摘要：灯泡贯流式水轮机在低水头电站有着明显的优势，效率较高、单位转速高、单位流量大，与同容量立式机组比较尺寸小得多、机组重量轻、土建工程小、开挖量浅、投资省。但是在运行中也会暴露一些问题，文章针对运行中的缺陷，介绍了处理方案及方法，以供参考。
关键词：灯泡贯流式水轮机组；运行；故障
我国地域广阔，低水头水力资源十分丰富，而灯泡贯流式机组具有流量大、效率高、建设工期短、淹没少、投资省等显著优点，电厂设备选型均为国产。我国从20世纪60年代开始贯流式水轮机的研究和应用，到20世纪80年代，贯流机组技术及其应用取得突破性的进展。
一、灯泡贯流式机组的优势
1.1 灯泡贯流式机组的技术优势
从实践看，灯泡贯流式机组的技术优势有：适应于低水头径流式电站，与常规的立式轴流式机组相比，其具有明显的经济和技术性优势，不仅比轴流式机组节约建设费用，而且运行稳定、空蚀性小，可以提高发电的效率。具体技术优势如下：
1.1.1 流道形式合理：灯泡贯流式机组从结构上取消了平面上拐弯较大的蜗壳型结构和立面上拐弯的肘型尾水管，选择采用了直轴式引水室与圆锥式尾水管，其中，直轴式引水室进口断面为矩形，在接近灯泡体处逐渐过渡为圆环断面；圆锥式尾水管由圆形断面逐渐变为矩形断面。由于流道的对称平直性，避免了水流拐弯后形成的流速不均匀，改变了流态的情况，水力损失较小。
1.1.2 能量参数高且效率高：由于灯泡贯流式机组的卧式设计和布置，保证了水流的平顺，同时，因其采用直锥扩大性尾水管，减少了尾水管对水流的损失度，弥补了水头低的不足，使单位流量比轴流式机组增加了近40％，在相同的单位流量内，效率高出轴流式机组3％，而在同一个水头段内，单位转速比轴流机组高出10％，因此灯泡贯流式机组产生的参数指标较大且效率高于轴流式机组。
1.1.3 整机小，重量轻：灯泡贯流式机组的能量指标较高，同时其结构紧凑、体积小。与轴流式机组相比，在相同的转轮直径和水头下输出的能力要高30％，当水头和单机容量相同时，灯泡贯流式机组的转轮直径比轴流式机组的转轮小，也可减轻重量，因此其整机的体积小且重量轻。
1.1.4 性能稳定，适应性强：灯泡贯流式机组的效率较高，其加权评价效率要高出轴流式机组，因此每年的发电量要高于同等条件的轴流机组，经济性高于轴流机组。同时，灯泡贯流式机组的转轮与导叶的协调性要好于轴流式机组，结构刚性大且流道对称，机组的稳定性好，振动相对小。如前所述，灯泡贯流式机组空蚀轻微，降低了检修工作的强度，并且其适应性强，可以在4-25m范围内使用，可靠高效。
1.2 灯泡贯流式机组经济优势
灯泡贯流式机组主要有以下经济优势：
1.2.1 土建工程量少、投资省：灯泡贯流式水轮发电机组的厂房面积相对较小。此外，由于灯泡贯流式水轮发电机组为水平布置，其开挖深度也小于轴流转桨式机组。总之，总体厂房工程费用可节省30％～40％。
1.2.2 灯泡贯流式机组属低水头机型，投建后移民少：水电站投建后，往往会淹没水库周边的大片土地，迫使原居民搬迁，即形成移民。水电站建设过程中产生的大量移民，往往难以安置，给政府造成困难，产生巨大经济损伤。灯泡贯流式机组属低水头机型，因此在投建后能降低水库淹没损失、减少移民。
1.2.3 灯泡贯流式机组属径流式电站，有利于生态的发展：社会经济要求与生态环境和谐发展，形成一种可持续发展的模式。与轴流式水电机组不同，灯泡贯流式机组属于径流式机组，因此这种灯泡贯流式机组投运后有利于保护生态环境。
二、问题的提出
