趙 越,劉 斌,陳碧輝,郭全寶,劉智良
(1. 哈爾濱大電機(jī)研究所,哈爾濱 150040;2. 中國長江電力股份有限公司,北京 100038 3. 云南聯(lián)合電力開發(fā)有限公司,昆明 650011)
瑞麗江一級(jí)水電站位于緬甸北部緊鄰中緬邊界的瑞麗江干流之上,距緬甸南坎、曼德勒的公路距離分別約為63km、539km,是瑞麗江上游河段規(guī)劃的第一個(gè)梯級(jí)電站,工程采用引水式開發(fā),壩高 47m,庫容2683×104m3,引水隧洞長約5km,廠房為地面廠房,總裝機(jī)容量 600MW,是緬甸建成投產(chǎn)的最大的水電站。電站設(shè)計(jì)平均發(fā)電量為3022×106kW·h,年利用小時(shí)為 7555h,保證出力可達(dá) 172.8 MW。全部 6臺(tái)100MW 水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備均由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司制造。該項(xiàng)目以BOT(建設(shè)-營運(yùn)-移交)方式開發(fā),特許經(jīng)營期為40年。2008年9月5日首臺(tái)機(jī)組發(fā)電,2009年4月29日最后一臺(tái)機(jī)組發(fā)電。
該電站有 15%的發(fā)電量輸送緬甸,對(duì)解決緬甸東北部用電問題,促進(jìn)緬甸經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展,提高人民的生活水平都具有重要作用。而其余 85%的發(fā)電量由南方電網(wǎng)全部輸送回國,參加云南省“西電東送”工程,這就相當(dāng)于每年為國家節(jié)約了110×104t的標(biāo)準(zhǔn)煤。
瑞麗江一級(jí)水電站的電站及水輪機(jī)參數(shù)如下:
(1)水庫調(diào)節(jié)特性:日調(diào)節(jié);
(2)上游水位
(3)下游尾水位
(4)電站水頭
(5)電站徑流量
(6)泥沙特性
由瑞麗江水電站的具體參數(shù)來看,該電站來流中泥沙含量較大,機(jī)組運(yùn)行水頭高,故瑞麗江電站采用了在國內(nèi)許多電站應(yīng)用多年、運(yùn)行情況良好的具有高效率區(qū)寬、空化系數(shù)小、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)的具有很好水力性能的長短葉片轉(zhuǎn)輪。
(1)型號(hào):HLA351-LJ-280;
(2)主軸布置形式:立式;
(3)蝸殼及包角:金屬蝸殼,包角345°;
(4)固定導(dǎo)葉數(shù):24;
(5)活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù):24;
(6)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑D1/D2:2.8/1.853m1注:D1為轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口邊和下環(huán)交點(diǎn)處直徑,D2為轉(zhuǎn)輪葉片出口邊和下環(huán)交點(diǎn)處直徑。;
(7)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù):15(長)+15(短);
(8)最大水頭:330.1m;
(9)額定水頭:299m;
(10)最小水頭:299m;
(11)加權(quán)平均水頭:305.01m;
(12)額定水頭、發(fā)額定出力時(shí)的水輪機(jī)的額定流量:37.62 m3/s;
(13)額定轉(zhuǎn)速:428.6 r/min;
(14)水輪機(jī)俯視的旋轉(zhuǎn)方向:順時(shí)針;
(15)額定水頭 310m、發(fā)額定出力時(shí)的比轉(zhuǎn)速110m·kW;
(16)最大飛逸轉(zhuǎn)速(導(dǎo)葉在最大單位飛逸轉(zhuǎn)速相應(yīng)的開度,發(fā)電機(jī)空載,最大水頭時(shí))680 r/min;
(17)水輪機(jī)補(bǔ)氣方式:吸力式補(bǔ)氣閥。
據(jù)電廠方面反映,自2008年首臺(tái)機(jī)組投運(yùn)以來,瑞麗江一級(jí)電站所有6臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組均運(yùn)行良好且具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。但是,所有6臺(tái)機(jī)組均不同程度地表現(xiàn)出了當(dāng)機(jī)組出力接近額定出力時(shí)尾水管進(jìn)人門處會(huì)發(fā)出較強(qiáng)烈的水流撞擊尾水錐管壁的聲音。與此同時(shí),相應(yīng)機(jī)組的尾水平臺(tái)處還會(huì)感受到頻率低于尾水管進(jìn)人門處頻率的低沉的爆破聲且尾水平臺(tái)處有明顯的振感。
