韓國黨津海洋燈泡貫流式水輪機設計探析

祝繼文，李士軍

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150000)

1 概 述

貫流式水輪發電機組因轉輪過流能力強，效率高，且電站土建開挖量少、建設周期短、總體投資省，是開發利用30m以下低水頭水力資源和潮汐能的良好機型，而燈泡貫流式是貫流式機組的常用布置型式。哈電機在燈泡貫流式水輪機設計制造方面有豐富的經驗，先后為國內外數十個電站如江口、凌津灘、洪江、株洲、紅花、大頂子山、蜀河、馬里費盧、竹拉蘭等提供了成套的燈泡貫流式水輪發電機組。

哈電機設計生產制造的韓國黨津燈泡貫流式海洋水力發電機組位于韓國西部的唐津郡，與中國煙臺、青島隔海相望。機組發電水源為火電廠排出的火電機組冷卻用海水，尾水直接與海岸相連。由于海洋的潮汐特性，機組的運行水頭每天隨潮汐變化而變化。該機組水輪機轉輪直徑僅有3.1m，是哈電機生產制造的最小燈泡貫流式水輪機。由于過機介質為海水，因此在結構設計、材料選取和海水防腐方面與常規機組有明顯區別。

2 水輪機基本參數

水輪機型號： GZ(A969a)-WP-310；

水輪機轉輪直徑： 3.1m；

轉輪葉片數： 3；

水輪機額定出力： 2240KW；

最大水頭： 6.37m；

額定水頭： 4.38m；

最小水頭： 1.69m；

額定轉速： 150r/min；

機組旋轉方向：順時針旋轉(從上游向下游方向看)。

3 結構特點

韓國黨津水輪發電機組剖面圖見圖1。

圖1 韓國黨津水輪發電機組剖面圖

3.1 埋入部分

埋入部分裝配包括尾水管、轉輪室、伸縮節、管型座、流道蓋板、導流板及拉錨、墊板、埋管等，其中轉輪室、伸縮節、流道蓋板、導流板非埋件，按哈電設計慣例歸入埋入部分裝配。管型座分為內殼體、外殼體，內殼體為整體結構，外殼體為分瓣結構。整個管型座在廠內進行預裝。尾水管的進口段設有進人門，方便檢修維護人員進入流道[1]。

3.2 導水機構

導水機構裝配包括導葉內配水環、外配水環、導葉、控制環、連桿機構等。導葉內外配水環均采用不銹鋼材料整體焊接制造。由于機組尺寸較小，導葉上軸頸處采用傳統的自潤滑筒式軸承，在導葉下軸頸處設有復合材料的自潤滑軸套，在導葉連桿機構中設有可自動調心的自潤滑關節軸承，保證活動導葉在機組運行過程中轉動靈活。導葉的安全保護采用V型安全連桿機構，其結構簡單，在導葉關閉時被異物卡住后產生彎曲變形，不影響其它導葉的正常關閉，同時發出報警停機信號，更換新的連桿后機組可正常運行。

在導水機構中設有重錘保護裝置，當接力器的操作油壓過低時，導葉可依靠重錘所產生的力矩來實現自動關閉，以保證機組的安全；

導葉接力器為直缸搖擺式接力器，豎直布置在導水機構下方的接力器支墩上。接力器設有鎖錠裝置，在機組停機檢修時將導葉鎖在全開位置，在機組正常停機時將導葉鎖在全關位置[2]。

3.3 轉動部分

3.3.1 主軸

主軸為整鍛結構，水輪機和水輪發電機共用。主軸法蘭采用螺栓分別與發電機轉子和水輪機轉輪聯接，采用銷傳遞扭矩。

3.3.2 轉輪

轉輪裝配包括轉輪體、葉片、葉片樞軸、轉臂、接力器缸、接力器缸蓋、活塞、活塞桿、泄水錐等，轉輪為缸動結構，接力器缸布置在轉輪中心線的下游側，操作壓力6.3MPa。轉輪有3個葉片，葉片材料為鑄造不銹鋼。轉輪體由不銹鋼整鑄而成。轉輪接力器活塞采用組合密封結構代替傳統活塞環結構，葉片密封為V型組合密封，可在不拆卸葉片的情況下很方便地更換密封件。轉輪在廠內預裝后進行靜平衡配重，然后進行密封試驗、耐壓試驗和動作試驗。

3.3.3 主軸密封

主軸密封由檢修密封和工作密封組成，工作密封主要由密封座、徑向盤根密封、抗磨環、密封蓋等組成。盤根密封圈采用聚四氟乙烯浸漬碳纖維材料，采用清潔海水潤滑，供水壓力0.15-0.2MPa。檢修密封為實心空氣圍帶，檢修時投入壓縮空氣，供氣壓力0.5-0.8MPa，用氣量約5L/次。主軸密封設有自流排水管接入排水系統。

