金安桥水电站主轴补气装置增加防尾水倒灌措施

辛晓，刘学军

（金安桥水电站有限公司，云南 丽江 674100）

1 前言

金安桥水电站是金沙江中游梯级开发的第5个电站，位于云南省丽江市境内，电站首期装机2 400 MW，共4台机，单机容量600 MW，水库正常蓄水位1 418.00 m，校核水位1 421.07 m，相应库容8.47亿m3，具有周调节能力。控制流域面积237 357.6 km2，最大坝高160 m，坝顶长度为640 m。电站运行时保证出力473.7 MW，年平均发电量110.43亿kW·h，发电效益显著，是国家“西电东送”战略的骨干电站之一。

2 补气装置设计

为了减小水轮机在非最优工况运行时，转轮下腔真空引起的空蚀破坏和尾水管压力脉动，金安桥水轮发电机组采用了主轴中心自然补气方式，补气阀位于发电机顶部上端轴上，当转轮下腔压力小于设定值时补气阀打开，外界空气在大气压作用下进入转轮下腔消除真空，保证机组安全稳定运行。补气装置主要由主轴中心补气管和端部补气阀组成，其中主轴中心补气管（Ф500 mm）经过转轮中心体、水轮机轴、发电机轴、转子中心体、上端轴，至补气阀；补气阀主要由阀罩、阀盖、支座、轴套、压板（阀板）、阀座、缓冲器等组成（见图1）。补气阀是东方电机股份有限公司提供的油压缓冲式补气阀,该补气阀采用液压油作为缓冲介质,在缓冲器活塞的正反方向上各钻制两个节流孔,节流孔内安装弹簧及钢珠，在该阀工作时,一侧节流阀受力开启,另一侧节流阀回油,起到缓冲作用。机组运行中当转轮下腔压力值达到补气阀动作值时，补气阀阀板向上打开对转轮下部进行补气，补气结束后补气阀阀板自重关闭。

图1 补气装置结构图

3 金安桥水电站补气装置现状及存在隐患

金安桥水电站补气阀阀板安装高程1 305.17 m，电站下泄流量（溢流表孔泄洪+机组过机流量）大于5 010 m3/s时，尾水位将高于补气阀阀板安装高程1 305.17 m。自投产以来，机组在汛期运行时，尾水位高于阀板安装高程的情况经常出现。在历年机组检修期间，发现在补气装置排水管及阀罩内均有不同程度的水迹现象。

在下泄流量大于5 010 m3/s情况下，补气阀安装高程及机组运行尾水位决定了补气阀不仅仅要承担机组不稳定工况区域内运行时的补气工作，且在停机时仍需承担尾水压力。一旦补气阀故障关闭不到位、阀板密封损坏、阀板损坏等都会导致尾水倒灌，水淹发电机组，给电站的安全生产带来极大的隐患。

4 补气装置增加防尾水倒灌措施选型设计及论证

4.1 防止尾水倒灌措施类别选型

目前国内水电机组为防止尾水通过补气装置处倒灌，常采用的措施有传统式（弹簧式）补气装置的阀板式密封止水、机械式浮球阀、增加检修蝶阀等形式，考虑金安桥水电站已投产多年，大规模改造实施难度大、造价高等因素，根据现场实际情况采用增加机械式浮球阀方式以防尾水倒灌。

4.2 补气装置增设机械式浮球阀工作原理

浮球阀内部结构（见图2）：水轮机补气为负压时，浮球下落于下端密封圈上，为补气提供通路。补气时空气经浮球阀上端密封圈→浮球阀底部补气孔→进入水轮机补气管道，机组正常补气时浮球阀只为补气提供通路。

机组停机时，当尾水位高于1 305.17 m，水轮机补气管道产生正压水流上溢时，浮球随水流上浮，当浮球与上端密封圈的密封面紧密接触时（见图3），浮球在浮力的作用下与上端密封圈紧密接触并具有一定的压紧力。彻底切断了水流的上溢通路，阻止水流的继续上溢，浮球阀关闭时能可靠地切断上溢的水流。

4.3 机械式浮球阀安装位置选择

机械式浮球阀安装位置主要考虑安装在原补气阀下部和安装在转子中心体两种方案。

4.3.1 浮球阀安装在原补气阀下部（机顶）方案

（见图4）

浮球阀安装在补气装置下部，安装、检修方便，无需吊风罩及补气管，只需将补气装置吊开后，即可进行检修维护；此结构须将补气装置抬高约300 mm，即密封挡水环高度增加300 mm，密封挡水环高度增加后，即使在双重保险（补气阀、浮球阀）全部失效后，在排水管满足排水条件下，也不会发生水淹机组事故，与安装在转子中心体对比，造价略高。

图2 机组正常运行时浮球阀状态

图3 机组停机时，尾水位高于1 305.17 m浮球阀止水状态

图4 浮球阀安装在补气装置下部结构图

4.3.2 浮球阀安装在转子中心体方案介绍

图5 浮球阀安装在转子中心体示意图

浮球阀安装在转子中心体位置，可以有效减小上端轴内磁极引线产生冷凝水珠，但是安装在转子中心体内,其安装高程是1 297.80 m，低于4台机发电设计最低尾水位1 299.41 m，机组处于停机状态时，浮球阀持续处于工作（受力）状态，会减小其使用寿命，且安装、检修维护极为不方便，须将补气装置及浮球阀以上的补气管路、发电机风罩等吊开后方能进行检查、维护。

综合对比，针对浮球阀安装位置，在补气量满足要求的情况下，从安装、检修维护等综合考虑，安装在补气装置下部利大于弊，因此将浮球阀安装位置确定为补气装置下部。

4.4 浮球阀补气通径核算

机组所需补气量受出力、水头、汽蚀系数等多种因素影响，难以精确计算；考虑在原设计时已进行设计核算，且经过四年多的实践检验，转轮叶片根部及其他部位未发生超过25 mm以上的贯穿性裂纹，补气效果比较理想，DN 500的补气管路足以满足机组运行补气量；本次设计增加的浮球阀，其最小过流面积发生在浮球与壳体内侧，对此进行校核，其额定通径不小于DN 500即可。

D——最小过流面积的当量直径；

A——浮球阀壳体内径，864 mm；

B——浮球阀球体外径，650 mm。

结论：新增浮球阀补气通径大于DN 500，满足机组运行期间的补气需求。

5 补气装置新增防尾水倒灌措施实施

根据浮球阀安装位置选型，在原补气装置下部增加浮球阀后，其高度已不能满足需求，需要对阀罩盖板做相应的增高处理，并对挡水环做相应加高处理。需要做的改进：①在原补气装置下部（即上端轴端部）增加浮球阀；②加高原挡水环300 mm；③加高阀罩端部盖板接长环；④自动化元器件回装等。

6 结语

从2015年汛前检修开始，金安桥水电站对四台机组的补气装置陆续进行了相关改造，即增加浮球阀防止尾水倒灌，经过五年多的运行（至2020年），通过检修时查看浮球阀状态，球体挡水痕迹明显，消除了可能产生的尾水倒灌带来的水淹发电机组风险。同时机组改造涉及的部件少，在理论计算上，未减小原补气通道的直径，满足机组运行期间的补气需要且未影响机组的整体布置，解决了在下泄流量大于5 010 m3/s情况下机组停机时尾水倒灌的风险，同时减轻补气阀阀板的承压状态，为设备安全稳定运行起到了可靠的保护作用。