水電機組無油轉槳式發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)

近年來，人們強調減少水電工程中的油污染風險。由于市場需求增加,GE水電公司已經(jīng)開發(fā)了減少或取消轉槳式轉輪輪轂中潤滑油的技術。傳統(tǒng)設計的大型轉槳式水輪機組轉輪輪轂中裝有大量的潤滑油。第1臺無油轉槳式轉輪于1998年安裝于瑞典波爾尤斯水電研究和開發(fā)中心,從那時起該機組一直運行正常。波爾尤斯機組的輪轂中注滿了水,并且裝有6種類型的永久潤滑軸承材料。目的在于測量摩擦和磨損,以確定以后機組的軸承設計。采用無油設計的第1臺商業(yè)機組于2001年10月在瑞典安裝并投入運行,從那時以來,一直運行正常。對于該項目,特別重視防止充水輪轂中低碳鋼部件的磨損。2002年夏季,對各種軸承材料磨損進行了第1次評估,效果很好。第2臺無油技術的商業(yè)機組于2002年8月安裝并投入運行。在2003年秋季,亦采用了無油技術的第3、4、5臺商業(yè)機組也已安裝運行。開發(fā)了一種干燥潤滑新技術,目的是減少轉輪輪轂中的油量。另外,采取了防止油從轉輪葉片密封處泄漏的措施。在轉輪輪轂下部,安裝了一臺液壓式水泵/電動機,以便使壓力油進入轉輪輪轂,潤滑轉輪軸承。然后,將油送回轉輪輪轂外的油循環(huán)系統(tǒng)。轉輪采用了一種特殊密封結構,以確保油不滲入水道中;事實上,水可以滲入輪轂內。油循環(huán)系統(tǒng)也裝有儀表以監(jiān)測油中的含水量,以便確定更換轉輪葉片密封的時間。自從1999年起,已經(jīng)在5臺轉槳式機組安裝了干燥潤滑設備,并且一直在運行。1轉槳式轉輪的環(huán)保技術水電是主要的可再生能源,大約占當今世界發(fā)電量的20%。水力發(fā)電非常經(jīng)濟,而且溫室氣體排放可忽略不計。涉及水力發(fā)電和環(huán)境的問題,大多數(shù)與建壩和淹沒土地,以及魚類回游的影響有關。不過,官方和公眾對環(huán)境越來越關注,將焦點放在水力發(fā)電的各個方面。另外,歐盟委員會已經(jīng)頒發(fā)了一個關于環(huán)保責任的文件。在該文件中,特別強調引起環(huán)境破壞的任何人應負責支付有效恢復環(huán)境的費用。在水力發(fā)電行業(yè)內,特別是在斯堪的納維亞和北美,對有利于環(huán)境的技術方案已越來越感興趣,其中,對水電站漏油的危險也越來越關注。一座水電站有許多含潤滑油的部件,但是并不是所有這些部件都直接與水道直接接觸。直接與水道接觸的含油的部件是導葉和葉片。因此,從水電站泄漏油的危險主要與導葉和葉片有關。瑞典瓦騰費爾水電站的調查表明,每年大約有6000L油和其他潤滑劑溢入河中。雖然與其他漏油源如船相比,其漏油量小,但是在水電站業(yè)主和官方看來,仍然較多。轉槳式轉輪的傳統(tǒng)設計包括一個完全注滿油的輪轂。在以前的某些情況下,轉輪輪轂中的油甚至是處于受壓狀態(tài)。這樣做是為了防止水進入輪轂中,而允許油泄漏到水道中。因此,油具有潤滑和防止水進入轉輪的雙重作用。50a前,有一項申請了專利的密封裝置,該裝置具有將油和水從密封之間抽入水道中的作用。在那個時候,該技術是保護轉輪而不是環(huán)境。