大型引调水工程环保型水轮发电机组设计

张树存，谢丽华

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

1 工程概况

浙江省某大型引调水工程是重大供水工程和民生工程。能源回收电站作为本工程的一个子工程，布置在其末端，主要功能是利用上游多余水头发电。因此电站应在保证机组稳定运行时确保过机水质不能发生污染，满足环保要求。电站装有4台1 600 kW的卧轴混流式机组，总装机容量6 400 kW，最大水头Hmax为33.3 0 m，额定水头Hr为19.50 m，最小水头Hmin为 12.76 m。

2 机组型式选择

水轮机水头范围12.76 ~ 33.30 m，额定水头19.50 m，单机额定功率1 600 kW。机组型式可选择轴流式机组或混流式机组，轴流式机组按结构特征分为立轴轴流转桨式和立轴轴流定桨式2种；混流式机组按布置型式分为立轴混流式和卧轴混流式2种[1]。

因本电站水头范围和引水流量范围变化大，选用的机组型式应尽可能满足本电站工况的要求，因此轴流式机组只能采用立轴轴流转桨式机组。

鉴于本工程是供水工程，在其供水管线通道上的建筑物和机组设备应避免有害物质进入原水。

从结构上分析轴流转桨式水轮机和混流式水轮机可能对水质产生的影响：

（1）轴流转桨式水轮机转轮，主要由转轮体、叶片、叶片密封装置等组成，叶片操作机构布置在转轮体内。因特点是，转轮体中充满透平油，随着近年来机组制造工艺水平提高，叶片与转轮体的密封装置，以及转轮体与其它部位的连接的密封装置，基本不会出现漏油的现象。但长时间的运行之后，依然存在密封装置损坏等情况，进而油脂等进入到原水产生污染。另外还有水导轴承甩油和渗漏油也可能产生污染。因此轴流转桨式机组不符合本工程的要求。

（2）立轴混流式水轮机水导轴承多采用稀油润滑轴承，轴承结构简单，运行可靠。缺点是转动油盆一般是固定在主轴上，油盆随轴转动，透平油会由于离心力形成抛物线油面，虽然设置有挡油圈和主轴密封装置等，仍然不能完全避免甩油和油雾外溢现象沿主轴间隙渗漏到顶盖和机坑，虽然并不直接与水体接触，但是仍需进行收集处理，存在隐患。

（3）卧轴混流式机组，因其布置型式为卧式，轴承渗漏油漏至在轴承座底部，即便出现轴承油箱爆裂，透平油也不会直接进入尾水，可通过污水沟将其引入到污水井，并经油水分离装置处理后排至场外污水管道。因此不会出现污染水源的情况。综合上述分析，选用卧轴混流式水轮发电机组。

3 水轮发电机组参数的选定

3.1 模型转轮的确定

根据本电站水轮机水头范围12.76 ~ 33.30 m以及单机额定功率，适合此范围的转轮主要为50.00 ~ 60.00 m水头段的转轮，但从50.00 ~ 60.00 m水头段成熟的转轮来看，F13转轮单位转速较高、单位流量较大，另外其运行范围（65.0 ~ 105.0 r/min）是该水头段较好的，适合本工程水头和流量变幅大的特点。同时F13转轮成功应用于浙江三港水电站、湖北白水峪水电站等国内多个电站，具有成熟的制造和运行经验。模型转轮主要参数见表1。

表1 水轮机模型转轮参数表

3.2 水轮机参数

3.2.1 水轮机运行范围曲线

根据水轮机水头及各水头下的单位流量和单位转速确定水轮机运行范围曲线见图1。

图1 水轮机运行范围曲线图

3.2.2 水轮发电机组主要技术参数

经分析采用HLF13 - WJ - 125水轮机配SFW1600 -20/2150更适合于本工程，选定的机组参数见表2。

露骨料透水混凝土是由粗骨料、高标号水泥、水、强化剂、外加剂等经一定比例调配拌制而成的一种多孔轻质的新型环保地面铺装材料。与传统混凝土相比，透水混凝土多采用单粒径的粗骨料作为混凝土的主体，配以水泥净浆或者少量细骨料砂浆作为粘接剂，包裹在粗骨料颗粒的表面，形成孔隙均匀分布的蜂窝状结构，结构模型如图1所示。普通混凝土结构模型如图2所示。

4 水轮发电机组结构部件环保措施

4.1 水轮发电机组水体污染的因素

（1）机组轴承漏油进入流道污染水质；

（2）水轮机导叶支承轴承油脂进入流道污染水质；

（3）水轮机过流部件（包括导叶、前盖、后盖、尾水管、蜗壳、座环、转轮等）磨损、空蚀以及冲刷造成金属材料剥落，污染水质；

（4）水轮机主轴密封不严导致渗漏及密封材料磨损造成金属材料剥落，污染水质。

4.2 机组防止原水污染技术方案

4.2.1 机组轴承结构

径向推力轴承和径向导轴承现有成熟的结构型式为油浸自润滑巴氏合金型，应采用足够措施避免轴承润滑油进入冷却器中污染冷却水，轴承冷却器设计成全密闭自循环式，并在轴承座下部设置集油槽用于收集渗油。