據(jù)此現(xiàn)象分析應(yīng)為尾水管壓力脈動(dòng)所致。通常情況下,能夠?qū)崿F(xiàn)足量自然補(bǔ)氣的水輪機(jī)都會(huì)自動(dòng)地調(diào)節(jié)補(bǔ)氣量從而使尾水管壓力脈動(dòng)保持在一個(gè)適當(dāng)?shù)乃剑粫?huì)有異常的聲音發(fā)生。如圖1所示,在瑞麗江一級(jí)電站水輪機(jī)主軸下法蘭處開有4-Φ25斜孔,鑒于瑞麗江一級(jí)電站尾水位相對(duì)穩(wěn)定,吸出高度在-6m左右,完全可以由尾水平臺(tái)處的補(bǔ)氣管路經(jīng)頂蓋腔再通過主軸上的上述4-Φ25斜孔進(jìn)入轉(zhuǎn)輪泄水錐并最后經(jīng)過泄水錐底部的補(bǔ)氣閥實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)的自然補(bǔ)氣過程。
既然可以實(shí)現(xiàn)自然補(bǔ)氣,而上述尾水管進(jìn)人門和尾水平臺(tái)處的聲響依然存在,是引起上述現(xiàn)象的原因判斷有誤還是另有其他原因呢?為此,哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司專門派員赴瑞麗江一級(jí)電站工地實(shí)地考察。
為確定瑞麗江一級(jí)電站水輪發(fā)電機(jī)組在機(jī)組出力接近額定出力時(shí)尾水管進(jìn)人門處會(huì)發(fā)出較強(qiáng)烈的水流撞擊尾水錐管壁聲音的原因,哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司與瑞麗江一級(jí)電站有關(guān)人員對(duì)除正在檢修的2號(hào)機(jī)組外的5臺(tái)機(jī)組在相同的水頭和尾水位情況下進(jìn)行了比對(duì)試驗(yàn)研究。具體情況如下:
參試機(jī)組:1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)機(jī)組;
試驗(yàn)水頭:315m;
尾水位:395.50m;
負(fù)荷變化情況:分別將上述機(jī)組出力調(diào)至90MW、95MW、96MW、97MW、98MW、99MW和額定負(fù)荷100MW;
機(jī)組振動(dòng)擺度:利用機(jī)組振動(dòng)擺度測(cè)量系統(tǒng)研究頂蓋、下機(jī)架和上機(jī)架的振動(dòng)以及水導(dǎo)、下導(dǎo)和上導(dǎo)的垂直和水平擺度隨負(fù)荷的變化情況;
圖1 瑞麗江一級(jí)電站水輪機(jī)剖面
水輪機(jī)層儀表盤處的壓力變化情況:研究尾水管進(jìn)口壓力、迷宮止漏環(huán)后壓力、頂蓋內(nèi)腔壓力及轉(zhuǎn)輪與基礎(chǔ)環(huán)間壓力隨負(fù)荷的變化情況;
噪聲情況:體驗(yàn)尾水管進(jìn)人門處及▽401m尾水平臺(tái)處的噪聲隨負(fù)荷的變化情況。
所有參試機(jī)組的試驗(yàn)結(jié)果均呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)。僅以補(bǔ)氣管路堵塞、無法進(jìn)行自然補(bǔ)氣的1號(hào)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例加以分析:
如圖2所示,瑞麗江1號(hào)機(jī)的振動(dòng)值都在一個(gè)比較安全的范圍內(nèi)。頂蓋和下機(jī)架振動(dòng)值都在國家標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定的可以無限制地長期運(yùn)行的范圍內(nèi),且基本上不隨機(jī)組出力的變化而變化;而上機(jī)架振動(dòng)值也都基本上處于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的無限制地長期運(yùn)行上限值125%的機(jī)組可以安全運(yùn)行的范圍內(nèi)。
圖2 瑞麗江1號(hào)機(jī)組振動(dòng)值隨機(jī)組出力的變化
