新疆疏附縣吾庫(kù)薩克水電站機(jī)組增容改造

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)

1 概述

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。

2 水輪機(jī)組改造方案

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。

3 推薦水輪機(jī)模型試驗(yàn)參數(shù)分析比較

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。

4 1#、2#、3#水輪機(jī)選擇

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。

4.1 水輪機(jī)效率值分析確定

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

4.2 水輪機(jī)出力計(jì)算

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)。

4.3 水輪機(jī)出力分析

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。

4.4 汽蝕性能分析

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。

4.5 水推力計(jì)算

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。

4.6 1#、2#、3#水輪機(jī)機(jī)型確定

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°)。

5 水輪發(fā)電機(jī)改造

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。

6 結(jié)束語(yǔ)

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.