晏峻峰
(喀什地區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,新疆喀什844000)
新疆疏附縣吾庫(kù)沙克水電站始建于1976年,至今已運(yùn)行了26 a。是利用下游灌溉用水進(jìn)行發(fā)電的徑流式水電站,原設(shè)計(jì)電站引用流量為26 m3/s,設(shè)計(jì)水頭14.5 m,安裝容量3×800 kW,目前實(shí)際安裝2×800 kW,安裝在2#、3#機(jī)坑內(nèi),1#機(jī)坑目前空缺。廠房?jī)?nèi)安裝 2臺(tái) ZD661—LH—120、TS215/21—14型水輪發(fā)電機(jī)組。建站26 a來(lái),由于ZD661型水輪機(jī)國(guó)家已淘汰,生產(chǎn)廠家不再生產(chǎn),過(guò)流部件經(jīng)多次大修已無(wú)法恢復(fù)到原有的流線形和安裝尺寸,造成機(jī)組出力下降,檢修周期縮短,單機(jī)出力由原設(shè)計(jì)出力800 kW下降到600 kW,最大單機(jī)出力為675 kW,過(guò)機(jī)流量則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原設(shè)計(jì)流量,使電站的水能得不到充分利用,給電站帶來(lái)不應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)損失。為使吾庫(kù)沙克水電站走出困境,重新煥發(fā)青春活力,必須對(duì)機(jī)組進(jìn)行增容改造,利用目前國(guó)內(nèi)新研制的新技術(shù)和新機(jī)型機(jī)組替代原有機(jī)組,才能有效得達(dá)到增容增效的目的。
根據(jù)目前電站的實(shí)際情況,機(jī)組改造必須在原有得基礎(chǔ)上進(jìn)行改造,水輪機(jī)混凝土蝸殼、尾水管尺寸、引用流量、同步轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)輪直徑一定的條件下,增容改造分二步進(jìn)行:
第一步將空缺著的1#機(jī)坑內(nèi)裝設(shè)新的水輪機(jī),同時(shí)對(duì)原拆除的容量為800 kW的1#水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造。發(fā)電機(jī)進(jìn)行更換定子、轉(zhuǎn)子線圈,使發(fā)電機(jī)提高效率和功率,保證在增容后發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的安全、可靠。為便于機(jī)組改造后,電站實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)管理,調(diào)速器選用可編程脈沖調(diào)速器,調(diào)速機(jī)構(gòu)由內(nèi)調(diào)節(jié)改為外調(diào)節(jié)。
第二步當(dāng)安裝的1#水輪發(fā)電機(jī)組出力達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí),改造2#、3#水輪機(jī),原水輪機(jī)整個(gè)拆除,更換高效率,低汽蝕轉(zhuǎn)輪的新選擇的水輪機(jī),只保留混凝土蝸殼、尾水管等,同時(shí)改造2#、3#水輪發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)進(jìn)行更換定子線圈磁極,使發(fā)電機(jī)提高效率和功率,保證在增容后發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的安全、可靠。為便于機(jī)組改造后,電站實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)管理,調(diào)速器選用可編程脈沖調(diào)速器,調(diào)速機(jī)構(gòu)由內(nèi)調(diào)節(jié)改為外調(diào)節(jié)。
但改造時(shí)應(yīng)保證3臺(tái)機(jī)增容后總引用流量在26 m3/s之內(nèi),此時(shí)單機(jī)最大引用流量Q=8.67 m3/s,按此流量計(jì)算實(shí)際裝機(jī)容量,提高機(jī)組出力。
機(jī)組增容改造是在原有機(jī)組的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造,水輪機(jī)混凝土蝸殼、尾水管尺寸、同步轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)輪直徑一定的條件下進(jìn)行增容改造。新選擇轉(zhuǎn)輪機(jī)型的模型轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)流道參數(shù)與原機(jī)型的實(shí)驗(yàn)流道參數(shù)必須相似或接近,才能達(dá)到改造的目的。根據(jù)廠家推薦的機(jī)型,模型轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)流道參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 模型轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)流道參數(shù)
