顶盖取水作为机组技术供水的不适性研究

张奇

（云南华电金沙江中游水电开发有限公司梨园发电分公司，云南 丽江 674100）

顶盖取水作为机组技术供水的不适性研究

张奇

（云南华电金沙江中游水电开发有限公司梨园发电分公司，云南 丽江 674100）

顶盖取水作为技术供水在运行实践中存在不少问题，在国内成功应用极少。对新投产的600MW大型水轮机顶盖取水作为技术供水的不适性进行了分析，为以后新建大型发电机组的技术供水设计选择提供参考。

顶盖取水；蜗壳取水；大型机组；技术供水

1 技术供水设计

云南华电金沙江中游水电开发有限公司梨园发电分公司（以下简称梨园发电分公司）水轮机单机容量为600MW，技术供水设计了2种取水方式，一种是顶盖取水，一种是蜗壳取水，如图1所示。设计用顶盖取水作为主用，蜗壳取水作为备用，以期达到节能目的。

图1 梨园发电分公司技术供水系统

2 问题的提出

当用顶盖取水作为技术供水来调试运行时，机组推力瓦温升高，使本来就逼近报警值的瓦温和油温更加处于风险的边缘；机组主轴密封漏水量增加，3台顶盖排水泵同时启动也无法控制水位，梨园发电分公司被迫放弃顶盖取水作为技术供水的运行方式，改用蜗壳取水。

3 原因分析

顶盖取水不适于作为该项目技术供水的原因有以下几方面。

3.1 技术供水增加机组轴向水推力

技术供水对水温、水压、水质、水量有要求，尤其是导轴承冷却器水压一般需要控制在0.20～0.40 MPa。而梨园发电分公司机组主变压器冷却器高程为1524m，顶盖处的高程为1496m，这2处的高程差为28m（0.28MPa），加上主变压器冷却器自身需求压力为0.20～0.40MPa，高程差所需压力与冷却器自身压力需求相加，使顶盖的压力需要达到0.48 MPa以上才能满足技术供水的水压要求。如图1所示，电站采用蜗壳取水后，顶盖没有憋压需要，顶盖内腔水畅通无阻地流向尾水，此时的顶盖压力为0.02MPa（现场实采数据）。梨园发电分公司水轮机水推力分布如图2所示，在这些推力中，上、下止漏环外侧表面所受轴向水推力F11和F21非常大，而其他各项水推力则相对很小，可以忽略其影响，因此转轮轴向水推力的计算值主要取决于F11和F21。由于F21在转轮下方，其大小与上腔是否憋压无关，加之考查的是顶盖憋压和不憋压2种情况对推力负载的影响，因此只需计算顶盖取水方式与蜗壳取水方式下所产生水推力F11的相对大小。

转轮上冠承受的轴向水推力计算式为

式中：F为轴向水推力；p0为已知点处的静压力，Pa；ρ为水的密度，kg／m3；n为转轮转速，r／min；r0为已知点处的半径，m；r1为转轮联轴处法兰半径，r1＝1.6m；r2为转轮上冠半径，r2＝3.45m；K0为圆周速度系数，一般取0.5。

图2 水轮机轴向水推力分布

由于式中的变量只有压力，因此只需考虑p0＝0.02MPa和p0＝0.48MPa时两者之间的差值，便可得出顶盖压力为0.48MPa时新增的水推力，即

顶盖水压增加，推力负载也增加，加重了推力瓦的负担，瓦温比蜗壳取水方式下增加了约2℃，油温增加了3℃左右，证明顶盖取水对机组推力温度有一定影响。

3.2 顶盖内腔憋压导致主轴密封漏量剧增

梨园发电分公司主轴密封水系统如图3所示。

图3 主轴密封水系统

水轮机工作时用清洁润滑水注入主轴密封动、静密封环之间，此时清洁水压克服弹簧压力强行顶开动、静密封环，以达到动密封外漏水的目的，同时起到润滑、冷却旋转密封面的作用，总体构想是利用少量清洁水来密封住大量外漏的浑水。动密封环是一个直径3m、截面宽180mm的环形平面，有8个润滑水进水点。为了测量动、静密封环在注入清洁润滑水时的脱开高度，沿密封环圆周选取了8个测点，架表监视，发现在注入清洁润滑水后密封环面平均脱开了0.05mm，但各点脱开高度并不一致。由于机组运行时存在摆度和振动，整个密封环面的脱开高度沿圆周是不均匀的，各处的水压也不一致，造成了浑水外漏。从大型电站阿海水电站的情况来看，无论电站把主轴密封水压调高还是调低，每年汛期，机组顶盖上都有厚厚的一层细腻泥沙，这些都是汛期时顶盖浑水突破了动、静密封面外漏产生的，说明在实际运行时清洁水不可能完全密封住浑水。这0.05mm的脱开空间在机组旋转加上振摆的作用下，既是清洁润滑水的外排通道，也是部分顶盖内腔水的外漏通道，即机组在运行时，清洁水部分流向了顶盖内腔，部份流向了顶盖外部，浑水也部分突破了清洁水防线流向了顶盖外部。既然外排通道截面积大体一定，顶盖内腔的浑水压力越大，外漏能力也就越大。顶盖憋压作为技术供水的后果是导致该型密封的外漏量会有较大增加。

