辛曉，劉學軍

（金安橋水電站有限公司，云南 麗江 674100）

1 前言

金安橋水電站是金沙江中游梯級開發(fā)的第5個電站，位于云南省麗江市境內，電站首期裝機2 400 MW，共4臺機，單機容量600 MW，水庫正常蓄水位1 418.00 m，校核水位1 421.07 m，相應庫容8.47億m3，具有周調節(jié)能力。控制流域面積237 357.6 km2，最大壩高160 m，壩頂長度為640 m。電站運行時保證出力473.7 MW，年平均發(fā)電量110.43億kW·h，發(fā)電效益顯著，是國家“西電東送”戰(zhàn)略的骨干電站之一。

2 補氣裝置設計

為了減小水輪機在非最優(yōu)工況運行時，轉輪下腔真空引起的空蝕破壞和尾水管壓力脈動，金安橋水輪發(fā)電機組采用了主軸中心自然補氣方式，補氣閥位于發(fā)電機頂部上端軸上，當轉輪下腔壓力小于設定值時補氣閥打開，外界空氣在大氣壓作用下進入轉輪下腔消除真空，保證機組安全穩(wěn)定運行。補氣裝置主要由主軸中心補氣管和端部補氣閥組成，其中主軸中心補氣管（Ф500 mm）經(jīng)過轉輪中心體、水輪機軸、發(fā)電機軸、轉子中心體、上端軸，至補氣閥；補氣閥主要由閥罩、閥蓋、支座、軸套、壓板（閥板）、閥座、緩沖器等組成（見圖1）。補氣閥是東方電機股份有限公司提供的油壓緩沖式補氣閥,該補氣閥采用液壓油作為緩沖介質,在緩沖器活塞的正反方向上各鉆制兩個節(jié)流孔,節(jié)流孔內安裝彈簧及鋼珠，在該閥工作時,一側節(jié)流閥受力開啟,另一側節(jié)流閥回油,起到緩沖作用。機組運行中當轉輪下腔壓力值達到補氣閥動作值時，補氣閥閥板向上打開對轉輪下部進行補氣，補氣結束后補氣閥閥板自重關閉。

圖1 補氣裝置結構圖

3 金安橋水電站補氣裝置現(xiàn)狀及存在隱患

金安橋水電站補氣閥閥板安裝高程1 305.17 m，電站下泄流量（溢流表孔泄洪+機組過機流量）大于5 010 m3/s時，尾水位將高于補氣閥閥板安裝高程1 305.17 m。自投產(chǎn)以來，機組在汛期運行時，尾水位高于閥板安裝高程的情況經(jīng)常出現(xiàn)。在歷年機組檢修期間，發(fā)現(xiàn)在補氣裝置排水管及閥罩內均有不同程度的水跡現(xiàn)象。

在下泄流量大于5 010 m3/s情況下，補氣閥安裝高程及機組運行尾水位決定了補氣閥不僅僅要承擔機組不穩(wěn)定工況區(qū)域內運行時的補氣工作，且在停機時仍需承擔尾水壓力。一旦補氣閥故障關閉不到位、閥板密封損壞、閥板損壞等都會導致尾水倒灌，水淹發(fā)電機組，給電站的安全生產(chǎn)帶來極大的隱患。

4 補氣裝置增加防尾水倒灌措施選型設計及論證

4.1 防止尾水倒灌措施類別選型

目前國內水電機組為防止尾水通過補氣裝置處倒灌，常采用的措施有傳統(tǒng)式（彈簧式）補氣裝置的閥板式密封止水、機械式浮球閥、增加檢修蝶閥等形式，考慮金安橋水電站已投產(chǎn)多年，大規(guī)模改造實施難度大、造價高等因素，根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用增加機械式浮球閥方式以防尾水倒灌。

4.2 補氣裝置增設機械式浮球閥工作原理

浮球閥內部結構（見圖2）：水輪機補氣為負壓時，浮球下落于下端密封圈上，為補氣提供通路。補氣時空氣經(jīng)浮球閥上端密封圈→浮球閥底部補氣孔→進入水輪機補氣管道，機組正常補氣時浮球閥只為補氣提供通路。

