蒲石河水輪機(jī)新型泄水環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

謝明杰，劉世忠，陶迎新，謝文祥，任青旭

?

蒲石河水輪機(jī)新型泄水環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

謝明杰，劉世忠，陶迎新，謝文祥，任青旭

（國網(wǎng)新源遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118000）

蒲石河電站為抽水蓄能電站，因電站1號(hào)機(jī)組泄水環(huán)把合螺釘部分?jǐn)嗔?，?dǎo)致泄水環(huán)其中的3塊掉落，影響了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，需設(shè)計(jì)新的泄水環(huán)結(jié)構(gòu)，避免泄水環(huán)再次脫落，保證機(jī)組的穩(wěn)定性，本文介紹了新型泄水環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對電站原泄水環(huán)需改造的部件進(jìn)行了具體說明，同時(shí)新型泄水環(huán)結(jié)構(gòu)對后續(xù)蓄能電站的設(shè)計(jì)提供參考。

蒲石河電站；水輪機(jī)；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；泄水環(huán)；強(qiáng)度計(jì)算

0 前言

蒲石河抽水蓄能電站，位于遼寧省寬甸縣內(nèi)，距離丹東市約60km，該電站是東北首座大型抽水蓄能電站，總裝機(jī)容量為120萬kW，按照國家發(fā)改委主機(jī)設(shè)備國產(chǎn)化發(fā)展戰(zhàn)略部署，在電站承擔(dān)住主機(jī)設(shè)備國產(chǎn)化試驗(yàn)田的重任，2012年9月，4臺(tái)機(jī)組全部投入商業(yè)運(yùn)行。

蒲石河抽水蓄能電站建成后，并入東北電網(wǎng)。主要擔(dān)任系統(tǒng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻及事故備用任務(wù)，電閘年平均發(fā)電量為18.6′10kW·h，年發(fā)電小時(shí)數(shù)1550h，年平均抽水電量為24.09′10kW·h。

蒲石河抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)組泄水環(huán)在2015年3月18日機(jī)組水泵工況運(yùn)行時(shí)發(fā)生脫落現(xiàn)象，泄水環(huán)把合螺釘部分?jǐn)嗔?，?dǎo)致泄水環(huán)其中的1大塊及2小塊脫落（泄水環(huán)共分8塊，4大塊4小塊），并擊傷轉(zhuǎn)輪葉片及導(dǎo)葉表面（如圖1~2所示），同時(shí)由于機(jī)組振擺過大而停機(jī)，運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)14個(gè)導(dǎo)葉剪斷銷發(fā)生斷裂。

圖1 把合螺栓折斷

同時(shí)獲悉，泄水環(huán)結(jié)構(gòu)相似電站的張河灣、黑麋峰等電站，泄水環(huán)的把合螺釘也出現(xiàn)過螺栓松動(dòng)個(gè)別螺栓斷裂等現(xiàn)象。

圖2 轉(zhuǎn)輪

1 水輪機(jī)性能參數(shù)

機(jī)組臺(tái)數(shù) 4臺(tái)

最大凈水頭 330m

額定凈水頭 308m

最小凈水頭 304m

水輪機(jī)額定出力 300MW

額定轉(zhuǎn)速 333r/min

2 蒲石河原泄水環(huán)結(jié)構(gòu)介紹

蒲石河泄水環(huán)位于轉(zhuǎn)輪下方，轉(zhuǎn)輪出口位置，泄水環(huán)材料為不銹鋼S135，共分8塊，4大塊4小塊間隔布置，且在8道合縫面（焊接連接）每一道上均開有2-f12的均壓孔，通過內(nèi)六角螺釘把合在底環(huán)上，分上、下兩層，其中兩個(gè)泄水環(huán)小塊位置內(nèi)腔設(shè)有測量止漏環(huán)的測溫電阻，對稱布置，監(jiān)測下固定止漏環(huán)的溫度，下固定止漏環(huán)螺栓下把合螺栓，位于泄水環(huán)內(nèi)腔中。

圖3 原泄水環(huán)結(jié)構(gòu)圖

3 蒲石河泄水環(huán)的作用

泄水環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的作用，主要考慮以下兩個(gè)方面：一是在泄水環(huán)內(nèi)部設(shè)置檢查下固定止漏環(huán)與轉(zhuǎn)動(dòng)止漏環(huán)之間間隙的測孔；二是在泄水環(huán)內(nèi)部設(shè)置測量下固定止漏環(huán)溫度的RTD信號(hào)裝置。

圖5 檢查下止漏環(huán)間隙

4 蒲石河優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

4.1 泄水環(huán)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)方案

圖6示出了泄水環(huán)的結(jié)構(gòu)。

圖6 新型泄水環(huán)結(jié)構(gòu)