如圖3所示,瑞麗江1號(hào)機(jī)的擺度值也都處在一個(gè)比較安全的范圍內(nèi)。所有擺度值都在國家標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定的可以無限制地長期運(yùn)行的范圍內(nèi),且基本上不隨機(jī)組出力的變化而變化。
迷宮止漏環(huán)后壓力、頂蓋內(nèi)腔壓力及轉(zhuǎn)輪與基礎(chǔ)環(huán)間壓力不隨機(jī)組負(fù)荷的變化而變化,尾水管進(jìn)口壓力除機(jī)組出力為100MW時(shí)有0.04MPa的壓力波動(dòng)外也呈現(xiàn)出不隨機(jī)組負(fù)荷的變化而變化的趨勢(shì)。
當(dāng)負(fù)荷低于97MW時(shí)水輪機(jī)尾水管處水流聲音正常,當(dāng)負(fù)荷高于97MW時(shí)水輪機(jī)尾水管中就會(huì)發(fā)出較強(qiáng)的水流撞擊聲且該聲音呈現(xiàn)出隨著負(fù)荷的增大而增大的趨勢(shì)。在尾水管進(jìn)人門處水流撞擊聲的頻率在2Hz左右。當(dāng)尾水管處有較強(qiáng)的水流撞擊聲時(shí),▽401m尾水平臺(tái)處也同時(shí)有低頻的振感。
圖3 瑞麗江1號(hào)機(jī)組擺度值隨機(jī)組出力的變化
試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,不論尾水管進(jìn)人門處是否發(fā)出較強(qiáng)烈的水流撞擊尾水錐管壁聲音,機(jī)組的振動(dòng)擺度情況和各測(cè)點(diǎn)處的壓力波動(dòng)情況都處在相對(duì)良好的狀態(tài)。即使在壓力脈動(dòng)最大的機(jī)組出力為 100MW 時(shí),水輪機(jī)尾水管進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)也僅為1.3%,瑞麗江1級(jí)電站水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)都處在非常安全的狀態(tài)。
在上述試驗(yàn)結(jié)果中,有幾點(diǎn)值得特別關(guān)注:
(1)機(jī)組上機(jī)架水平振動(dòng)在出力小于 97MW 時(shí)基本保持不變,而當(dāng)機(jī)組出力大于97MW時(shí),上機(jī)架水平振動(dòng)值呈現(xiàn)出明顯的隨機(jī)組出力的增大而增大的趨勢(shì);
(2)尾水管進(jìn)口壓力在其他負(fù)荷下未發(fā)現(xiàn)明顯的波動(dòng)情況,而在機(jī)組出力為 100MW 時(shí)尾水管進(jìn)口壓力波動(dòng)達(dá)到了0.04MPa,即此時(shí)壓力脈動(dòng)達(dá)到1.3%;
(3)水輪機(jī)尾水管只有在機(jī)組負(fù)荷大于 97 MW時(shí)才會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的水流撞擊聲且該聲音隨著負(fù)荷的增大而增大;
(4)尾水管進(jìn)人門處水流撞擊聲的頻率為 2Hz左右,相當(dāng)于約0.3倍的轉(zhuǎn)頻;
(5)當(dāng)尾水管處有較強(qiáng)的水流撞擊聲時(shí),▽401m尾水平臺(tái)處也同時(shí)有低頻的振感。
上述現(xiàn)象非常類似于由水輪機(jī)渦帶引起的噪聲和振動(dòng)現(xiàn)象。從圖4中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)出現(xiàn)上述噪聲和振動(dòng)現(xiàn)象時(shí),即機(jī)組負(fù)荷大于97MW時(shí),水輪機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)已經(jīng)處于反向柱狀渦帶區(qū)域,且從圖5所示的模型試驗(yàn)結(jié)果可知,此時(shí),由于機(jī)組相對(duì)流量大于最優(yōu)效率點(diǎn)處流量(此時(shí)機(jī)組的相對(duì)壓力脈動(dòng)值也應(yīng)該呈現(xiàn)出明顯上升的趨勢(shì)。但是,由于具有自激振動(dòng)特性的反向柱狀渦帶僅與導(dǎo)葉開度和尾水管壓力有關(guān)[3],故而當(dāng)機(jī)組工況確定后,就可以僅僅通過改變渦帶區(qū)的壓力來影響渦帶的特性。從理論上講,提高尾水管壓力,或更準(zhǔn)確地講是提高反向柱狀渦帶發(fā)生區(qū)的壓力,就可以降低渦帶的強(qiáng)度,從而降低壓力脈動(dòng)值。由于瑞麗江電站的尾水位幾近恒定,改變反向柱狀渦帶區(qū)壓力,即通過機(jī)組本身的自然補(bǔ)氣系統(tǒng)提高渦帶負(fù)壓區(qū)壓力以達(dá)到減小渦帶強(qiáng)度從而降低壓力脈動(dòng)程度的作用,就應(yīng)該成為最直接、最經(jīng)濟(jì)和最安全的方案。但從實(shí)際運(yùn)行情況看,自然補(bǔ)氣系統(tǒng)似乎沒有發(fā)揮作用。是自然補(bǔ)氣系統(tǒng)發(fā)生了什么問題還是對(duì)發(fā)生上述現(xiàn)象的原因分析有誤?利用瑞麗江電站2號(hào)水輪機(jī)大修的有利時(shí)機(jī),對(duì)自▽401m尾水平臺(tái)始到轉(zhuǎn)輪泄水錐止的自然補(bǔ)氣系統(tǒng)進(jìn)行了全面的檢查。