3.3.4 水導軸承

水導軸承采用徑向臥式筒式軸承。機組在啟動過程中利用高壓油頂起系統將轉動部分頂起，防止軸瓦燒毀。水導軸承潤滑油系統為外冷式，機組正常運行時，軸承潤滑油循環方式為：高位油箱→水導軸承→低位油箱→升壓泵→油冷卻器→油過濾器→高位油箱。

3.3.5 受油器

受油器采用浮動瓦結構，共兩塊浮動瓦。從結構上將反饋軸的水平運動與其自身的旋轉運動分開，減少了浮動瓦的磨損。受油器的漏油直接排入低位油箱。受油器帶有指針，通過輪轂供油管反饋轉輪葉片的開度。

3.3.6 循環油系統

循環油系統由低位油箱、軸承輪轂集成式高位油箱、增壓螺桿泵、油過濾器、油冷卻器及相關附件組成。高位油箱主要用于提供機組轉輪輪轂、水導軸承及發電機組合軸承潤滑油。潤滑油從高位油箱自流至導軸承內表面，對軸瓦進行潤滑并帶走主軸旋轉所產生的熱量，然后流入低位油箱，低位油箱通過增壓泵、過濾器、冷卻器將潤滑油泵入高位油箱，如此往復循環。潤滑油流量在機組調試時通過手動閥控制，保證經濟性、安全性。

4 海水防腐應用

4.1 不銹鋼材料在結構設計上的應用

由于機組采用海水發電，廠房及燈泡內均為鹽霧環境，對機組的材料腐蝕很嚴重，因此機組的核心部件均為不銹鋼材質。根據不同材料動態腐蝕性能測試實驗結果對比：材料腐蝕速度以雙相不銹鋼最慢，其次為奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼，碳鋼最快。對不銹鋼的鈍化性能而言，雙相不銹鋼的在腐蝕介質中鈍化保護膜的穩定性最好，其次為奧氏體不銹鋼，馬氏體不銹鋼最差。

綜合考慮水輪機管型座、內外配水環、轉輪室、尾水管采用奧氏體不銹鋼板，導葉、轉輪葉片、轉輪體采用馬氏體不銹鋼鑄件，管路、法蘭、彎頭、緊固件采用奧氏體不銹鋼材料制造。實踐證明上述不銹鋼材料有明顯的抗海水腐蝕性能，機組運行一年多來未發生嚴重的銹蝕和電化學腐蝕，尤其是內外配水環和轉輪室法蘭端面均光亮如鏡。

4.2 陰極保護系統和軸接地裝置的應用

整套機組安裝了強制電流陰極保護系統和軸接地裝置。

陰極保護系統主要包括恒電位儀、輔助陽極、參比電極。

輔助陽極與參比電極布置圖見圖2。

圖2 輔助陽極與參比電極布置圖

恒電位儀供電為三相480V，頻率為60Hz。具有手動和自動兩種工作模式。

輔助陽極采用多個圓盤狀鈦基金屬氧化物陽極，分別布置在泡頭，管型座，外配水環和轉輪室上。

參比電極采用多個圓盤狀高純鋅參比電極，與泡頭，管型座，外配水環和轉輪室上的輔助陽極布置在同一個斷面，與輔助陽極呈90°布置。

為防止轉輪葉片的電化學腐蝕，采用軸接地裝置使得轉輪葉片與發電機艙體的電位差降到 0.1V 以下，以避免電化學腐蝕。軸接地裝置主要包括轉環、碳刷和刷架

通過兩年多的運行實踐證明機組的陰極保護系統對于流道內的海水腐蝕有明顯的保護作用，保護電極安裝處流道清潔無雜物附著。

4.3 表面防腐噴涂

燈泡頭、豎井、框架蓋板、管型座、水平支撐、垂直支撐等零件過流表面采用聚脲噴涂。水輪機內配水環、外配水環、轉輪體、葉片、轉輪室、尾水管等過流部件均采用不銹鋼材料，為了達到進一步防護效果，在以上部件的過流表面噴涂海水防腐漆，材料為無溶劑環氧耐潮濕涂料，最小干膜總厚度450μm。

5 結 語

韓國黨津水輪機成功的完成了設計、制造、安裝、調試，并于2014年9月17日發電，機組的各項性能指標均達到合同要求，總體性能良好，但水輪機結構設計的個別細節還可以進一步完善和優化，個別部件的材料選擇及表面防護措施還需要進一步跟蹤驗證，以便在今后潮汐水輪機的設計中進行改進。該項目是哈電機公司首個韓國海水貫流項目，在哈電機公司成熟的燈泡貫流式水輪機設計基礎上應用了相關防海水腐蝕措施，為開發韓國潮汐發電市場打下了基礎。

[1]李迪楚.中小型燈泡貫流式水輪機參數的選擇方法[J].中國農村水利水電，2006(05):69-70.

[2]孫旭東.燈泡貫流式水輪機水力振動的形成及其影響[J].電站系統工程，2006(05)：88-90.