由于通過轉輪葉片密封不斷滲出油,因此傳統(tǒng)設計的轉槳式水輪機對環(huán)境產生了負面影響。隨著時間的推移,由于轉輪部件的磨損,漏油會更加嚴重。轉槳式轉輪的損壞(例如丟失一個銷子或輪轂底部損壞)會引起大量的油泄漏到水道中。大型轉槳式轉輪含數(shù)千升油。由于對與水力發(fā)電有關的環(huán)境危險越來越關注,GE水電公司于20世紀90年代初啟動了一項研究和開發(fā)計劃,旨在為轉槳式轉輪尋求環(huán)保方案。早期的一些想法在于減少轉輪輪轂中油量的可能性。隨著開發(fā)工作的深入,于20世紀90年代中期提出了干燥潤滑技術的第1個方案。該技術得以繼續(xù)開發(fā),于20世紀90年代末制造出了第1臺商業(yè)機組。同時,隨著這種技術的發(fā)展,開始將焦點集中在完全取消轉輪中油的可能性上。于20世紀90年代末這一技術得到了進一步發(fā)展,在瑞典波爾尤斯研究和開發(fā)中心的9號機組上安裝了第1臺轉槳式轉輪無油輪轂。1995年,瓦騰費爾公司、阿爾斯通水電公司和GE水電公司成立了波爾尤斯的水電中心。該中心位于瑞典北部的波爾尤斯市。目的是促進水力發(fā)電技術的發(fā)展。該中心一臺培訓機組(波爾尤斯U8機組)和一臺研究開發(fā)機組(波爾尤斯U9機組)都安裝在電站的老廠房內(圖1)。為了適應以后的新技術要求,安裝了研究開發(fā)機組U9?？紤]到以后發(fā)展的需要,對該機組進行了設計,并安裝了必要的監(jiān)測設備。在波爾尤斯U9機組上主要研究水動力學的比尺效應,新材料,部件和機械設計特性。在這臺機組上也能夠研究該系統(tǒng)不同部件之間的相互作用。在波爾尤斯U9機組的設計階段,GE水電公司和瓦騰費爾公司同意將環(huán)境安全作為考慮重點。因此在轉輪輪轂中充水代替油。2管和電機/泵之間的連接對與水電有關的環(huán)境問題的更加關注是轉槳式轉輪采用第一代環(huán)保技術的出發(fā)點。當時的方案就是以盡量減少輪轂中的油量,并能監(jiān)測密封的功能進行設計的。這種設計不是讓油完全充滿轉輪輪轂,而是將油直接送到輪轂中的軸承進行潤滑。在轉輪中安裝一臺組合的水力電動機和泵,再通過主軸泵送來達到這個目的。所有軸承是安裝了永久潤滑的軸承,油潤滑效果欠佳也不會引起故障。原理見圖2。水力電動機和泵安裝在泄水錐內,泄水錐內有空間適合于泵排油。泵的吸入點將決定輪轂中的油量,一般不到全部油量的10%?？刂乒芎碗妱訖C/泵之間采用軟管連接。對于泵的位置和軟管的安裝,必須考慮離心力。應用軟管連接,通過降低泄水錐就能夠檢查和檢修機組。油取自一個獨立的液壓系統(tǒng)。水輪機達到正常轉速之前,油不進入轉輪。這樣就避免了泵長時間干潤滑運行。油量和油泵/電動機裝置的轉速由一個流量控制閥來控制。必須增加2根管子或者油路來改進軸孔中的控制管,這樣可以為電動機供油和排走回油。起初采用靜油壓的油路使轉輪與大氣相通。軸孔中的油管用軟管連接到轉輪輪轂底部的泵/發(fā)動機裝置。電動機的回油輸送到轉輪葉片軸承中以潤滑軸承。葉片操作機構中的一些軸承不能單獨供油,因此必須依賴于軸承內的永久潤滑。系統(tǒng)中油的總量可以精確控制,以確保沒有漏油。任何可能泄漏到輪轂中的水通過探水箱的監(jiān)視來檢查。