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查,發(fā)現(xiàn)瑞麗江電站2號(hào)機(jī)自然補(bǔ)氣系統(tǒng)存在嚴(yán)重的進(jìn)氣不暢現(xiàn)象:
(1)▽401m 尾水平臺(tái)上的進(jìn)氣閥僅開有 6只Φ3mm左右的通孔;
(2)頂蓋處補(bǔ)氣管路某些DN50管路的連接接頭通徑僅為Φ30mm左右;
(3)轉(zhuǎn)輪內(nèi)補(bǔ)氣閥的 16個(gè)Φ10mm補(bǔ)氣孔過流面積過?。?/p>
(4)轉(zhuǎn)輪泄水錐處的補(bǔ)氣螺塞的直徑僅為Φ24mm,過流面積過小。
由于上述四種進(jìn)氣不暢現(xiàn)象的存在,致使瑞麗江電站2號(hào)機(jī)自然補(bǔ)氣系統(tǒng)的氣流通道的當(dāng)量直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最可能成為制約補(bǔ)氣能力的主軸上的 4-Φ25mm斜孔的當(dāng)量直徑Φ50mm(當(dāng)量直徑為與補(bǔ)氣系統(tǒng)氣流通道的過流面積相等的圓截面的直徑),因此補(bǔ)氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值,起不到減弱或消除反向柱狀渦帶從而改善機(jī)組噪聲和振動(dòng)現(xiàn)象的作用。
圖4 瑞麗江一級(jí)電站水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線
圖5 對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)水頭的模型試驗(yàn)結(jié)果:相對(duì)壓力脈動(dòng)隨相對(duì)單位流量變化趨勢(shì)
為了最終確定導(dǎo)致瑞麗江電站2號(hào)機(jī)高負(fù)荷區(qū)噪聲和振動(dòng)現(xiàn)象的原因就是反向柱狀渦帶且足量的補(bǔ)氣會(huì)從根本上抑制反向柱狀渦帶所導(dǎo)致的噪聲和振動(dòng)現(xiàn)象,決定在正在運(yùn)行的3號(hào)機(jī)組上利用廠用低壓氣源進(jìn)行強(qiáng)迫補(bǔ)氣試驗(yàn)。
試驗(yàn)方案為:將3號(hào)水輪機(jī)位于▽401m尾水平臺(tái)處的補(bǔ)氣閥拆除,將該處的水輪機(jī)補(bǔ)氣管與廠用低壓氣源(最高工作壓力0.8MPa)相連。廠用低壓氣源與尾水平臺(tái)處的水輪機(jī)補(bǔ)氣管間設(shè)置單向閥、調(diào)壓閥、截止閥和壓力表各一只。具體連接方案如圖6所示,圖中由左至右分別為截止閥、壓力表、調(diào)壓閥、單向閥、儲(chǔ)氣罐和空壓機(jī):
圖6 強(qiáng)迫補(bǔ)氣系統(tǒng)圖
在瑞麗江水電站3號(hào)機(jī)上進(jìn)行了改變補(bǔ)氣通道狀態(tài)及強(qiáng)迫補(bǔ)氣對(duì)改善水輪機(jī)尾水管進(jìn)人門處在滿負(fù)荷附近發(fā)生的噪聲和振動(dòng)情況進(jìn)行了試驗(yàn),具體情況如下:
(1)試驗(yàn)負(fù)荷:100MW;
(2) 試驗(yàn)狀態(tài):①原補(bǔ)氣管路狀態(tài);②拆除▽401m尾水平臺(tái)處的進(jìn)氣閥;③利用廠用低壓0.7MPa氣源通過圖5所示補(bǔ)氣管路對(duì)機(jī)組進(jìn)行強(qiáng)迫補(bǔ)氣。
(3)監(jiān)測(cè)部位:①尾水管進(jìn)人門處的噪聲;②水輪機(jī)層儀表盤之“尾水管進(jìn)口壓力”、“迷宮止漏環(huán)后壓力”、“頂蓋內(nèi)腔壓力”及“轉(zhuǎn)輪與基礎(chǔ)環(huán)間壓力”;③機(jī)組 UCB顯示的機(jī)組運(yùn)行參數(shù)及振動(dòng)擺度情況;④▽401m尾水平臺(tái)處的噪聲。
