王 嘉，謝 輝，周 斌，王春雷

（1. 水力發(fā)電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 黃龍灘水力發(fā)電廠，湖北 十堰 442000；3. 黑龍江哈電多能水電開發(fā)有限責任公司，哈爾濱 150000）

0 前言

黃龍灘水電站施工于1960年代末期，哈爾濱電機廠為其設計和制造了單機容量 7.5萬千瓦的混流式水輪發(fā)電機組。機組共2臺，投產(chǎn)近50年來創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。但由于設備利用率高，運行時間長，并且電站下游丹江口水庫由于南水北調工程對大壩進行加高，造成黃龍灘電廠尾水位升高10m以上，尾水位上升會導致尾水從水輪機大軸補氣孔倒灌至發(fā)電機內，會造成嚴重事故。補氣裝置存在的隱患嚴重影響到機組的安全穩(wěn)定運行和經(jīng)濟效益的發(fā)揮，故此需改造原有機組的補氣裝置。

1 水輪機組補氣裝置的作用

固有頻率重合而產(chǎn)生共振，引起機組振動或負荷擺動。渦帶還會破壞水輪機過流表面，使得過流部件產(chǎn)生氣蝕或裂紋。

水輪機組的補氣裝置就是為了在機組出現(xiàn)不穩(wěn)定工況時，補入空氣，破壞渦帶，借以吸震及降低漩渦強度，改善機組的運行狀況。同時對產(chǎn)生空蝕的區(qū)域進行補氣可減輕或防止過流部件的空蝕破壞，提高水輪機組出力和轉輪壽命。在緊急關機時進行補氣，還可以減輕水錘現(xiàn)象，減少部件振動和擺動。補氣時，為了減少噪音，補氣管徑要足夠大。但在不需要補氣的時候，補氣裝置還需防止尾水從補氣管流出，要求其密封性必須可靠。故補氣裝置對于混流式水輪機組是必不可少的部件。

在混流式水輪機組偏離最優(yōu)工況運行時，由于水流擾動，不同程度地會出現(xiàn)壓力脈動現(xiàn)象。此時尾水管內出現(xiàn)渦帶，由于渦帶強烈擾動，或其頻率與機組

2 黃龍灘水電站1號、2號機組補氣裝置現(xiàn)況

黃龍灘水電站1號、2號機組補氣裝置采用的是主軸中心孔補氣、尾水管十字架補氣、頂蓋真空破壞閥補氣相結合的形式。

2.1 主軸中心孔補氣

主軸中心孔補氣裝置安裝在轉輪泄水錐內，安裝位置高程為161.9m，在轉輪泄水錐下端法蘭面上裝有Φ200mm空氣閥，如圖1所示。不需補氣時彈簧把密封球頂在閥口處，起密封作用。當水輪機轉輪下方出現(xiàn)真空現(xiàn)象并且真空度達到一定數(shù)值時，密封球兩側的壓力差將密封球壓下，補氣通道打開，大氣從發(fā)電機頂軸的頂端（高程為173m）通過主軸內孔，進行自動補氣。

圖1 大軸中心孔補氣

2.2 尾水管十字架補氣

在尾水管進口裝有十字架補氣裝置，十字架管路經(jīng)過通氣環(huán)管引至尾水平臺上與Φ200尾水補氣閥連接，在尾水管產(chǎn)生真空時進行自動補氣。

2.3 頂蓋真空補氣

1、2號機組在頂蓋+Y與-Y方向安裝有2只Φ150頂蓋真空補氣閥，當轉輪室生產(chǎn)真空時打開補氣閥進行自動補氣。

3 黃龍灘水電站1、2號機組補氣裝置的隱患

目前黃龍灘水電站的尾水位為162～165m。但由于進行南水北調工程，下游水庫水位升高至 155～170m之間。故每年的11月至第二年的5月之間，下游丹江口水庫的水位會升高到170m左右。此時如果黃龍灘四臺機組同時發(fā)電或者泄洪時，尾水位將會進一步升高，超過發(fā)電機層高程，發(fā)電機頂軸高程為173m，如密封失效，尾水會從頂軸溢出，直接水淹發(fā)電機組，產(chǎn)生嚴重的事故。

1號、2號機組采取的補氣方式為主軸、尾水管以及頂蓋補氣，當機組在不穩(wěn)定或過渡工況運行時，轉輪下部形成真空，引起振動，此時空氣閥自動開啟，將空氣送入轉輪下部以消除真空，保護設備。同時水輪機轉輪改造，機組出力增加，水輪機的過流量增加，機組原有的補氣量可能不能滿足運行要求，達不到補氣效果。

此外原有的主軸中心補氣閥采用的是橡膠球形式的單層密封，長期泡在水中，橡皮球極易老化，經(jīng)一段時間運行后橡膠球在頻繁的補氣動作沖擊下被壓出凹槽變形，會造成補氣閥密封失效。補氣閥密封彈簧銹蝕老化失效，也會造成密封不嚴。故尾水位過高時，尾水將由于的密封失效而從主軸軸孔進入發(fā)電機層，水淹機組，嚴重影響電廠安全運行。

4 補氣裝置結構改造和補氣計算

4.1 補氣結構型式的選擇

補氣結構按其補氣位置不同，通常有3種結構型式：主軸中心孔補氣、頂蓋強迫補氣、尾水管十字架補氣[3]。

黃龍灘水電站1號、2號機組原采用的主要是尾水管十字架補氣和主軸中心孔補氣相結合的形式。水輪機尾水管十字架補氣（如圖2所示）的優(yōu)點是能在部分工況下補氣，減輕尾水管壓力脈動對整個機組的影響。缺點是補氣量不大，機組改造時也難以再對埋入混凝土的進氣管進行改進。