4.2 原蒲石河泄水環(huán)結(jié)構(gòu)形式需改動(dòng)位置

（1）原止漏環(huán)的支撐法蘭需割除，更換新的支撐法蘭。

（2）原止漏環(huán)的固定把合方式由下把合螺栓更改為上把合螺栓。

（3）原止漏環(huán)的測溫電阻取消。

（4）原泄水環(huán)的固定方式由螺釘把合更改為焊接結(jié)構(gòu)形式。

4.3 優(yōu)化后泄水環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）止漏環(huán)仍然采用鑄鋁青銅材料，結(jié)構(gòu)更為上把合固定方式。

（2）支撐法蘭與泄水環(huán)材料采用鋼板Q345B，內(nèi)圓鋪設(shè)不銹鋼材料，加工后厚度不小于5mm

（3）泄水環(huán)的材料為不銹鋼S135，與支撐法蘭廠內(nèi)焊接加工。

（4）泄水環(huán)下部廠內(nèi)加工止口，與原底環(huán)尺寸配合2840H8。

（5）支撐法蘭上的止漏環(huán)支撐面需工地打磨，以保證止漏環(huán)原安裝位置，需現(xiàn)場提供打磨工具。圖7示出了打磨范圍。

圖7 打磨范圍

（6）泄水環(huán)與底環(huán)形成的空腔工地用混凝土澆筑填充。圖8示出了壓力灌漿孔的位置及尺寸。

圖8 壓力灌漿孔

（7）止漏環(huán)與支撐法蘭之間的定位銷（如圖9所示），需工地同鉆鉸，防止止漏環(huán)圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖9 定位銷

（8）止漏環(huán)固定螺栓的防松措施，施工螺紋鎖骨膠、環(huán)氧樹脂、螺紋旋套等，如圖10所示。

圖10 螺栓放松措施

（9）下固定止漏環(huán)間隙扔采用“L”型測量工具測量，保證安裝質(zhì)量。

4.4 對改造后的泄水環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析

圖11示出了泄水環(huán)的模型。

圖11 泄水環(huán)模型

圖12 泄水環(huán)綜合應(yīng)力

圖13 泄水環(huán)總體變形

結(jié)論：泄水環(huán)的最大變形為0.0057mm，最大綜合應(yīng)力為9.69MPa，剛強(qiáng)度滿足要求。

4.5 新型泄水環(huán)結(jié)構(gòu)與原泄水環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比

新型泄水環(huán)結(jié)構(gòu)與原泄水環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比見表1。

表1 新型泄水環(huán)結(jié)構(gòu)與原泄水環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對比

從表1中可以看出，新型泄水環(huán)與底環(huán)為焊接形式，并且新型泄水環(huán)與底環(huán)形成的腔體使用混凝土壓力灌漿，而原結(jié)構(gòu)中泄水環(huán)與底環(huán)為螺栓把合結(jié)構(gòu)，并且原泄水環(huán)與底環(huán)形成的為空腔，空腔內(nèi)含有水，在機(jī)組首次充水以及水泵工況充氣壓水結(jié)束排氣回水過程中，始終會(huì)有部分氣體遺留在泄水環(huán)與底環(huán)組成的腔體中，在機(jī)組運(yùn)行過程中，此部分殘留的空氣會(huì)在壓力脈動(dòng)的作用下，使泄水環(huán)把合螺釘承受附加的交變載荷，致使螺栓松動(dòng)直至斷裂，而新結(jié)構(gòu)為焊接結(jié)構(gòu)，完全避免了此問題，新型泄水環(huán)結(jié)構(gòu)完全能解決蒲石河泄水環(huán)脫落問題。

5 工地專用打磨設(shè)備介紹

5.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

為保證泄水環(huán)工地焊接后支撐法蘭的平面度，需提供專用打磨工具，打磨設(shè)備主要由支撐座、水平頂絲、垂直頂絲、支撐臂、中心體、主軸、磨頭、滑座、磨頭座、旋轉(zhuǎn)臂、接長臂和配重等組成。如圖14所示。

該加工設(shè)備有一個(gè)旋轉(zhuǎn)臂，安裝在設(shè)備底部，旋轉(zhuǎn)臂一端安裝一個(gè)接長臂，接長臂上安裝磨頭座，磨頭座上安裝滑座和磨頭。旋轉(zhuǎn)臂與主軸連接在一起，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂和磨頭旋轉(zhuǎn)，完成磨削進(jìn)給。磨頭電機(jī)功率3kW，人工推動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

5.2 加工范圍

該設(shè)備為蒲石河泄水環(huán)工地安裝專門設(shè)計(jì)，只加工泄水環(huán)安裝面f2750～f3028之間的尺寸，即止漏環(huán)的安裝在支撐法蘭上的平面，支撐法蘭工地需打磨的范圍如圖15所示。

圖15 支撐法蘭工地需打磨范圍

6 總結(jié)

