三峽庫(kù)區(qū)大型機(jī)組抬負(fù)荷原因分析及防范措施

三峽庫(kù)區(qū)大型機(jī)組抬負(fù)荷原因分析及防范措施

滿天星水庫(kù)位于興山縣古福市滿天星，2.50萬(wàn)元。本發(fā)貨廠類型為zzjk508-lh-220，最大水箱為21.73m，最小碼頭為13.86m，最大室內(nèi)負(fù)荷為19.9m，標(biāo)準(zhǔn)流量為32.23ms，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷為5600kg，標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)速度為250r/min。2003年機(jī)組投入運(yùn)行后在導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程中甩負(fù)荷時(shí)常出現(xiàn)抬機(jī)現(xiàn)象,使機(jī)組振動(dòng)并導(dǎo)致#5推力瓦位移造成燒瓦事故。鑒此,本文對(duì)該抬機(jī)現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析,并提出了防范措施。1軸流式水輪機(jī)的水推力抬機(jī)原因可能有兩種:①機(jī)組甩負(fù)荷時(shí),尾水管內(nèi)出現(xiàn)反向水擊。導(dǎo)葉快速關(guān)閉時(shí),由于水流慣性,導(dǎo)致尾水管中的真空度增加,同時(shí)水流在下游水壓力作用下減速停止并反向運(yùn)動(dòng)撞擊轉(zhuǎn)輪葉片,引起向上水力沖擊,產(chǎn)生反水錘。②水輪機(jī)進(jìn)入軸流泵工況產(chǎn)生向上軸向水推力。負(fù)吸出高程的軸流式水輪機(jī),即使導(dǎo)葉關(guān)閉,切斷上游來(lái)水,轉(zhuǎn)輪室仍充滿水,由于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性使轉(zhuǎn)輪仍旋轉(zhuǎn),將水流向下推動(dòng),同時(shí)產(chǎn)生向上軸向水推力——水泵升力,當(dāng)大于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量時(shí)就會(huì)造成抬機(jī)。而實(shí)際抬機(jī)現(xiàn)象往往是軸流泵工況與尾水管反水錘同時(shí)存在,僅是在不同水力條件下兩者影響程度不同。根據(jù)水輪機(jī)力特性實(shí)驗(yàn)可知,轉(zhuǎn)輪葉片水壓力(升力)為:P=P2oc+P2u???????√=P′1D21HΡ=Ρoc2+Ρu2=Ρ′1D12Η(1)其中Poc=k(π/4)D2112HmaxPu=P′1uD2112HP′1=P′21oc+P′21u??????????√Ρ′1=Ρ′1oc2+Ρ′1u2式中,Poc為軸向力;Pu為水平力;D1為轉(zhuǎn)輪直徑,m;H為水頭,m;k為水推力系數(shù);P′1、P′1u、P′1oc分別為單位全水壓力系數(shù)、水平分力系數(shù)、軸向力系數(shù),kg·m3。輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片水力矩為:MS=CM(Q2/D1)=HD3113Q′21CM(2)式中,CM為水力矩系數(shù);Q為流量,m3/s。軸流式水輪機(jī)在甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程中,當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至最大值時(shí),軸向水推力為零。導(dǎo)葉繼續(xù)關(guān)閉,水輪機(jī)進(jìn)入制動(dòng)(水泵)工況,軸向力為軸向反水推力。對(duì)立式水輪機(jī),當(dāng)反水推力大于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)部分上抬;對(duì)軸流式水輪機(jī),軸向水推力與葉片轉(zhuǎn)角有關(guān),當(dāng)轉(zhuǎn)輪葉片多、轉(zhuǎn)角小時(shí),水推力系數(shù)k大,由式(2)得軸向力大。因此,軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)在不同工況下的軸向水推力不同:①在定槳工況下,單位轉(zhuǎn)速小時(shí)葉片水力矩為關(guān)閉方向,當(dāng)單位轉(zhuǎn)速增大時(shí)水力矩由關(guān)閉轉(zhuǎn)為開(kāi)啟方向。同時(shí)在飛逸轉(zhuǎn)速時(shí),水力矩達(dá)最大。水力矩大小與方向的改變是因?yàn)樵诠r變化時(shí)葉片上升力的作用點(diǎn)發(fā)生了變化。②在導(dǎo)葉與槳葉協(xié)聯(lián)工況下,流量變化對(duì)水力矩影響較小,而當(dāng)單位轉(zhuǎn)速變化時(shí),葉片水力矩變化較大。滿天星電站水輪機(jī)安裝高程168.78m,最低尾水位174.00m,吸出高度-5.22m,為負(fù)吸出高度。每次甩負(fù)荷抬機(jī)均在導(dǎo)葉完全關(guān)閉后幾秒才發(fā)生,抬起一定高度、維持一段時(shí)間后落下。究其原因是反水錘和水泵升力共同作用的結(jié)果,水泵升力占主導(dǎo)地位。2采取預(yù)防措施2.1降壓機(jī)時(shí)真空破壞閥盤(pán)中出現(xiàn)降壓藥不足現(xiàn)象為消除甩負(fù)荷引起的抬機(jī)現(xiàn)象,一般采用安裝真空破壞閥向轉(zhuǎn)輪室補(bǔ)足充足空氣。