4.2.2 水轮机导叶支承轴承

表2 机组选用参数表

4.2.3 水轮机过流部件防空蚀及冲刷措施方案

（1）水轮机选用抗空蚀好的模型转轮，另外水轮机加工生产过程中，严格把控质量，保证过流金属表面光洁，提高流道的顺滑，减少凹凸不平，有效提高抗气蚀性能。

（2）转轮、蜗壳、座环、前盖、后盖、抗磨板、止漏环、导叶、尾水管过流部件采用抗磨耐蚀不锈钢材料，增加材料的稳定性，可避免水质污染。

4.2.4 水轮机主轴密封

主轴工作密封采用无接触泵板密封。主轴密封用的泵板、螺栓、螺母等均采用不锈钢材料制成，增加材料的稳定性，可避免水质污染。

4.2.5 卧轴混流式机组结构型式优化

卧轴混流式水轮发电机组的结构根据飞轮的位置、轴承座的个数和布置的不同在结构上主要分为2类：三支点机组和二支点机组。三支点机组是飞轮设置在水轮机和发电机之间，水轮机和发电机各设置1根轴通过飞轮连成整体，机组转动部分需要3个轴承座支撑。二支点机组共用1根轴，且机组转动部分只需要2个轴承座支撑。三支点机组因其多出1个轴承，其维护工作量相对较大，另外采用稀油润滑轴承，用油量较大，同时增加机组检修安装时油污进入尾水中的风险。机组主要功能为供水，机组选用二支点结构型式，进一步提高供水可靠性。

4.2.6 其它密封材料

水轮机全部的橡胶密封件采用优质实心高硬度橡胶材料，整体硫化，无缝连接，且有良好的耐磨性、抗腐 蚀性、抗冲击性、抗微生物侵蚀及抗老化（20 a以上）等性能，密封件材料选用无毒无害，并满足饮用水标准。

5 电站辅助系统环保措施

5.1 技术供排水系统的选定

机组技术供水系统主要用于发电机空气冷却器、轴承冷却器用水。发电机冷却采用密闭式空气循环冷却，配置空气冷却器，机组轴承冷却是采用内置冷却盘管的方式。鉴于本工程为供水工程，为保障水质不被污染，根据机组各部件冷却水用水特点，针对发电机和轴承分别设置不同的技术供水方式。

5.1.1 发电机冷却方式

考虑到电站常年运行，从冷却效果及改善运行环境角度，发电机冷却采用密闭循环冷却系统。因发电机采用密闭式空气循环方式冷却，该方式借助轮辐的风扇作用使空气在发电机内部循环流通，热空气通过冷却器用水冷却。热空气经过空冷器冷却变成冷空气，通过轮辐的风扇作用即可使冷空气经转子铁芯、定子铁芯的通风沟和冷却器形成2个循环回路，起到冷却发电机的作用。通过上述的分析可知，该冷却方式不存在水质污染，因此发电机冷却水采用进水阀前压力钢管取水方式。

5.1.2 轴承冷却和润滑

机组轴承冷却是采用内置冷却盘管的方式，冷却盘管设置在油箱内，通过冷却盘管内的冷却水带走油的热量，因此存在冷却盘管破裂、透平油渗入冷却盘管的可能，针对该特点，轴承冷却水采用循环供水方式。具体方案是在主厂房进水阀上游侧设置一个容积约500 m3的冷却循环水池，循环水采用自来水。4台机组的压力进水钢管穿过冷却循环水池，经计算通过压力钢管中冷水带走循环水池中循环水的热量，满足轴承技术供水温度的要求。

5.2 渗漏排水系统选定

厂房内渗漏排水主要针对厂房内较为清洁的渗漏水通过渗漏集水井内排水泵直接排至厂区污水池，经过厂区污水处理系统处理完成后，再通过专用污水管排出。其余可能存在油脂的部分渗漏水（如油桶间排水、空压机室排水、机坑排水）通过油水分离系统处理后排至厂区污水池，再通过专用污水管排出。

5.3 检修排水系统选定

检修排水为机组检修时排除水轮机流道内的积水，通过设置在尾水管底部埋设排水管至尾水平台检修集水井中，再用潜水泵排到厂区污水池，经过厂区污水处理系统处理完成后，通过专用污水管排走。

5.4 其它方面

5.4.1 运行监测

为监测渗漏排水和检修排水中是否含有油脂，在各自集水井内分别装设水中油污监测装置。

5.4.2 用油部件的监测

在轴承油箱底部、接力器底部以及进水阀油压装置底部分别装设集油槽，并在其内装设液位传感器进行渗漏油及溢油监测。

5.4.3 进、出水的水质监测

为监测通过机组的水源是否有污染，在厂房上游溢流调压井内和尾水池内分别安装水质监测装置。

5.4.4 机组运行及检修原则

机组应制定合理的运行方式。多年运行实践证明，运行工况对空化有影响。应尽量避免水轮机长时间在低水头和低负荷状态下运行，以避开空化严重的运行工况区域。工程应围绕供水任务，发电应服从供水安全为前提。适当缩短检修维护周期。及时发现问题及时处理，对于已出现问题区，尽早补焊修整，严格打磨至光滑平整。

6 结 语

供水工程对管线系统上的设备最基本的要求有3点：①设备的运行工况范围要广，能够满足不同水位不同水头下的运行稳定性要求。②设备过流表面本身不应对水质产生污染。③设备应具有较高的可靠性和耐久性。本文通过设计阶段和招标阶段对机组及辅助系统提出相应的要求，为相关工程提供一些参考。