水电站水轮发电机组顶盖排水系统研究

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摘要：顶盖排水系统是水轮发电机组必要的辅助系统之一，不论机组在发电态亦或是停机态，顶盖积水主要由导叶中轴套漏水和顶盖与大轴间漏水等原因引起，顶盖排水泵作为顶盖排水系统的核心，其作用是排走渗漏积水，防止积水过多引发水淹水导轴承，导致机组非计划停运。以梨园水电站机组顶盖排水泵运行时间长为例，深刻剖析其原因并对系统进行了优化改造，大大提高了顶盖排水系统的可靠性。

关键词：顶盖排水系统；顶盖积水；渗漏积水；梨园水电站

梨园水电站地处金沙江中游，机组型式为混流式机组，装机容量4×600MW，额定水头106m。受机组结构的限制，水轮机顶盖排水采用水泵强迫排水方式，在电站建设期，按照设计将顶盖排水泵安装在顶盖支臂上，其高程为1496m。顶盖排水系统配备了3台三级自吸泵，互为备用，水泵型号为QXN30-60A/3-11,额定流量30m3/h、扬程60m。梨园水电站自4台机组投运以来，机组顶盖排水泵单次运行时间均在40min以上，排水泵运行时间［1］过长，严重影响到水泵寿命和机组安全稳定［2］运要从事水电站机械设备检修维护工作。*行（期间已损坏5台水泵）。结合问题的症结，根据顶盖排水形式合理地改造了顶盖排水系统，优化排水泵的运行方式，降低了顶盖排水泵运行时间。

1问题症结及原因分析

针对梨园水电站顶盖排水泵运行时间长的问题，从问题本质出发就水的源头和水的去向两个方面展开分析，提出了两种推断：顶盖漏水量大和顶盖排水系统排水量小。通过对2号机组顶盖漏水量［3］及顶盖排水泵流量进行多次测量得知，机组顶盖漏水量高达11.5m3/h，排水泵流量低至20m3/h。由此，判定顶盖排水泵运行时间长的症结为：①顶盖漏水量大；②顶盖排水系统流量小。针对问题症结，经过资料查询和现场检查确定找出了以下3个主要原因。

1.1顶盖排水管路长、弯头过多

3台水泵出口排水支管汇成1根总管将顶盖积水由顶盖经尾水平台排至尾水闸门后，管路出口高程1523.5m，如图1所示。现场实际测量排水管路长度为120m，弯头数量11个。由于排水管路长、弯头多导致顶盖排水泵排水过程沿程损失和局部损失［4］过大，进而影响排水效率。

1.2止回阀失效

经检查在2号机组1号顶盖排水泵运行期间，另外两台停泵管路存在明显的返水情况，通过测量发现返水流量高达2m3/h左右。2号机组检修期间，检查确认3台顶盖排水泵出口水平布置的对夹式止回阀均出现了不同程度的卡塞，其中两个止回阀的弹簧已经断裂、阀已失效。水平布置的止回阀由于受力不均极易造成阀的卡涩甚至损坏，进而导致主用泵运行排水倒灌回备用泵管路中，造成水泵排水效率低，减少了顶盖排水系统排水流量。1.3大轴水腔密封条老化断裂梨园水电站主轴密封［5］分为工作密封和检修密封。工作密封主要由滑环、密封环、嵌入式密封环、支持环、主轴密封供水管路以及大轴水腔密封箱等组成。大轴水腔密封箱体中的水来自于顶盖与大轴间漏水和主轴密封技术供水,它主要依靠工作密封和其上部一圈φ9mm水腔密封条进行密封，2号机组检修期间，拆卸大轴水腔密封箱体检查发现，水腔密封条已严重老化多处断裂，密封已失效，造成顶盖漏水量增大。