機組停機時，當尾水位高于1 305.17 m，水輪機補氣管道產(chǎn)生正壓水流上溢時，浮球隨水流上浮，當浮球與上端密封圈的密封面緊密接觸時（見圖3），浮球在浮力的作用下與上端密封圈緊密接觸并具有一定的壓緊力。徹底切斷了水流的上溢通路，阻止水流的繼續(xù)上溢，浮球閥關閉時能可靠地切斷上溢的水流。

4.3 機械式浮球閥安裝位置選擇

機械式浮球閥安裝位置主要考慮安裝在原補氣閥下部和安裝在轉子中心體兩種方案。

4.3.1 浮球閥安裝在原補氣閥下部（機頂）方案

（見圖4）

浮球閥安裝在補氣裝置下部，安裝、檢修方便，無需吊風罩及補氣管，只需將補氣裝置吊開后，即可進行檢修維護；此結構須將補氣裝置抬高約300 mm，即密封擋水環(huán)高度增加300 mm，密封擋水環(huán)高度增加后，即使在雙重保險（補氣閥、浮球閥）全部失效后，在排水管滿足排水條件下，也不會發(fā)生水淹機組事故，與安裝在轉子中心體對比，造價略高。

圖2 機組正常運行時浮球閥狀態(tài)

圖3 機組停機時，尾水位高于1 305.17 m浮球閥止水狀態(tài)

圖4 浮球閥安裝在補氣裝置下部結構圖

4.3.2 浮球閥安裝在轉子中心體方案介紹

圖5 浮球閥安裝在轉子中心體示意圖

浮球閥安裝在轉子中心體位置，可以有效減小上端軸內磁極引線產(chǎn)生冷凝水珠，但是安裝在轉子中心體內,其安裝高程是1 297.80 m，低于4臺機發(fā)電設計最低尾水位1 299.41 m，機組處于停機狀態(tài)時，浮球閥持續(xù)處于工作（受力）狀態(tài)，會減小其使用壽命，且安裝、檢修維護極為不方便，須將補氣裝置及浮球閥以上的補氣管路、發(fā)電機風罩等吊開后方能進行檢查、維護。

綜合對比，針對浮球閥安裝位置，在補氣量滿足要求的情況下，從安裝、檢修維護等綜合考慮，安裝在補氣裝置下部利大于弊，因此將浮球閥安裝位置確定為補氣裝置下部。

4.4 浮球閥補氣通徑核算

機組所需補氣量受出力、水頭、汽蝕系數(shù)等多種因素影響，難以精確計算；考慮在原設計時已進行設計核算，且經(jīng)過四年多的實踐檢驗，轉輪葉片根部及其他部位未發(fā)生超過25 mm以上的貫穿性裂紋，補氣效果比較理想，DN 500的補氣管路足以滿足機組運行補氣量；本次設計增加的浮球閥，其最小過流面積發(fā)生在浮球與殼體內側，對此進行校核，其額定通徑不小于DN 500即可。

D——最小過流面積的當量直徑；

A——浮球閥殼體內徑，864 mm；

B——浮球閥球體外徑，650 mm。

結論：新增浮球閥補氣通徑大于DN 500，滿足機組運行期間的補氣需求。

5 補氣裝置新增防尾水倒灌措施實施

根據(jù)浮球閥安裝位置選型，在原補氣裝置下部增加浮球閥后，其高度已不能滿足需求，需要對閥罩蓋板做相應的增高處理，并對擋水環(huán)做相應加高處理。需要做的改進：①在原補氣裝置下部（即上端軸端部）增加浮球閥；②加高原擋水環(huán)300 mm；③加高閥罩端部蓋板接長環(huán)；④自動化元器件回裝等。

6 結語

從2015年汛前檢修開始，金安橋水電站對四臺機組的補氣裝置陸續(xù)進行了相關改造，即增加浮球閥防止尾水倒灌，經(jīng)過五年多的運行（至2020年），通過檢修時查看浮球閥狀態(tài)，球體擋水痕跡明顯，消除了可能產(chǎn)生的尾水倒灌帶來的水淹發(fā)電機組風險。同時機組改造涉及的部件少，在理論計算上，未減小原補氣通道的直徑，滿足機組運行期間的補氣需要且未影響機組的整體布置，解決了在下泄流量大于5 010 m3/s情況下機組停機時尾水倒灌的風險，同時減輕補氣閥閥板的承壓狀態(tài)，為設備安全穩(wěn)定運行起到了可靠的保護作用。