某电站厂房安装4台35MW灯泡贯流式水轮发电机组，总装机容量140MW，保证功率68.7MW，多年平均年发电量6.83亿kWh。2008年10月首台机组投产发电，2009年7月电站全面投产发电。自投运以来，因主机设计、制造及安装等方面的因素，以及辅助系统、自动化系统的运行不可靠及不完善问题，自机组调试起至商业运行的这几年，设备运行缺陷、故障频发，严重影响了电站的安全可靠及经济运行。本文主要分析转轮故障。
三、转轮故障及处理分析
水轮机型号为GZ4BN28A-WP-700，转轮体活塞采用缸动结构，四叶片，桨叶密封采用双V形+X密封。运行中出现的主要故障有：2、3和4号机组转轮叶片与转轮室摩擦，3号机组3号桨叶裂纹，3号机组桨叶密封漏油及桨叶端面抗磨环损坏。
3.1 转轮叶片与转轮室摩擦
2010年元月，在对2号机组实施的B级检修中发现，转轮室内侧距离外配水环600mm处，有宽约460mm的磨痕区，磨痕深约0.30mm。进一步检查转轮间隙发现叶片在+Y到-X（自下游向上游看）位置时叶片与转轮室间隙较小，在全关位置叶片与转轮室间隙局部小于设计最小值（理论值3.5～7mm）。
综合机组动态运行的各种变形，其设计间隙是能够满足正常运行时叶片不扫膛，但有个前提，即：安装时所调整叶片与转轮室上部间隙应略大于下部间隙约0.716mm。根据转轮室磨痕右上方较深较宽、下部较浅的状态特征，结合以上测量及计算结果，可以判定2号机转轮室基准中心向+X到-y方向偏离是产生转轮室磨痕的根本原因，不排除机组偏离额定工况时产生的向下游侧过大的轴线位移所致。根据这一意见，在磨痕附近全行程测量叶片与转轮室的最小间隙值后，确定转轮叶片需修磨部位及修磨量，进行打磨处理，对转轮室磨痕部位进行抛光处理。
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3.2 桨叶密封漏油及桨叶端面抗磨环损坏
2011年2月，在对3号机组进行B级检修中发现，1号及2号桨叶密封部位有渗油现象，检查更换密封过程中进一步发现2号桨叶轴端与转轮体间抗磨环局部凸起并断裂、桨叶轴端面拉伤。分析认为其受损原因是运行中塞焊固定到转轮体上的抗磨环焊点局部开焊或加工后应力作用，造成局部干磨所致。如果修复抗磨环，焊后需要热处理及大型设备加工。因现场处理难度较大及需要的工期太长，经与设计人员沟通，将转轮拆吊出机坑进行修复，将原抗磨环结构修改为枢轴卡环结构，考虑到转轮体芯的受力问题，对4个桨叶全部更换。
3.3 桨叶裂纹
2010年7月，在对3号机组进行的主轴密封更换处理工作中，检查发现在3号桨叶靠近出水边处，出现1条长约320mm的贯穿性裂纹及多条发散状的裂纹。根据铸造奥氏体不锈钢热裂纹倾向大的固有特点，桨叶裂纹应与安装期在该部位焊接吊耳及运行中机组振动频率、所受交变应力等诱因有关。
焊修处理基本工艺如下：①在裂纹的两端点并按其走向延长约8-10mm处钻φ10-12mm止裂通孔，用PT试验检测止裂孔内是否还有裂纹；②预热不低于100℃后，由两端向中间清除一侧裂纹，清除深度约1／2叶片厚度，做成近似u形坡口；⑨正反两面对称焊接，保证焊缝反面清根后焊缝还有足够的强度。④清除另一侧裂纹，并做出适于焊接的坡口预热不低于100℃后施焊。⑤焊接后做热处理并探伤检查。
为保证质量，要求连续焊接完成工作，若有中断，需对焊缝做后热处理。同时，为了减少因焊接而产生的残余应力，在施焊的过程中，尽量采用小的焊接规范，控制层间温度（≤200℃），进行多层多道、窄焊道、短弧、分段退步施焊，焊道相互迭压，接头错开，填满弧坑，消除裂纹。施焊过程中认真作到每焊1层、清碴1回、敲击1遍（底层及表层不敲击），发现缺陷，必须铲磨后方可继续施焊。