(4)試驗(yàn)結(jié)果:隨著補(bǔ)氣管路的暢通(拆除▽401m尾水平臺(tái)處的進(jìn)氣閥)及強(qiáng)迫補(bǔ)氣的進(jìn)行,相對(duì)于原補(bǔ)氣管路狀態(tài),①尾水管進(jìn)人門處及▽401m尾水平臺(tái)處的噪聲強(qiáng)度呈明顯下降的趨勢(shì)且噪聲頻率呈明顯下降的趨勢(shì),在強(qiáng)迫補(bǔ)氣時(shí)尤甚;②水輪機(jī)層儀表盤之“尾水管進(jìn)口壓力”示值呈下降趨勢(shì)且壓力波動(dòng)頻率呈減緩趨勢(shì),在強(qiáng)迫補(bǔ)氣時(shí)尤甚;水輪機(jī)層儀表盤之“迷宮止漏環(huán)后壓力”、“頂蓋內(nèi)腔壓力”及“轉(zhuǎn)輪與基礎(chǔ)環(huán)間壓力”示值無變化;③機(jī)組UCB顯示的機(jī)組運(yùn)行參數(shù)及振動(dòng)擺度情況無變化。
(5)與補(bǔ)氣管路不通暢的1號(hào)機(jī)的比較:在相同上下游水位情況下,無法自然補(bǔ)氣的 1號(hào)機(jī)也帶100MW負(fù)荷,在▽401m尾水平臺(tái)處感受到的噪聲強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于3號(hào)機(jī)原補(bǔ)氣管路狀態(tài)下的噪聲強(qiáng)度。
根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可以推知:補(bǔ)氣可以明顯地改善瑞麗江機(jī)組尾水管處的噪聲情況。隨著補(bǔ)氣量的增大,機(jī)組水輪機(jī)尾水管進(jìn)人門處在滿負(fù)荷附近發(fā)生的噪聲情況呈明顯改善的趨勢(shì)。由此推之,如果補(bǔ)氣量充足的話,有可能根除瑞麗江機(jī)組尾水管處的噪聲。因而在瑞麗江2號(hào)水輪機(jī)上采取了如下改進(jìn)措施:
(1)取消轉(zhuǎn)輪泄水錐處的補(bǔ)氣螺塞,從而保證該處的過流直徑不小于Φ50mm;
(2)轉(zhuǎn)輪內(nèi)補(bǔ)氣閥的16個(gè) Φ10mm孔,均擴(kuò)大為Φ14mm;
(3)保證頂蓋內(nèi)的DN50管路的連接接頭內(nèi)徑不小于Φ50mm;
(4)更換▽401m 尾水管平臺(tái)上的進(jìn)氣閥,保證過流通道當(dāng)量直徑不小于Φ50mm,確保進(jìn)氣通暢。
自2009年末對(duì)自然補(bǔ)氣系統(tǒng)改進(jìn)以來,瑞麗江電站2號(hào)機(jī)自然補(bǔ)氣管路通暢,高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)水輪機(jī)尾水管處水流聲音已正常,且自然補(bǔ)氣管路改造前伴隨尾水管處噪聲出現(xiàn)的▽401m尾水平臺(tái)處的低頻振感也不再出現(xiàn)。通過確保自然補(bǔ)氣管路系統(tǒng)過流面積保證足夠的自然補(bǔ)氣量從而消除由反向柱狀渦帶引起的尾水管處水流不穩(wěn)定的嘗試取得了成功。
據(jù)此,以下兩點(diǎn)建議對(duì)于采用自然補(bǔ)氣系統(tǒng)的電站應(yīng)該具有指導(dǎo)意義:
(1)為保證補(bǔ)氣系統(tǒng)的正常工作,務(wù)必確保機(jī)組補(bǔ)氣管路的暢通;
(2)對(duì)于特定的自然補(bǔ)氣系統(tǒng)而言,補(bǔ)氣量的大小僅決定于補(bǔ)氣管路中的最小當(dāng)量直徑。因此,必須采取措施保證補(bǔ)氣管路任意過流面均具有足夠的過流面積,以確保機(jī)組具有足夠的補(bǔ)氣量。
[1]GB/T6075.5—2002, 在非旋轉(zhuǎn)部件上測(cè)量和評(píng)價(jià)機(jī)器的機(jī)械振動(dòng)第5部分:水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組, 中華人名共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[S].
[2]GB/T11348.5—2002, 旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)定第5部分:水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組, 中華人名共和國國家標(biāo)準(zhǔn)[S].
[3]F. Flemming. Overload Surge Investigation Using CFD Data[C]// Proceeding of the 24thIAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems.2008, 2-4.