水電站水輪發電機組頂蓋排水系統研究

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摘要：頂蓋排水系統是水輪發電機組必要的輔助系統之一，不論機組在發電態亦或是停機態，頂蓋積水主要由導葉中軸套漏水和頂蓋與大軸間漏水等原因引起，頂蓋排水泵作為頂蓋排水系統的核心，其作用是排走滲漏積水，防止積水過多引發水淹水導軸承，導致機組非計劃停運。以梨園水電站機組頂蓋排水泵運行時間長為例，深刻剖析其原因并對系統進行了優化改造，大大提高了頂蓋排水系統的可靠性。

關鍵詞：頂蓋排水系統；頂蓋積水；滲漏積水；梨園水電站

梨園水電站地處金沙江中游，機組型式為混流式機組，裝機容量4×600MW，額定水頭106m。受機組結構的限制，水輪機頂蓋排水采用水泵強迫排水方式，在電站建設期，按照設計將頂蓋排水泵安裝在頂蓋支臂上，其高程為1496m。頂蓋排水系統配備了3臺三級自吸泵，互為備用，水泵型號為QXN30-60A/3-11,額定流量30m3/h、揚程60m。梨園水電站自4臺機組投運以來，機組頂蓋排水泵單次運行時間均在40min以上，排水泵運行時間［1］過長，嚴重影響到水泵壽命和機組安全穩定［2］運要從事水電站機械設備檢修維護工作。*行（期間已損壞5臺水泵）。結合問題的癥結，根據頂蓋排水形式合理地改造了頂蓋排水系統，優化排水泵的運行方式，降低了頂蓋排水泵運行時間。

1問題癥結及原因分析

針對梨園水電站頂蓋排水泵運行時間長的問題，從問題本質出發就水的源頭和水的去向兩個方面展開分析，提出了兩種推斷：頂蓋漏水量大和頂蓋排水系統排水量小。通過對2號機組頂蓋漏水量［3］及頂蓋排水泵流量進行多次測量得知，機組頂蓋漏水量高達11.5m3/h，排水泵流量低至20m3/h。由此，判定頂蓋排水泵運行時間長的癥結為：①頂蓋漏水量大；②頂蓋排水系統流量小。針對問題癥結，經過資料查詢和現場檢查確定找出了以下3個主要原因。

1.1頂蓋排水管路長、彎頭過多

3臺水泵出口排水支管匯成1根總管將頂蓋積水由頂蓋經尾水平臺排至尾水閘門后，管路出口高程1523.5m，如圖1所示。現場實際測量排水管路長度為120m，彎頭數量11個。由于排水管路長、彎頭多導致頂蓋排水泵排水過程沿程損失和局部損失［4］過大，進而影響排水效率。

1.2止回閥失效

經檢查在2號機組1號頂蓋排水泵運行期間，另外兩臺停泵管路存在明顯的返水情況，通過測量發現返水流量高達2m3/h左右。2號機組檢修期間，檢查確認3臺頂蓋排水泵出口水平布置的對夾式止回閥均出現了不同程度的卡塞，其中兩個止回閥的彈簧已經斷裂、閥已失效。水平布置的止回閥由于受力不均極易造成閥的卡澀甚至損壞，進而導致主用泵運行排水倒灌回備用泵管路中，造成水泵排水效率低，減少了頂蓋排水系統排水流量。1.3大軸水腔密封條老化斷裂梨園水電站主軸密封［5］分為工作密封和檢修密封。工作密封主要由滑環、密封環、嵌入式密封環、支持環、主軸密封供水管路以及大軸水腔密封箱等組成。大軸水腔密封箱體中的水來自于頂蓋與大軸間漏水和主軸密封技術供水,它主要依靠工作密封和其上部一圈φ9mm水腔密封條進行密封，2號機組檢修期間，拆卸大軸水腔密封箱體檢查發現，水腔密封條已嚴重老化多處斷裂，密封已失效，造成頂蓋漏水量增大。

2優化改造過程

綜合以上主要原因，經過與水泵廠家和設計單位的溝通交流，最終確定了頂蓋排水系統的針對性優化改造方案。

2.1改造頂蓋排水管路

頂蓋排水管路改造項目將管路由頂蓋經尾水平臺排至尾水改為經頂蓋平壓管排至尾水管中，如圖2所示。改造后，頂蓋排水管路出口高程由原來的1523.5m降至1494.8m，管路長度減少至55m，彎頭個數減為5個，降低了整個排水過程水力損失。改造完成后，頂蓋排水泵排水流量增大至28m3/h，排水量效率大大提高，降低了頂蓋排水泵的運行時間。

2.2止回閥布置方向水平改垂直

在頂蓋排水泵出口管路上，將原來水平布置的對夾式升降直通蝶形止回閥［6］改為垂直布置方式，如圖3所示。使止回閥在工作狀態中受力均勻，止回嚴密，解決了頂蓋排水泵管路返水問題，有效的提高了水泵排水效率。

2.3更換新材料大軸水腔密封

結合大軸水腔密封的結構特點、工作原理以及工作環境對密封材料進行選取，最終采用適用于多泥沙水電站耐磨損、耐腐蝕性更強的SOROTHURN丁晴橡膠O型密封條。為了保證安裝質量，密封條安裝完成后利用塞尺對水腔密封四周8個方向間隙進行了測量，間隙值均小于10道。此外，利用超聲波流量計對頂蓋漏水量進行了復測，漏水量降至6m3/h，有效減少了頂蓋漏水量。

2.4優化水泵控制邏輯

根據頂蓋排水管路改造和新材料水腔密封更換后的運行情況，進一步優化頂蓋排水泵的控制邏輯，保留原來基于頂蓋水位采取的一主一輔一備3臺水泵交替循環運行的控制方式，在此基礎上將PLC［7］水泵控制環節中加入時間控制單元。具體為：以水泵連續運行40min為時間節點，當主用泵運行時長到達條件，自動輪換到輔助泵運行；輔助水泵運行時長達到條件，自動輪換到備用泵運行。加入時間節點的輪換控制機制，起到了后備保護作用避免頂蓋排水泵長時間運行，提高了水泵壽命。

3實施效果

梨園水電站頂蓋排水系統改造方案已成功應用于2號機組中，整個頂蓋排水系統優化改造后，經運行實踐證明頂蓋排水泵運行時間由原來的40min減少至28min。該改造方案有效地解決了頂蓋排水泵排水能力差、啟停頻繁、運行時間長的問題，達到了預期的改造效果。增強了頂蓋排水系統可靠性，進而保障了機組安全穩定運行。

4結語

頂蓋排水系統優化改造項目在梨園水電站的成功實施和應用，保證了機組安全穩定運行，有效避免了因頂蓋排水泵損壞導致水淹水導軸承造成機組非停給整個電網帶來的沖擊，保障了正常的社會生產、生活秩序。同時，為同類型相同頂蓋排水結構的電站提供了成功的改造經驗。

參考文獻：

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［7］李天智，張英.水電站頂蓋排水系統設計優化探討［J］.水電站機電技術，2013,36（1）:20-22.

作者：劉虹 羅小鋼 單位：云南華電金沙江中游水電開發有限公司梨園發電分公司