以上诸多缺陷的暴露告诉我们，要有效回避运行风险，减少设备事故的发生，应全面提高设备制造、安装、生产运行全过程的质量控制，提高设备管理活动中设备生命周期管理的质量。
四、轴承润滑油系统运行与改进
灯泡贯流式机组由于其型式和空间的限制，其轴承润滑只能采取外循环的方式。即靠外力将机组轴承润滑油送入各轴承建立油膜，供轴承润滑和冷却后流至轴承回油箱，轴承回油箱的油经冷却后再送入各轴承，如此循环。
供油过程：
轴承油泵启动后，经过油过滤器将油抽至润滑高位油箱，再由润滑高位油箱经涡轮流量计供至各部轴承。
4.1 螺杆泵系统的改进
经过多次试验发现，两台螺杆泵的出口逆止阀（挡板式）为垂直装设；有时挡板的活动空间较大，致使挡板不能完全关闭，当螺杆泵切换启动时，另一台螺杆泵启动直接泄压，出现抽不上油的故障。设计缺陷：出口逆止阀安装位置不合理；两台螺杆泵共用一个双筒片式过滤器；两台螺杆泵的出口不宜在逆止阀后并联在一起，应在过滤器后进行并联。
为解决这一问题，我们将两台螺杆泵的出口逆止阀的阀芯拆除，在螺杆泵的吸油口处增加两个底阀（单向阀），并多次试验获得成功，彻底解决了螺杆泵经常抽不上油的故障。
4.2 涡轮流量计油流中断的改进
经过多次拆除涡轮流量计发现，涡轮流量计的涡轮上有很小的磁头。由于磁头带有磁性，吸附了许多油中的铁粉，使涡轮卡住，致使涡轮流量计报润滑油流中断，发生机组因润滑油中断造成的事故停机。
为解决这一问题，我们在涡轮流量计的前端增加一个“Y”过滤器，且过滤的滤芯带有磁性，可以提前将油中铁粉吸附，并定期清理Y型过滤器的滤芯，成功的解决了涡轮流量计油流中断的问题。
4.3 油冷却堵塞，致使冷却水中断，轴瓦温度升高的改进
经过机组的运行发现，油冷却器的堵塞，致使冷却水中断2-3分钟，可以使机组的轴瓦温度提升2-3摄氏度，这个问题严重威胁着机组的安全稳定运行。
为解决这一问题，我们将冷却水管路进行改造，在室外建立一个蓄水池，并增加一台潜水泵直接在尾水渠中抽水，经过沉淀后的水在经过水泵、过滤器、管路接到冷却水的供水干管上，供油冷却器的冷却水。这个建成后成为了冷却水的备用水源，为冷却水提供了可靠的后备保障。原冷却水的取水方式为坝前取水汛期水中含泥沙量较大，过滤器不能完全过滤干净。
4.4 润滑油系统供油方式改进
经过运行的考验，我们发现润滑油的供油方式不合理。例如在比较紧急的情况下，两台轴承油泵故障，机组正在增加负荷，此时润滑高位油箱的储油量不足，可能造成更大的事故发生。润滑高位油箱在容积设计时只考虑保证15分钟的用油量。这时可能就会出现一个问题，没有备用的润滑油源。
针对这一问题，我们在供油管路上做一些改动，供油方式：机组正常工作时，轴承润滑直接由轴承油泵供给，一部分油直接补充到润滑高位油箱中；这样就提供了一个备用的、可靠的油源，保证在任何情况下，都能保证机组安全稳定的停机。
结束语
下坊水电站轴承润滑油系统经过几个月的运行和不断改进后，运行两年多没有一次因为轴承润滑油系统故障引起机组事故停机，实践证明对轴承润滑油系统改进是成功的。能够保证下坊水电站机组安全稳定地运行，创造更大的经济效益。
参考文献：
[1]刘强.灯泡贯流式机组运行稳定性分析2008中国水力发电论文集2015.23
[2]石灿.灯泡贯流式机组运行稳定性研究机电信息2017.4
[3]李永春.灯泡贯流式机组运行与管理技术与市场2018.23
论文作者:华坚毅
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/8/28
标签：机组论文; 转轮论文; 灯泡论文; 流式论文; 桨叶论文; 轴承论文; 裂纹论文; 《基层建设》2019年第16期论文;