如果轉輪葉片密封泄漏,通常開始時很慢,及早發(fā)現(xiàn)能適時進行故障檢修。在老式轉輪葉片密封中,通常在轉輪葉片的負壓側設有排水孔,以排出正面的漏水。現(xiàn)在這種布置則反過來了。允許轉輪葉片正面的水進入密封之間,這樣就確保水在內密封外側,內密封外側的壓力比轉輪輪轂中的大氣壓力高。在流道中壓力較低的情況下,來自密封箱的有壓水能夠從另一個方向進來。這是為了確保油不泄出,但是水漏到輪轂中,可以測出來,并且滲漏水也可以控制。密封外表面必須抗腐蝕,因為在密封之間總是有水。干燥滑潤技術在瑞典、歐洲、挪威、美國、加拿大、巴西、中國、日本和俄羅斯申請了專利。從1999年起,已經(jīng)安裝了5臺采用干燥潤滑技術的轉槳式水輪機。其中1臺是瑞典利加3電站的最大轉槳式機組,轉輪直徑為7.5m,出力為181.7MW。自采用無油潤滑的轉槳式轉輪以來,干燥潤滑技術似乎是老轉輪改造最具有吸引力的方案。3靜力器的應用在開發(fā)干燥潤滑技術的同時,人們對完全取消轉槳式轉輪中潤滑油很感興趣。波爾尤斯U9機組為試驗新技術提供了很理想的機會。從一開始,GE水電公司和瓦騰費爾公司就一致同意,環(huán)境安全是開發(fā)優(yōu)先考慮的課題。波爾尤斯U9的轉輪輪轂在葉片操作機構的空間注滿水。接力器仍然用液壓油操作,并為以后采用可靠的水力操作系統(tǒng)留下余地。波爾尤斯U9轉輪投入運行以后,研究和開發(fā)工作集中在防止或者延緩輪轂的侵蝕過程上。在波爾尤斯機組中,大多數(shù)部件由不銹鋼或青銅制成。為了使轉輪價格具有競爭性,一些部件不得不用較廉價的材料制造。GE水電公司和瑞典侵蝕研究所進行了一項關于轉槳式轉輪侵蝕危險的研究。隨著有效的密封技術的發(fā)展,可以用脫氧水(deaeratedwater)充注轉輪,這樣能將腐蝕限制在一定的范圍內。為了避免局部電偶腐蝕,大面積的表面不進行表面處理,以消耗水中殘留在輪轂中的少量氧氣。有許多方法可去除水中的氧氣。主要是熱(沸騰原理)或化學方法。對于大型轉輪,考慮切實可行的原因,無毒的化學去氧方法更好一些。3.1材料、密封件和密封無油轉輪的設計見圖3。為了能從轉輪檢修平臺檢查操作機構,接力器放在下游端。所有軸承為永久潤滑型?，F(xiàn)在市場上有許多這樣的軸承,由復合材料和含有石墨成分的金屬材料制成。最關鍵的部件用非腐蝕材料制成,輪轂體用青銅制造,葉片操作機構的許多部件是不銹鋼的。操作機構的大型鑄件由表面噴漆的碳鋼制成。一些關鍵表面覆蓋有不銹鋼層。輪轂底部由碳鋼制成,未采取保護措施以消耗水中的殘余氧氣。所有密封必須是有效而且被證實是完好的,以確保在充油和充水部件之間或者河水和輪轂水之間不出現(xiàn)交叉泄漏。除了波爾尤斯U9機組,這樣設計的轉輪已經(jīng)制造了2臺,并于2003年末投入運行。3.2重新設計的機組無油的波爾尤斯U9輪轂和許多干燥潤滑輪轂投入運行之后,瑞典的用戶提出了將老式輪轂改成無油輪轂的問題。2001年1月,Sydkraft電力公司簽訂了瑞典南部拉甘河上的特拉呂德電站的1臺機組的改造合同。同意將該機組的轉輪改造成無油設計,以作為采用這種技術的樣機。該機組是1946年由瑞典GE水電公司的前身Nohab公司提供。舊機組的改造比制造新機組更困難。它需要單獨進行研究。