蒲石河泄水環(huán)優(yōu)化后整體焊接結(jié)構(gòu)形式，完全解決了蒲石河電站泄水環(huán)的脫落及螺釘斷裂問題，同時(shí)避免了水力振動(dòng)導(dǎo)致泄水環(huán)脫落現(xiàn)象的發(fā)生，提高機(jī)組運(yùn)行可靠性，為新源公司系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行及未來的抽水蓄能同類型的水泵水輪機(jī)泄水環(huán)結(jié)構(gòu)提供參考。

建議后續(xù)新設(shè)計(jì)的機(jī)組，取消下固定止漏環(huán)測溫電阻元件，改用監(jiān)控下固定止漏環(huán)冷卻水流量的方式進(jìn)行監(jiān)控下固定止漏環(huán)的溫度，同時(shí)固化泄水環(huán)結(jié)構(gòu)，將泄水環(huán)與底環(huán)固定方式改為焊接形式，即與底環(huán)為整體結(jié)構(gòu)，取消泄水環(huán)螺栓的把合方式，完全避免泄水環(huán)因壓力脈動(dòng)致使螺釘斷裂而影響機(jī)組安全運(yùn)行，徹底解決泄水環(huán)脫落的隱患。

[1] 劉貴人, 張永會(huì), 喬木, 欒春林, 胡海平. 白山發(fā)電廠5號(hào)機(jī)組的水輪機(jī)改造[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2017(5): 63-67.

[2] 鄭小波. 水輪機(jī)過流部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和振動(dòng)特性分析[D]. 西安理工大學(xué)博士論文. 2006, 24-41.

[3] 紀(jì)興英, 劉勝柱. 混流式導(dǎo)葉水力矩計(jì)算[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2008(3): 38-41.

[4] 鄭源, 陳德新. 水輪機(jī)[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2011: 163-165。

[5] 劉貴人. 白山發(fā)電廠5號(hào)機(jī)組的水輪機(jī)改造[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2017(5): 63-67。

[6] 翟建平, 廖煥華. 水輪機(jī)主軸密封漏水的故障分析及處理[J]. 潤滑與密封, 2011,36(12): 104-107.

[7] 朱宏, 聶治學(xué), 吳封奎, 官鵬. 巨型混流式水輪機(jī)導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)行安裝可靠分析[J]. 水力發(fā)電-機(jī)電與金屬結(jié)構(gòu), 2015,41(10): 42-47.

[8] 孟令元. 立式水輪機(jī)分塊瓦導(dǎo)軸承潤滑機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)研究[J]. 大電機(jī)技術(shù), 1982(2): 46-52.

[9] 鄭源, 陳德新. 水輪機(jī)[M]. 北京水利水電出版社, 2011: 163-165.

[10] 劉光寧, 陶星明, 劉詩琪. 水輪機(jī)泥沙磨損的綜合治理[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2008(1): 31-37.

[12] 楊斌, 黃波, 劉興何. 柳洪水電站水輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及存在問題分析[J]. 四川水力發(fā)電，2010（增2）:212-214.

[13] 李鶴, 王天任, 韓萍, 聞邦椿. 考慮流體影響的水輪機(jī)葉輪固有頻率[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自熱科學(xué)版）, 2016(9): 175-1277.

[14] 王志高. 我國水輪機(jī)磨蝕的現(xiàn)狀和保護(hù)措施的進(jìn)展[C]. 水機(jī)磨蝕2002-2003年論文集：13-18.

[15] 武彬, 王利, 宋會(huì)民. 三門峽水電站1#機(jī)組技術(shù)改造的工程實(shí)踐[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2008(1): 45-48.

[16] 桂中華, 常玉紅, 柴小龍, 王勇. 混流式水輪機(jī)壓力脈動(dòng)與振動(dòng)穩(wěn)定性研究進(jìn)展[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2014(6): 61-65.

The Structure Features of Pushihe Turbine Discharge Ring

XIE Mingjie, LIU Shizhong, TAO Yingxin, XIE Wenxiang, REN Qingxu

(Liaoning Pushihe Pumped Storage Company LTD., State Grid Xinyuan Company, Dandong 118000, China)

Pushihe is pumped storage power station, due to the fracture of the screw joint of the 1# unit of the power plant, the 3 pieces of the discharge ring fall off, which affects the stable operation of the unit, new discharge ring structure should be designed to prevent the discharge ring from falling off again to ensure the stability of the unit, In this paper, the structure features of the new type of discharge ring are introduced, and the parts that need to be reformed for the original discharge ring of the power station are described in detail. Meanwhile, the structure of the new type provides reference for the design of the subsequent storage power station.

Pushihe power station; turbine; structure features; discharge ring; mechanical calculation

TK730.3+24

A

1000-3983(2018)03-0042-05

2017-07-25

謝明杰（1964-），1987年7月畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院，現(xiàn)主要研究方向?yàn)樗娬窘?jīng)營管理，高級(jí)工程師。