潘家口水电厂1#水轮机顶盖排水技术研究及应用

潘家口水电厂 1 # 水轮机顶盖排水技术
研究及应用
摘要：潘家口水电厂1#机组水轮机及其附属设施于1978年由东方电机厂生产，受当时技术和加工工艺等影响，水轮机顶盖自流排水孔设计不合理，液位监
测和控制系统采用机械式触点控制方式，属模拟信号，不能实现连续监测，且由
于加工工艺、设计理念和运行环境等因素，导致1#水轮机顶盖排水不畅，监测、
控制系统易出现故障，造成顶盖水位过高，增加运行人员的工作量，严重响应1#
机组安全运行；通过对顶盖排水技术研究，改进自流排水方式和采用先进的监测
和控制设备，将1#机组顶盖水位控制在正常范围内，保障1#机组安全运行。

关键词：水轮机顶盖；自流排水孔；监测系统；控制系统
引言：
水轮机及附属设备是水力发电厂的动力设备，将水能转换为动能，通过其带
动发电机旋转，从而将动能再转换为电能，通过变压器升压后输送到电网，解决
广大用户的能源需求；充分利用清洁可再生能源实现节能减排、减少环境污染的
重要设备，其技术发展与我国水电行业的发展规模相适应。

在我国电力需求的强
力拉动下，加速了水轮机及附属设备设计和加工工艺进步，经济效益及技术水平
得到显著提高；按照水流能量转换的特征，水轮机分为两大类：反击式和冲击式，反击式水轮机分为混流式、轴流式（轴流式又分为定浆式和转浆式）、贯流式、
斜流式；冲击式水轮机分为水斗式、倾击式、双击式，潘家口水电厂1#机组采用HL220-LJ-550型混流式水轮机，通过研究水轮机的结构形式、原理，附属设备设
施的性质和作用，从而为1#水轮机顶盖排水做好了充分的技术和理论准备。

一、顶盖作用和存在的问题
潘家口水电厂1#水轮机顶盖起着封堵转轮室压力水，部分导水机构、真空补
气阀、水导瓦、导叶调节系统的承载或支撑作用，担负着主轴密封漏水、润滑水
漏水排水的导流排水任务，是水轮机系统的重要组成之一，其结构复杂，功能众多；将顶盖上平面水位控制在一定范围内，以保证顶盖上部的真空补气阀、水导瓦、调节系统等安全、可靠和正常工作，同时也有利于预防和降低了由于下部环
境湿度过大而造成上层发电机定子绝缘降低的风险，从而提高1#水轮发电机组运
行可靠性，消除和降低了1#机组事故风险率。

为保持和控制1#机组顶盖水位正常，依靠水位自动监控系统，分别通过1.顶
盖自流排水孔排水；2.顶盖射流泵启动排水；3.临时潜水泵手动启动排水；将顶
盖水位控制正常范围内。

由于主轴密封是70年代产品，结构设计不合理，装配
工艺要求严格，稍有差错，极易造成局部间隙超标，在机组运行时，由于其振动、摆渡的影响，导致密封托盘水平度超标，局部下沉量大，从而造成机组在运行时
主轴密封漏水量显著增加；顶盖上平面漏水水源较多，水质成份复杂多变，虽然
也采取一些环境治理措施来消除水质污染，但效果不是非常显著，水中依然含有
大量的泥沙、油脂和小动物尸体，甚至一些纸屑、破碎塑料布和植物的根系类纤
维物质等，经常造成自流排水孔滤网堵死，水位监测系统的浮子发卡、移动不灵
活甚至卡死，造成监测系统存在误报警、漏报警、报警延时等缺陷，电磁阀存在
发卡、不灵活，执行命令延时和拒动等缺陷，不能有效及时监测水位和启动射流
泵排水，甚至拒绝执行指令，使射流泵无法启动排水，导致顶盖水位处于异常状态，使机组处于危险环境之中，加大了机组运行的事故风险概率，扩大事故损害
程度，提高了事故风险等级；根据事故预防原理，需要降低事故概率和减小损害
程度，迫切需要加快解决1#机组水轮机顶盖排水不畅的问题。

二、顶盖水排水技术研究和采取的改造措施
对上述顶盖排水影响诸因素的分析、比较结果，结合现场具体情况和机组的
运行状况，按照经济合理，技术可行，安全可靠的原则，筛选几个影响大，投资少，又比较容易解决和处理的因素，制定切实可行，经济合理和安全可靠的技术
处理方案并加以实施，分别是1.对顶盖水位监测和控制系统换型改造，提高监控
系统灵敏、准确、可靠和安全性；2.结合自流排水孔所处位置狭小、处于顶盖最
低处，不便清扫维护，易于沉积杂物的特点，改变原滤网结构，制作疏水面积大，且便于清扫的滤网，从而实现高效排水和实时监控水位。