在水輪機(jī)頂蓋上裝幾個(gè)真空破壞閥,當(dāng)導(dǎo)葉迅速關(guān)閉時(shí),真空破壞閥自動(dòng)打開(kāi)補(bǔ)氣。尾水回流時(shí),將受到封閉于轉(zhuǎn)輪室內(nèi)空氣阻擋,不觸及轉(zhuǎn)輪從而消除抬機(jī)。滿天星電站雖在設(shè)計(jì)時(shí)加裝了真空破壞閥但仍發(fā)生抬機(jī)。其原因:①真空破壞閥調(diào)整不準(zhǔn)確,動(dòng)作不可靠,有的真空破壞閥尚未動(dòng)作,導(dǎo)致甩負(fù)荷時(shí)補(bǔ)氣量不足,以至回流碰及轉(zhuǎn)輪。②受尾水水位影響,尾水位越高,水流減速越明顯,縮短了水流向前運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和距離,從而造成補(bǔ)氣量不足。滿天星電站位于三峽庫(kù)區(qū)上游,當(dāng)三峽蓄水達(dá)175m高程時(shí),尾水位抬高1m,因此抬機(jī)現(xiàn)象嚴(yán)重。③密封不好。主軸密封、真空破壞閥密封不良,特別是尾水十字補(bǔ)氣架氣閥開(kāi)啟補(bǔ)充入轉(zhuǎn)輪室的氣體在尾水回流時(shí)易被排出,對(duì)水流毫無(wú)阻擋,從而形成反水錘。為防止上述現(xiàn)象產(chǎn)生,①常檢查主軸、真空破壞閥的密封并更換有問(wèn)題的密封裝置,關(guān)閉十字補(bǔ)氣架的氣閥。②加大甩負(fù)荷時(shí)向轉(zhuǎn)輪式的補(bǔ)氣量。在確保機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)真空破壞閥閥盤(pán)處不漏水的條件下進(jìn)一步降低真空破壞閥的彈簧力,從而增加補(bǔ)氣量;再通過(guò)機(jī)組自動(dòng)控制系統(tǒng),在機(jī)組出現(xiàn)甩負(fù)荷時(shí)打開(kāi)壓縮空氣閥門(mén),將儲(chǔ)氣罐的壓縮空氣自動(dòng)補(bǔ)進(jìn)轉(zhuǎn)輪室。③利用尾水管錐管的補(bǔ)氣管補(bǔ)氣。補(bǔ)氣量最好控制在導(dǎo)葉全關(guān)閉的0.2s內(nèi)完成,過(guò)早或過(guò)遲均影響效果。2.2分段關(guān)閉規(guī)律滿天星電站調(diào)速器采用DKST-80-2.5型調(diào)速器,關(guān)機(jī)回路中有分段關(guān)閉閥,可實(shí)行分段關(guān)閉導(dǎo)葉。由于機(jī)組投產(chǎn)時(shí),設(shè)計(jì)院未提供機(jī)組調(diào)保計(jì)算書(shū),為提早發(fā)電,未精確設(shè)置分段關(guān)閉參數(shù)就開(kāi)機(jī)試運(yùn)行,導(dǎo)致機(jī)組抬機(jī)現(xiàn)象嚴(yán)重。為消除抬機(jī)現(xiàn)象,在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行了甩100%負(fù)荷時(shí)過(guò)渡過(guò)程特性實(shí)驗(yàn):導(dǎo)葉由100%關(guān)至空載27%時(shí)間為4.3s,導(dǎo)葉由100%關(guān)至全關(guān)時(shí)間為5s。可見(jiàn),導(dǎo)葉關(guān)閉基本上按5s直線關(guān)閉規(guī)律,顯然分段關(guān)閉參數(shù)設(shè)置不合理。若導(dǎo)葉采取優(yōu)化兩段折線關(guān)閉規(guī)律方式,限制軸向水推力大小即可完全避免抬機(jī)現(xiàn)象。第一段導(dǎo)葉關(guān)閉速度快,在蝸殼水壓上升允許條件下迅速進(jìn)入水泵工況區(qū),以確保機(jī)組轉(zhuǎn)速上升在規(guī)定值內(nèi)。第二段導(dǎo)葉關(guān)閉慢(時(shí)長(zhǎng)為第一段的5～6倍),同樣可確保水輪機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于水泵工況區(qū),機(jī)組受制動(dòng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速將一直下降,且軸向水推力小于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量,因而避免抬機(jī)現(xiàn)象發(fā)生。導(dǎo)葉兩段關(guān)閉后,可降低機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值和蝸殼水壓上升值,同時(shí)還可改善機(jī)組運(yùn)行工況。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整調(diào)速器運(yùn)行參數(shù),將導(dǎo)葉由100%關(guān)至空載27%時(shí)間調(diào)為5s,導(dǎo)葉從100%關(guān)至全關(guān)時(shí)間為8s。優(yōu)化參數(shù)實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)葉兩段折線關(guān)閉,徹底消除了抬機(jī)現(xiàn)象,確保了滿天星電站機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。2.3軸流泵工況下的抬機(jī)力對(duì)尾水反沖與軸流泵工況共同作用引起的抬機(jī)現(xiàn)象,用上述措施均不能防止,僅能減小尾水管反水錘造成的抬機(jī)力,而軸流泵工況下形成的抬機(jī)力依然存在。因此,在機(jī)組甩負(fù)荷后采用諸如水地阻制動(dòng)之類的辦法,使其盡快停止旋轉(zhuǎn),從而減小軸流泵工況運(yùn)行形成的抬機(jī)力,