圖2 尾水管十字補氣架

而采用頂蓋真空破壞閥補氣（如圖3所示），補氣效果由于尾水位的升高會有更好的效果。但現(xiàn)有的真空破壞閥尺寸偏小，不能滿足增容的需求。如改造，則需重新配置2個真空破壞閥及相應的配套設施，成本太高。并且如采用頂蓋真空破壞閥補氣型式，需對頂蓋進行改造，并重新鋪設氣管路，這對于老機組改造是個很大工作量，也是不宜采用的改造方案。

1號、2號機組原有的大軸中心補氣閥僅有一個橡膠球依靠彈簧作為密封，而且安裝在主軸下端轉輪泄水錐內，一旦發(fā)生漏水不能快速進行檢修，需要落下工作閘門和尾水閘門，排空壓力鋼管和尾水管內的積水，打開尾水進人孔，搭設尾水檢修平臺，才能進行檢修，需要較長的檢修工期。

通過可操作性和經(jīng)濟性研究，改進后的補氣裝置的結構采用主軸中心孔補氣型式。1號、2號機組的補氣裝置重新計算補氣量，結構上也是全新設計。將新結構的補氣閥安裝在發(fā)電機頂軸上，通過水輪機和發(fā)電機大軸的內孔進行補氣。但保留原有的尾水管補氣裝置，增加補氣量。

圖3 頂蓋真空補氣閥

圖4 丹江口水庫大壩加高后水庫運行曲線

4.2 補氣裝置計算

通常水輪機的補氣量是按經(jīng)驗公式計算，如下列公式所示[3]：

Qk=0.001Kq(Hc+10)Qmax(m3/s)

式中：Kq——試驗系數(shù)；

Qmax——水輪機最大流量(m3/s)；

Qk——補氣量(m3/s)。

此公式計算出的補氣量一般作為參考，同時由于機組出力、水頭、空蝕系數(shù)等因素影響補氣量的計算，故大部分機組的補氣量計算需參照同類型機組的運行情況，按下列公式計算：

Qk=（0.8%～2%）QH

式中：QH——額定流量。

參考近年來一些電站的運行情況，特別是與黃龍灘機組相近的電站，如改造后的新安江電站、新豐江電站等。對比各電站補氣裝置運行情況，重新選定了補氣量的參數(shù)，選定Qk=1.5%QH，即

Qk=1.5%QH=1.5%×132.3=1.98 m3/s

其他參數(shù)的設計見表1。

表1 其他參數(shù)的設計

4.3 補氣閥結構設計

由于尾水會通過主軸內孔到達補氣閥位置，如密封失效則會流進發(fā)電機。故增加了一道密封，即補氣閥采用雙密封的結構型式。第一道密封設置在補氣閥下方，設計為常關結構，當密封下方壓力達到-0.05MPa時閥門打開；當真空消失后閥門自動關閉，即密封投入。閥門的開啟程度及開啟值通過補氣閥內的彈簧調整[1]。

在第一層密封即閥體下部，增設一個浮筒密封裝置。此浮筒裝置處于常開狀態(tài)，不影響補氣閥的正常補氣。而當尾水位上升、主軸內水位上升到浮筒閥高程時，水的浮力作用在浮筒上，浮筒通過閥軸上移，關閉尾水上升通道，保證尾水不會從上部的補氣閥漏出，進而控制尾水不會流入發(fā)電機層，如圖5所示。

圖5 1、2號機組補氣裝置改造圖

在補氣閥的外部設計了補氣室，罩住補氣閥，既美觀而且設計了排水管路。冷凝水或者少量的涌水通過排水管路到廠房排水溝內，保證機組安全運行[2]。

4.4 1、2號機組補氣閥改造的實施

采用新的雙密封補氣閥DN300，需要對機組的部件進行改進，改進如下：

1) 暫時保留原有的尾水管補氣裝置作為補充；

2) 取消轉輪內部原有的浮球空氣閥；

3) 在發(fā)電機頂軸上加工固定補氣室的螺孔；

4) 主軸內孔直接作為進氣管道，需要在各段主軸法蘭的部位，增設密封槽；增加補氣室及其進氣管和排水管。

5 論證結論和改造效果

黃龍灘1號、2號機組補氣裝置的改造在計算上是理論和實際相結合，借鑒了多個電站的運行情況[4]，增加了補氣量。在結構上，根據(jù)黃龍灘電站的尾水位變化情況，增設了密封保護，有兩道密封防止尾水位升高所帶來的安全隱患，提高機組的安全和可靠性。同時由于改造的部件較少，改動少，對土建沒有影響，故不影響到機組的整體布置，改造工程容易實施。

目前，改造后的補氣裝置已在1號機組實施。實施后，在機組運行過程中，滿足尾水升高后的補氣需要。補氣裝置未出現(xiàn)異常情況，能夠滿足機組正常運行的需要。

[1]張克危, 等. 流體機械原理[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2000.

[2]羅惕乾, 等. 流體力學[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2003.

[3]哈爾濱大電機研究所. 水輪機設計手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 1976.

[4]黃源芳, 等. 原型水輪機運行研究[M]. 北京：中國電力出版社, 2010.