递方式需基于零件紧密的尺寸配合，故普遍适用于结构简单的明槽式水轮机。由于水流中紊流的存在、机械加工精度的偏差和蜗形鼻端产生的不平衡水平力，使导水叶常处于轻微振动状态，拆卸时发现转轮室导水叶轴孔普遍存在垂直水流方向磨损，而当导水叶轴孔磨损量超过轴台肩尺寸后，导水叶轴则不能传递上部荷载，水轮机上环和顶盖等上部结构直接压在导水叶上，将造成导水叶开关困难；随着导水叶轴约束减少和连接拉杆的钢筋磨损，承载水轮机水导轴承、顶盖等的水平受力体系逐步转变为在磨损范围内的几何可变体系，水平方向的位移将大大增加主轴摆度。

4 运行管理的影响分析

4.1 管理精细化水平的影响分析

机组出力绝大多数集中在理论出力附近，但也存在机组实际出力偏离很大的工况。受水情、工情和管理水平等因素影响，水轮发电机组低效率的运行方式客观存在。通过定量计算理论功率，对比现有功率，实时判别机组运行状态，避免机组低效运行尤为重要。

高良涧闸水电站依据机组水头特性曲线，将机组运行状态划分为高效运行区、合理运行区和低效运行区［4］，合理运行区包括了80%的机组出力状况。采用不平衡的优化闸门调度［3］可以将机组运行状态维持在合理运行区以上，当机组处于低效运行区时，分析具体原因并加以处置，可避免粗放管理的盲目性，减少机组低效运行，提高发电收益。

4.2 设备维修养护的影响分析

水轮机故障的发展是渐变的，是一个从量变到质变的过程。轴流定浆式水轮机特性曲线狭窄，对流量变化极为敏感，当转轮间隙增加到一定程度，有效流量大量减少将使转轮运行工况点远离其有效工作区域，出力急剧下降。1996年3#机组性能下降16%，详见表1，随后虽然经过多次维修，性能也很难完全恢复；2002年4#机组经维修后性能由87%恢复至92%。

设备维修是保持机组性能的重要手段，对机组进行维修势必产生维修成本并减少发电收益，故电站管理单位更重视损坏设备的维修，对机组性能缓慢变化和设备日常养护重视程度不足。然而机组出力下降造成长期的发电收益损失往往超过维修损失，因此，加强机组性能定量化分析、重视设备日常维护非常必要。