由于在机组旋转时，任何时刻动、静密封环沿圆周的状态不易确定，无法定量计算外漏量，梨园发电分公司从维持顶盖水位的排水泵流量上获取了各种影响因素的数据。当主轴密封润滑水压调节为0.40MPa，流量为600L／m时，用顶盖泄压管排水作为技术供水，随着机组负荷的增加，顶盖内腔压力逐步增加，外漏量也随之增加，数据见表1。

表1 在不同顶盖内腔浑水水压下注入相同压力润滑水时的排水数据

由表1可知，顶盖内腔压力增高时，浑水突破防线的外漏能力增大，外漏流量也大幅增加。此时的密封水压偏高，导致清洁水流量增加，自然外漏部分也会加大不少。用顶盖内腔憋压作为技术供水存在这样的矛盾。

3.3 机组在空转和低负荷时水压不够

转轮上部密封环和顶盖之间的间隙为2.8mm，此间隙就是各种工况下的漏水通道。梨园发电分公司在坝前水位为1612m时做过试验，当机组在空转和低负荷运行时，导叶开度为18%，导叶后压力仅为0.5MPa，而额定负载时压力为1.0MPa。转轮迷宫环的过水能力较小，通过节流降压后，由于压头不足，上送至上导轴承及主变压器的流量不满足冷却要求，导瓦温度偏高，主变压器流量也不足。若汛期坝前水位在汛限水位1605m时运行，机组导叶后压力还会进一步降低，矛盾会更突出。

极少数电站用顶盖取水作为技术供水时往往考虑了一套补充供水系统来满足低负荷时的冷却水量要求，但这无疑又加大了初期投资和设备维护量，且环节越多越不可靠。

4 2种供水方式的经济性分析

梨园发电分公司单机容量达600MW，其额定引用流量为625m3／s。当用蜗壳取水时，取水流量为1800m3／h，即0.5m3／s，占额定引用流量的0.08%，其影响可以忽略不计。加上梨园发电分公司建在金沙江干流上，来水充沛，每年的河道流量达500亿m3以上，远远高于机组的使用量，汛期大部分流量都是弃走的，不存在损失。不仅如此，蜗壳取水可靠性非常高，多厂实践证明，几乎没有设备维护成本和安全风险。若用顶盖取水后，不仅存在前期安装管路及辅助供水设施的成本，而且主轴密封流量增加后将导致顶盖泵全部启动，既耗电又存在水位难以控制的安全风险。因此，从安全风险和经济角度考虑，顶盖取水作为技术供水对建在大江大河上的大型机组是完全没有必要的。

5 结束语

通过分析，顶盖取水作为技术供水存在多方面缺点：一是增大推力负载，导致推力温度增加；二是主轴密封漏量增加，导致顶盖泵外排负担加重，增加了水位控制风险和耗电；三是在低负荷时技术供水水压难以满足。虽然我国近年来也逐步在一些机组上尝试采用顶盖取水技术，但有些应用效果难以达到设计要求，加之大型机组用蜗壳取水作为技术供水在耗用流量上占比极小，且建设大型机组的电站每年都存在大量弃水的情况，因此，在选择和设计时不推荐用顶盖取水来作为大型机组的技术供水。

［1］刘成荣.五一桥水电站顶盖取水方案分析［J］.中国新技术新产品，2013（12）：172.

［2］陈绍钢.水轮机顶盖取水的应用及分析［J］.中国农村水利水电，2000（1）：31-33.

［3］李茂更，周旭辉.万家寨水轮机顶盖排水系统的改造［J］.电力学报，2005（4）：450-451.

（本文责编：弋洋）

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1674-1951（2015）09-0017-02

张奇（1973—），男，四川自贡人，工程师，从事大型水电厂水轮发电机机组技术管理工作（E-mail：814478821＠qq.com）。

2014-04-20；

2015-07-25