1.配合潘家口水电厂1#机组监控系统改造，对顶盖水位监测和控制系统进行
改造。

1.1顶盖水位监测系统由原来的浮筒液位计更换为电量传感器，并接入中央
控制室计算机监控系统和LCU1控制系统，由于电量传感器采用数字量输入信号，可实现实时监控水位，使水位监控准确、灵敏、安全、可靠；其系统框图如图1
1.2射流泵液压阀控制电磁阀由70年代产品更换为型号为4WE 10
D32/OFCW110N9K的电磁阀，由于新型电磁阀具有体积小，结构紧凑，采用不锈钢
阀体和阀芯，提高了线圈防潮等级，预防了绝缘降低的风险，而且阀芯不易锈蚀，活动灵活，电磁阀动作灵敏、及时，其接受来自LCU1的监控信号，从而启动、
停止射流泵的运行。

其动作原理如图2
图1;
图2：
2.结合顶盖的结构形式，设备设施的排布方式，由于自流排水孔所处位置狭小，处于顶盖上平面最低处，此处水流不畅，容易积水，造成淤泥，尘垢和一些
杂质容易沉积，从而造成排水孔滤网堵塞，根据排水孔的高程比顶盖上平面过流
高程低的特征，采取将原排水孔滤网割除，制作比原滤网投影面积宽和高度都大
的立体滤网改造措施。

将原均布在顶盖内筒壁上面积为150mm×150mm，孔径为Ф10的单面滤网割除；更换为用Ф10钢筋为框架，外敷孔径Ф15不锈钢丝网为滤网的活动立体滤网，新滤网侧面四周与顶盖内筒壁、底部四周与顶盖上平面接触严密，能有效保
护排水口，并将杂物隔绝在排水口外，防止排水口堵塞；在立体滤网两侧直立面
处用扁铁制作滑行器，在与之配合的排水口处的顶盖内筒壁两侧分别用角铁制作
立体滤网的固定轨道，装配后，保证各个滤网与顶盖接触部位接触严密，活动灵活，不仅加大了自流排水孔的疏水面积，降低滤网堵塞概率，也方便了维护清扫。

三、顶盖排水采用的新设备和新技术
本次顶盖排水改造，结合潘家口水电厂设备设施陈旧落后，工艺性能差，机
组运行工况和现场条件等特点，通过厂家考察、学习、咨询和类似单位使用效果
的评价，经过多方案比较、论证和评审，综合选择以上实施方案。

该方案采用的
新设备和新技术如下；
1.运用新型的电量水位传感器。

由过去的模拟量信号输入输出改为数字量信
号输入输出，减少了信息处理的中间环节，提高信息准确性和减低了失真率。

2.采用德国进口的型号为4WE 10 D32/OFCW110N9K电磁阀。

提高线圈防潮防
御措施，降低了阀芯锈蚀危险，减少电磁阀发卡，保证阀芯动作灵敏、及时和正确。

3.将自流排水孔滤网改造为立体滤网。

加大了疏水面积，提高的过流能力，
降低了堵塞的风险率；此项技术改造采用预制先进工艺和模块化装配技术，施工
过程高效，安全和环保，且成本大幅度减低。

四、改造后的经济效果
1.过滤网增大过水面积，排水顺畅，而且过滤网能有效将各种杂物挡住，清
扫维护方便。

2.能实时监测水位变化，灵敏、准确、可靠和安全，及时启动射流泵、潜水
泵等将顶盖水排入渗漏井，保持顶盖水位处于正常范围内。

3. 1#机组顶盖排水综合改造投入成本低，操作性强，效果显著，安全可靠。

4.经过1年多的运行，顶盖水位始终保持正常，没有出现过异常现象，减少
了顶盖射流泵和潜水泵的启动次数，大大降低运行成本和维护工作量。

5.此项改造彻底消除了1#机组顶盖水位频繁过高的缺陷，有效的保证了潘家
口水电厂1#机组的安全稳定运行，创造了更大的经济社会效益。

结束语：
潘家口水电厂1#水轮机顶盖排水由于技术研究透彻，抓住问题的实质和核心，结合实际现状，采用的技术改造措施有效、先进、适用，从而保证了潘家口水电
厂1#水轮机顶盖排水改造顺利竣工，经过测试、调整和联动试验，试验数据符合
设计要求，运行效果良好。

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