對于第1臺這樣的機組,必需制造一個新輪轂底,許多部件改成不銹鋼的或者覆蓋不銹鋼層。葉片密封結構也不得不重新設計。圖4示出的是一個改造轉輪的例子。主要作法是將所有青銅軸承改成永久潤滑型軸承,將葉片操作機構部件改成不銹鋼,在許多部件上嵌入不銹鋼里襯,更換密封,包括轉輪葉片密封,并用脫氧水注滿轉輪。另外,由于轉輪注滿了水而不是油,軸孔中的控制管必須作修改。目前,3臺機組已經(jīng)改造成無油轉輪。4經(jīng)驗4.1測量連桿機構中的應力為了試驗無潤滑油的轉輪葉片操作機構,設計了該轉輪。該轉輪為6葉片,開始裝有5種型式不同的軸承,以測試摩擦和磨損。為了對比,2個軸承是相同的。轉輪輪轂注滿水。輪轂下游部分的操作桿和轉輪葉片的轉動臂之間的連桿上裝有應變儀測量連桿應力,這樣可以評估不同軸承中的摩擦力。該機組于1998年5月投入運行。一開始,水輪機主要是滿負荷運行,因為在那個階段最重要的目標是進行發(fā)電機試驗。自2000年11月起,水輪機進行葉片強制運行以達到加速軸承磨損的目的。摩擦的測量值比軸承供應商提供的值小。不過,在軸承之間存在著較大差異。軸承的平均摩擦系數(shù)為0.04~0.12。2002年6月對機組進行拆卸,以便于了解軸承狀況和測量磨損?？傮w而言,很難弄清磨損差異的原因。發(fā)現(xiàn)按轉槳式轉輪中常用的表面壓力設計的軸承,其磨損都可以接受。連桿機構中的軸承按超高表面壓力設計,其中一些軸承的損壞程度不可接受。這就暗示有一個設計上限。現(xiàn)在該機組已經(jīng)恢復葉片強制運行,并且配有一套新的軸承試驗裝置以獲取更多的經(jīng)驗。4.2機組正常運行第1臺機組于1998年9月訂貨,1999年11月起投入運行。隨后,另外幾臺機組全部在瑞典投入運行。為了減少停機時間,利加3電站的機組在工地改造。所有機組已經(jīng)順利運行。在利加3電站出現(xiàn)了一些不正常情況,可能是由于在現(xiàn)場檢修期間,很難徹底清潔液壓元件。4.3復合機組的運行及投運之前是否發(fā)生異常在特拉呂德2電站的第1臺改造的無油機組于2001年11月1日投入運行。當轉輪輪轂排空水檢查轉輪并進行水分析時,沒有發(fā)現(xiàn)有大量磨損顆粒的任何跡象。輪轂的內部部件用內窺鏡進行檢查,沒有發(fā)現(xiàn)顯著異常,在恢復運行之前,重新充注脫氧水。胡廷電站的第2臺機組已于2002年10月投入運行。目前還沒有不正常的報道。托舍電站的第3臺機組已于2003年7月投入運行。4.4瑞典的電站當前,除了波爾尤斯U9機組外,另有3臺新的無油機組已投入運行:2003年11月投運的瑞典格倫德福爾電站、芬蘭的韋亞拉斯科斯基電站,以及2003年12月投運的瑞典奈沃雷德電站。另外3個工程正在施工中,即瑞典的福什胡爾德和隆斯特羅門電站以及芬蘭的塞塔科爾瓦電站,這3座電站均于2004年竣工。5槳式轉輪的潤滑技術上述的研究和開發(fā)計劃已經(jīng)開始實施,其目標在于尋求有利于環(huán)境保護的技術方案,適應對水電市場的環(huán)保方案越來越感興趣的要求。按照研究和開發(fā)計劃,研究了減少轉槳式轉輪輪轂中油的2種方案。第1種方案是為減少轉槳式轉輪輪轂中的油量而開發(fā)的干燥潤滑技術。經(jīng)驗表明這種技術適合于新轉