從表1可以看出,轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉基本參數(shù)基本相等,滿足改造機(jī)組的基本條件,由于沒(méi)有同類型機(jī)組改造先例,將分別計(jì)算各機(jī)型的基本參數(shù),從中選出適應(yīng)本電站改造的機(jī)型。
由于2#、3#水輪機(jī)改造時(shí)全部拆除,原ZD661機(jī)型水輪機(jī)只保留混凝土蝸殼及尾水管等,故2#、3#水輪機(jī)與1#處于同等條件下。通過(guò)我院對(duì)吾庫(kù)沙克水電站原機(jī)組及電站引水尺寸等多項(xiàng)分析,詳細(xì)計(jì)算,并對(duì)國(guó)內(nèi)7個(gè)廠家進(jìn)行考察和咨詢,7個(gè)廠家向我們推薦了自己認(rèn)為適應(yīng)該電站的水輪機(jī),從7個(gè)廠家推薦的機(jī)型匯總結(jié)果共有四種機(jī)型即:ZD660、JP502、ZD30,ZDTF03。
7個(gè)廠家由于考慮的問(wèn)題的角度不同,故出現(xiàn)同種機(jī)型,在相同工況下出力有大有小的情況,故我們?cè)谙嗤r下對(duì)基本參數(shù)重新核定,使各廠推薦的各機(jī)型機(jī)組在同一起跑線上,再進(jìn)行分析,從中選出更適合本電站的機(jī)型。
采用新轉(zhuǎn)輪后,與原ZD661型水輪機(jī)水流流道及結(jié)構(gòu)型式的不同,對(duì)裝入的新轉(zhuǎn)輪的效率、流量、汽蝕影響的進(jìn)行分析如下:
根據(jù)理論分析及我們(包括國(guó)內(nèi)外有名的廠家、研究所及高等院校)的多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證實(shí),采用水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪使用在與原水輪機(jī)流道中,尺寸的不同(包括結(jié)構(gòu)型式不同)將帶來(lái)很大的影響(尤其是比轉(zhuǎn)速高的定漿軸流式機(jī)組)。依據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)實(shí)踐及有關(guān)文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)手冊(cè)和規(guī)范進(jìn)行分析及計(jì)算,可使我們通過(guò)論證的參數(shù)與實(shí)際相符合,使機(jī)組出力、效率、流量達(dá)到預(yù)期值。而不能采用為保出力而盲目的不進(jìn)行認(rèn)真分析地加大轉(zhuǎn)輪葉片角度而造成流量、效率及汽蝕的損失及變壞,不能充分利用水能資源,從而損害電站的效益。
4.1.1 轉(zhuǎn)漿式轉(zhuǎn)輪改為定漿式轉(zhuǎn)輪的影響
由于轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)輪轂為球形,轉(zhuǎn)輪室為半球形,當(dāng)改為定漿式后,輪轂改為錐形狀,轉(zhuǎn)輪室改為柱形狀,輪葉外園也為柱形狀,因其容量損失減小,效率將提高,過(guò)流面積加大,汽蝕系數(shù)減小,但單位轉(zhuǎn)速降低,單位流量增加。
故取:Δη1=+0.5% σ=-0.02 Δn1=-3.0r/min
4.1.2 蝸殼進(jìn)口流道不同,進(jìn)口流速增加及導(dǎo)葉型線不同
原機(jī)組采用“廠”形向下延伸的形式,新型號(hào)JP502、ZD30、ZD580A,ZDTF03為“┣”向下延伸的形式,因“廠”形向下延伸的斷面形式對(duì)斷面下端的水流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪不利,機(jī)組改造后,流量增加,蝸殼的流速也相應(yīng)增大,勢(shì)必造成較大的水力損失,原機(jī)組的蝸殼進(jìn)口斷面平均流速為3.7Q1,則蝸殼的流速系數(shù)為0.97Q1,型號(hào)轉(zhuǎn)輪蝸殼流速系數(shù)為0.645Q1左右,雖然,新型號(hào)轉(zhuǎn)輪蝸殼的流速系數(shù)比原機(jī)組小,其減小百分比為33.5%左右。故改造后,新轉(zhuǎn)輪與原機(jī)組蝸殼相配,勢(shì)必引起蝸殼的流速增加,增大蝸殼的水力損失,同時(shí)由于Vu增加,使導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中水力損失也增加,水輪機(jī)的效率下降,新機(jī)組導(dǎo)葉葉型為正曲率型,原機(jī)型導(dǎo)葉為對(duì)稱型取:
4.1.3 尾水管高度降低
原機(jī)組ZD661彎肘形尾水管的相對(duì)深度h/D1=2.175,而新機(jī)型彎肘形尾水管相對(duì)深度h/D1=2.75~2.97,兩者相差h/D1=0.575~0.775,無(wú)論是能量性能還是汽蝕性能,尾水管的高度高均比低的好。吾庫(kù)沙克水電站尾水管已形成不能改變,故造成機(jī)組效率降低。
4.1.4 尾水管出口面積降低,出口流量加大,回能系數(shù)降低
4.1.5 綜合分析
效率變化值:
汽蝕系數(shù)修正值:σ=-0.02
單位轉(zhuǎn)速修正值:n11=-3.0r/min
本電站設(shè)計(jì)水頭Hp=14.24 m,最大運(yùn)行水頭Hmax=14.85 m,經(jīng)綜合分析,本電站裝機(jī)容量由原設(shè)計(jì)裝機(jī)容量3×800 kW增至3×1000 kW,為保證電站正常運(yùn)行和冬季充分利用上游水進(jìn)行發(fā)電,減少備用容量,根據(jù)保證出力N保=1 231.56 kW,本電站安裝3臺(tái)單機(jī)容量Nf=1 000 kW的水輪發(fā)電機(jī)組為宜。從而保證機(jī)組在冬季充分利用上游水,水輪機(jī)在高效率區(qū)運(yùn)行,從而達(dá)到多發(fā)電發(fā)好電的目的。
根據(jù)以上參數(shù),廠家推薦機(jī)型,結(jié)合地處海拔高程(1301.82 m),上游來(lái)水含沙量大(多年平均5.95 kg/m3)。計(jì)算 ZD660、JP502、ZD30、ZD580A、ZDTF03 共 5 種機(jī)型與ZD661機(jī)型的基本參數(shù)。
經(jīng)計(jì)算可知,除JP502(φ=0°)型達(dá)不到本電站機(jī)組設(shè)計(jì)出力,其余4種機(jī)型6種水輪機(jī)均能滿足本電站水輪機(jī)的設(shè)計(jì)出力。從校核出力點(diǎn)可以看出,在最優(yōu)工況點(diǎn)(即葉片安放角度線處),水輪機(jī)出力最大的為JP502(φ=10°)型,其次為 JP502(φ=5°)型、ZD660 型(φ=28°)、ZDTF03(φ=7.5°)型、ZD660型(φ=26°),最小為 ZD30 型(φ=0°),但在原設(shè)計(jì)流量Q=7.76 m3/s時(shí),效率最低為 JP502(φ=10°)型,僅為73.9%,最高的為ZD660型(φ=26°)為88.9%,ZD660型(φ=28°)為88.7%,JP502(φ=5°)型為 79.7%。從以上參數(shù)可以看出,JP502(φ=5°、φ=10°)型水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)域中高效率區(qū)較窄,按設(shè)定流量運(yùn)行不能在高效率區(qū)內(nèi)運(yùn)行,即水輪機(jī)不能在最優(yōu)工況下運(yùn)行。
ZD30型(φ=0°)水輪機(jī)在出力限制線以外很遠(yuǎn)才滿足設(shè)計(jì)出力,即不在最優(yōu)工況下運(yùn)行,另外ZDTF03型(φ=7.5°)水輪機(jī)效率也較低。
從以上分析比較來(lái)看,ZD660—LH—120(φ=26°)及(φ=28°)型水輪機(jī)更適合本電站。水輪機(jī)在高效率區(qū)運(yùn)行。故本電站可選用 ZD660—LH—120(φ=28°)及(φ=26°)型水輪機(jī)做為吾庫(kù)沙克水電站增容改造水輪機(jī)的首選機(jī)型。
在分析完出力后,需進(jìn)行汽蝕性能分析,以最終確定適合本電站的最佳機(jī)型。由轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)模型實(shí)驗(yàn)出的汽蝕曲線,對(duì)定漿式水輪機(jī),僅在單角角度線上其汽蝕系數(shù)不會(huì)改變,偏高此單角角度線之外,導(dǎo)葉開(kāi)度的變化使固定漿葉的流態(tài)(水流對(duì)葉片進(jìn)口部的充角)變壞,除效率下降很快外,其汽蝕情況也將會(huì)惡化。因此,對(duì)定漿式水輪機(jī)計(jì)算汽蝕時(shí)應(yīng)加一個(gè)系數(shù),取K=1.05。
汽蝕曲線為初生汽蝕曲線,在清水河流中可直接選用,但吾庫(kù)沙克水電站引用水中含沙量大,且硬度較高,在采用不銹鋼葉片的同時(shí),取K=1.43,此時(shí)汽蝕安全系數(shù)K=K1×K2=1.50,吸出高度計(jì)算公式為:
原機(jī)組安裝高程為 -2.09 m,而 JP502HS=-3.42 m,ZD660HS=-1.03 m,ZD30HS=-0.595 m。從中可看出,除JP502型不能滿足原安裝高程要求外,其余ZD660、ZDTF03、ZD30型水輪機(jī)均可滿足要求。