2优化改造过程

综合以上主要原因，经过与水泵厂家和设计单位的沟通交流，最终确定了顶盖排水系统的针对性优化改造方案。

2.1改造顶盖排水管路

顶盖排水管路改造项目将管路由顶盖经尾水平台排至尾水改为经顶盖平压管排至尾水管中，如图2所示。改造后，顶盖排水管路出口高程由原来的1523.5m降至1494.8m，管路长度减少至55m，弯头个数减为5个，降低了整个排水过程水力损失。改造完成后，顶盖排水泵排水流量增大至28m3/h，排水量效率大大提高，降低了顶盖排水泵的运行时间。

2.2止回阀布置方向水平改垂直

在顶盖排水泵出口管路上，将原来水平布置的对夹式升降直通蝶形止回阀［6］改为垂直布置方式，如图3所示。使止回阀在工作状态中受力均匀，止回严密，解决了顶盖排水泵管路返水问题，有效的提高了水泵排水效率。

2.3更换新材料大轴水腔密封

结合大轴水腔密封的结构特点、工作原理以及工作环境对密封材料进行选取，最终采用适用于多泥沙水电站耐磨损、耐腐蚀性更强的SOROTHURN丁晴橡胶O型密封条。为了保证安装质量，密封条安装完成后利用塞尺对水腔密封四周8个方向间隙进行了测量，间隙值均小于10道。此外，利用超声波流量计对顶盖漏水量进行了复测，漏水量降至6m3/h，有效减少了顶盖漏水量。

2.4优化水泵控制逻辑

根据顶盖排水管路改造和新材料水腔密封更换后的运行情况，进一步优化顶盖排水泵的控制逻辑，保留原来基于顶盖水位采取的一主一辅一备3台水泵交替循环运行的控制方式，在此基础上将PLC［7］水泵控制环节中加入时间控制单元。具体为：以水泵连续运行40min为时间节点，当主用泵运行时长到达条件，自动轮换到辅助泵运行；辅助水泵运行时长达到条件，自动轮换到备用泵运行。加入时间节点的轮换控制机制，起到了后备保护作用避免顶盖排水泵长时间运行，提高了水泵寿命。

3实施效果

梨园水电站顶盖排水系统改造方案已成功应用于2号机组中，整个顶盖排水系统优化改造后，经运行实践证明顶盖排水泵运行时间由原来的40min减少至28min。该改造方案有效地解决了顶盖排水泵排水能力差、启停频繁、运行时间长的问题，达到了预期的改造效果。增强了顶盖排水系统可靠性，进而保障了机组安全稳定运行。

4结语

顶盖排水系统优化改造项目在梨园水电站的成功实施和应用，保证了机组安全稳定运行，有效避免了因顶盖排水泵损坏导致水淹水导轴承造成机组非停给整个电网带来的冲击，保障了正常的社会生产、生活秩序。同时，为同类型相同顶盖排水结构的电站提供了成功的改造经验。

参考文献：

［1］丁文华，马加娇.水电厂顶盖排水系统运行效能分析的实践［J］.云南水力发电，2019,35（5）:192-194.

［2］许乾，耿岳维，李鹏，等.田庄水电站顶盖排水系统改造［J］.小水电，2019,（4）:55-56.

［3］王卫刚，刘兴平.龙口电站轴流式水轮机顶盖排水系统改造［J］.中国水能及电气化，2013,（5）:33-35.

［4］刘东东，邓成洪.围海水电站水轮机顶盖排水系统改造［J］.小水电，2014,（1）:48-49.

［5］苏家敏，陈昌凡.六甲1#、2#机组水轮机顶盖排水系统改造［J］.广西水利水电，2014,（6）:58-59.

［6］李新.喜河水电站机组顶盖排水系统改造［A］.全国大中型水电厂技术协作网技术交流文集（十三）水电厂改造专集［C］.2010:191-196.

［7］李天智，张英.水电站顶盖排水系统设计优化探讨［J］.水电站机电技术，2013,36（1）:20-22.

作者：刘虹 罗小钢 单位：云南华电金沙江中游水电开发有限公司梨园发电分公司