冲击式水轮机喷管防护问题研究

李 郑

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明650032）

1 电站概述及主要参数

1.1 概述

Coca Codo Sinclair科卡科多辛克雷（简称CCS）水电工程位于南美洲厄瓜多尔国东北部Napo省与Sucumbios省交界处，首部枢纽位于Quijos和Salado两河交汇处下游，距首都基多公路里程约130 km。

CCS工程属EPC项目，业主方为科卡科多辛克雷水电股份有限公司；承包方为CCS联营体（由中国水利水电建设集团国际公司与中水第十四工程局有限公司组成），总投资约20亿美元，其中，工程由CCS联营体承揽电站设计、进口成套设备及材料供应，中水第十四工程局有限公司全面负责电站建设及代运行培训，最终移交业主商业运行等一系列具体实施工作。

主机及附属设备（调速器）制造协作总包方：哈尔滨电机厂有限责任公司，其合作分包方：安德里茨、武汉三联水电控制设备有限公司。

协作设计方：黄河勘测规划设计有限公司。

咨询方：ASOCIACIÓN CFE-PYPSA-CVA-ICA（墨西哥咨询联合委员会）。

CCS电站地下厂房安装有8台套单机容量为205 MVA的水斗式水轮发电机组及其附属设备（包括调速器、励磁系统、进水球阀等）。8台发电机通过13.8 kV离相封闭母线连接8组升压主变压器。主变高压侧通过500 kV GIS管道母线引至主变室上方的SF6开关站。500 kV GIS设备采用双母线接线，包括8个进线间隔，2个出线间隔。2条500 kV电缆出线回路由电缆洞引至500 kV地面出线场。

工程开发的主要目的为满足厄瓜多尔国内持续快速增长的电力需求。根据该国2010～2020年电力规划，该电站装机容量占国内总装机容量的1/3左右。CCS电站在投运初期为系统内装机最大的电源，同时厄瓜多尔国网正在把现有的230 kV电压等级改造升级为500 kV等级的电网，此电站8台机组投产后，将成为国网主力电源。

1.2 水轮机、调速器主要参数

水轮机型式：立轴单转轮水斗式六喷嘴型式，与发电机主轴直接连接，俯视顺时针方向旋转。调速器控制喷针和折向器。

水轮机型号参数：CJ（X）-L-328/6×26.5；

额定水头604.1 m；额定流量34.7 m3/s；额定效率91.56%；额定转速300 r/min；

额定比转速44.19；喷嘴数目6；水斗数目21；水斗节圆直径3 280 mm；

射流直径265 mm；额定出力187.5 MW；最大出力192.85 MW。

1.3 调节系统的基本参数

（1）喷针接力器动作时间

全 关 闭 时 间 20～180 s，可 调；全 开 启 时 间20～180 s，可调。

（2）折向器接力器动作时间

全关闭时间2～3 s，可调；全开启时间2～3 s，可调。（3）额定操作油压：6.3 MPa。

（4）飞轮力矩：发电机 GD2 ≥ 6 000 t·m2。

2 水轮机、喷管结构及性能保证简述

水轮机为立轴六喷嘴水斗式水轮机，与发电机轴直接相连。水轮机由稳水栅、尾水坑里衬、配水环管、机壳、喷管总成、转轮、主轴、导轴承、补气装置、机坑里衬和基础埋件等组成。

喷管总成含喷嘴口环、喷嘴、喷管、喷针、偏流器、喷针接力器（含位移传感器）及偏流器接力器（含位移传感器）等。喷管采用直流内控式，油控油操作，控制机构设在喷管内，各喷嘴应以相同的开口和其他喷嘴并列同步投入运行，也可单独投入运行。各喷嘴和各折向器之间没有杠杆联系，全部用油压直接控制。整个行程范围内喷针具有水力自关闭能力。正常工作油压等级为6.3 MPa。喷针接力器内设有平衡弹簧，在调速器油压系统失压时，在运行水头范围内，喷针具有从全开到全关位置的自关闭趋势。

喷管用法兰和配水环管连接，中间设有调整法兰，调整法兰随喷管供货，以便微调射流方向和位置，调整固定后能保证长期不变。

当相邻喷管的折向器（从上往下看顺时针，上一个喷针对下一个影响最大）在投入或过渡工况、飞逸工况下的高速射流会直接打在喷管上，喷管上设有坚固的挡水板保护喷管不受冲蚀，从挡水板反射出来的水流不应再冲到转轮上。