ZD660型與原ZD661型轉(zhuǎn)輪葉片均為4葉片,其水推力系數(shù)K均為0.85,但新轉(zhuǎn)輪葉片角度較大,實(shí)際水推力將較小,新轉(zhuǎn)輪的重量與原轉(zhuǎn)輪重量相當(dāng),因此水輪機(jī)軸向水推力可視為不變,原發(fā)電機(jī)推力軸承負(fù)荷不變。而JP502為5葉片,其水推力系數(shù)K值遠(yuǎn)大于原水輪發(fā)電機(jī)組的推力軸承的軸向水推力計(jì)算值,故本電站從軸向水推力計(jì)算值上講,不宜選用JP502機(jī)型。
從水輪機(jī)出力分析、汽蝕性能和軸向水推力分析中可以看出,既滿足運(yùn)行工況好,又滿足汽蝕性能好,不改變?cè)啺l(fā)電機(jī)組的軸向水推力計(jì)算值的機(jī)型為ZD660—LH—120型(φ=26°)及(φ=28°),而且從水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)匯總表中可以看出該機(jī)型年發(fā)電量最大,年利用小時(shí)最高。再考慮該電站為徑流式水電站,為適應(yīng)豐水期大河來(lái)水量大,故2#、3#機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片安放角度確定為φ=28°,另外為適應(yīng)冬季大河來(lái)水流量小,機(jī)組仍在高效率區(qū)運(yùn)行,故電站1#水輪機(jī)選用ZD660—LH—120型(φ=26°)。
在2#、3#水輪機(jī)增容改造成功的基礎(chǔ)上,為保證水輪發(fā)電機(jī)組安全正常運(yùn)行,并能適應(yīng)增容改造后的水輪機(jī)設(shè)計(jì)出力,必須對(duì)發(fā)電機(jī)的增容改造。
發(fā)電機(jī)的增容改造,是通過(guò)改造發(fā)電機(jī)的電磁載體,核算發(fā)電機(jī)的剛度和強(qiáng)度,并在必要時(shí)采取相應(yīng)的改造措施。使已運(yùn)行了26 a的發(fā)電機(jī)在新的增大容量下安全可靠運(yùn)行。同時(shí)使發(fā)電機(jī)的運(yùn)行溫度、電氣參數(shù)、效率等主要參數(shù)處于合理的新水平上。
根據(jù)水輪機(jī)改造選定的方案,結(jié)合電站提供的發(fā)電機(jī)資料,進(jìn)行設(shè)計(jì)分析,對(duì)應(yīng)提出發(fā)電機(jī)的改造方案。
在發(fā)電機(jī)出口電壓6.3 kV不變的基礎(chǔ)上,重新設(shè)計(jì)并制造定子線圈、槽契、槽內(nèi)墊條等,在電站進(jìn)行新的定子線圈的嵌線工作,考慮到定子線圈可能存在的銹蝕和松動(dòng),必須由電站同生產(chǎn)廠家及設(shè)計(jì)單位共同進(jìn)行定子鐵芯的檢查和鐵損試驗(yàn),如試驗(yàn)合格則進(jìn)行重新壓緊,若試驗(yàn)不合格,則必須進(jìn)行必要的處理(如更換不合格的定子扇形片等)。
用重新設(shè)計(jì)制作的磁極更換原有的磁極線圈,以滿足在額定功率因數(shù)COSφ=0.80條件下,勵(lì)磁容量增加的要求。
線圈絕緣結(jié)構(gòu):
1)定子線圈與磁極線圈均采用F級(jí)絕緣。
2)定子線圈絕緣材料選用滌綸玻璃絲包扁銅線。采用模壓制造工藝,線圈直線部分和端部采用一次模壓固化成型。定子下線采用不吊把下線方式,以減少吊把而引起的絕緣損傷。定子線圈表面必須根據(jù)原電機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行防電暈處理。從而保證線圈質(zhì)量達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。
3)磁極線圈采用新型的F級(jí)材料,適應(yīng)增強(qiáng)角部絕緣處理,并將磁極線圈托板與磁極線圈整體熱壓成型。
吾庫(kù)沙克水電站通過(guò)本次增容改造,可將現(xiàn)有裝機(jī)容量2×800 kW增至3×1000 kW,充分利用了現(xiàn)有的水利資源。機(jī)組增容改造后,年發(fā)電量可達(dá)到1 275.55 kW·h,年利用小時(shí)數(shù)為4 252 h,保證出力1 231.56 kW,每年比原設(shè)計(jì)裝機(jī)容量2×800 kW可多發(fā)795.55萬(wàn)kW·h電,按現(xiàn)有疏附縣上網(wǎng)電價(jià)0.344元/kW·h計(jì)算,每年多收入273.67萬(wàn)元,如與現(xiàn)實(shí)際裝機(jī)容量比較,則年發(fā)電量增加量就更可觀了。
本次吾庫(kù)沙克水電站增容改造比現(xiàn)裝機(jī)容量多增1 400 kW,總投資481.07萬(wàn)元,平均新增容量單位千瓦投資為0.3436萬(wàn)元,比修建一個(gè)相同容量的水電站便宜的多,而對(duì)現(xiàn)有電站進(jìn)行改造,可達(dá)到投資少,增效大,起到立桿見(jiàn)影的效果。
[1]趙鳳濱,李炤.葛州壩電站水輪機(jī)增容改造空化性能及穩(wěn)定性研究[J]. 黑龍江水利科技,2005,33(4):14 -15.