图1 喷管总成示意图

喷针、喷嘴口环采用Gr CA-6 NM/Cr13 Ni4/或相同或类似材质制造。喷嘴口环、喷针头表面喷涂抗磨涂层。每个喷管都设有一个折向器。折向器的切水刀板采用不锈钢铸钢CrNi13-4或相同材料。每一个折向器都有一个独立的接力器操作。折向器在正常运行时不和射流接触。喷针和其接力器在强度和结构设计上，满足任何工况下不发生喷针折断或失控（包括弹簧失效）而使喷嘴突然关闭引起非常水锤的现象。喷嘴总成可在机壳内整体下拆，喷管上设有起吊螺栓。

CCS11-TUR-2400喷管总成三视图见图2。

图2 喷管总成三视图

3 1号机甩负荷100%时喷管总成所出现问题过程、对比、解决方案

3.1 事件过程

现将CCS电站1号机调试试运行甩负荷100%时喷管总成所出现几个问题，加以陈述如下：2016年3月10日上午，CCS电站1号机组进行100%甩负荷试验过程中，喷嘴发生故障，停机后，打开转轮室进人门，检查发现:①2号、6号直流喷管传感器电缆外套管被冲断，电缆断掉并裸露在外；②3号喷管控制管路（漏油管路）被冲断，其余漏油管路均被水流打弯；③折向器位移传感器引出电缆外套管被冲蚀进水，致使到监控、调速器的位移反馈量漂移不正确，或电缆绝缘下降或短路，致使喷嘴传感器控制电源短路而跳开小空开失电，这时输出最大，显示100%（实际喷嘴没有全开）。

噴针出现故障过程的相关参数曲线如图3：

故障前、中、后的相关参数变化情况剖析陈述如 表1。

表1 故障前、中、后的相关参数变化情况

3.2 对比

对比一：

通过比较（图4）发现：CCS水电站喷管的分水板设计面积小，而其他项目直流喷管上的分水板覆盖面积大许多，特别对分水板进行了延长，将漏油管隐藏在分水板内，保护喷管漏油管。

图4

图4 左侧为：××水电站喷嘴；右侧为：CCS水电站喷嘴

对比二：

CCS水电站的折向器的刀板结构形式与其他项目电站有所不同，CCS水电站的刀板出口为四边形，而其他电站的刀板出口处为圆形；圆形刀板出口的折射水流为圆柱形，CCS刀板出口折射水流为扇形发散状。

图5

综上所述分析，原因是：由于刀板的结构形式，有部分水流没有经过分水板，这部分水流直接撞击电缆套管、漏油管的管路，再者，喷管上的分水板覆盖的面积比较小，没有达到设计的分水效果，导致管路破坏。

3.3 解决方案

（1）漏油管过长改造

漏油管出喷管弯至背向水流方向，在水流来侧焊接面向水流来向的角钢以保护漏油管；漏油管连接至机壳壁附近汇合后接出机坑（见图6）。

图6

（2）喷管传感器护套管防护所采取的措施

在水流来水侧用75 mm×75 mm角钢焊接在喷嘴外侧面及护筒上（注意：焊时要用隔热垫防护传感器护管及护筒，以免高温传至护套管损伤传感器导线绝缘）。

图7 喷管传感器引出电缆护套管加防护角铁后照片

（3）传感器防护

用环氧树脂浇灌的传感器防护口图片见图8：

（4）故障事故分析后，调速器及监控厂家进行程序优化：①调速器严重故障后，不走喷嘴与折向器协联关系，并将原来的喷嘴开度为0时，折向器开至63%（默认）这条取消；②调速器在失去喷嘴位置传感器信号（或故障）导致调速器严重故障时，折向器不能再次打开，并瞬时全关；③机组紧急事故停机流程，调速器、球阀关闭不受现地、远方控制方式的限制。

图8 用环氧树脂浇灌的传感器防护口

流程优化完善修改之后，再次进行流程模拟联动试验，试验动作正确。

2016年3月19日，1号机组再次开机进行甩负荷试验，甩100%负荷时的调速器折向器、喷针及转速参数变化数据符合设计要求，其曲线如图9。

4 结束语

图9

由于海外工程路途遥远（上万公里），设备运输周期长（海运至少3个月），在安装、调试试运行的各个环节中一旦遇到源头上的设计问题，现场很难尽快解决。这就要求我们的设计单位及制造商、总包商在国内设计联络会、生产制造阶段严把审核关。如CCS水电站，其水轮机转速高、水力流速快、水力流线复杂，而水轮机及其调速器系统涉及到机、电、电子、液几个部分，这对设计、制造方在各环节、厂方接口及所选配件，特别是对折向器刀板结构形式、喷管的分水板覆盖面积等应重点探讨，这些问题涉及到传感器、控制油管路的防护要求，应格外关注。避免产品运到海外，造成负面影响。