富陽市巖石嶺水庫一級水電站水輪發(fā)電機組增效擴容設計

張樹存,謝麗華

(浙江省水利水電勘測設計院,浙江 杭州 310002)

1 電站概況

巖石嶺水庫一級水電站位于富陽市胥口鎮(zhèn)上練村,為壩后式電站。電站始建于1979年,總裝機容量1 500 kW,電站廠房內(nèi)共裝有3臺500 kW的立式軸流定槳式水輪發(fā)電機組。1992年2號發(fā)電機組進行改造時,由500 kW擴容至580 kW,使得電站總裝機容量增加至1 580 kW。2010年電站再次增效擴容,將原電站2臺500 kW立軸軸流定槳式水輪發(fā)電機組及1臺580 kW立軸軸流定槳式水輪發(fā)電機組,改造為3臺630 kW立軸軸流定槳式水輪發(fā)電機組。電站主要參數(shù):最大水頭 Hmax為 15.81 m,額定水頭 Hr為11.0 m,最小水頭 Hmin為9.0 m;裝機容量為3×630 kW,多年平均發(fā)電量為365萬kW·h。

2 水輪發(fā)電機組增效擴容改造方案

2.1 增效擴容改造原則

巖石嶺水庫一級水電站是在不改變其主要水工建筑物以及設備埋設部件的情況下,進行水輪發(fā)電機組增效擴容改造,需要設計人員較深入地了解電站老機組的運行情況,到現(xiàn)場進行細致地查勘,并且需要具有法定資質(zhì)的檢測機構(gòu)出具的機組設備鑒定證書以及原電站老機組的設計圖紙資料。

(1)掌握電站老機組的現(xiàn)狀是做好機組改造的重要條件,只有掌握了老機組的現(xiàn)狀才能對機組設備的改造方案提供可靠的依據(jù)。

(2)了解廠家提供的老機組的設計圖紙,讓設計人員清楚地知道機組設備的結(jié)構(gòu)情況,了解機組設備哪些部件是可以拆出檢修或更換,哪些是無法拆出的,這是確定改造方案的基礎。

經(jīng)過現(xiàn)場了解及第三方出具的機組 《安全檢測報告》發(fā)現(xiàn):各主要設備均有不同程度的老化、磨損和銹蝕;主要電器設備的絕緣明顯不符合安全運行要求;導水機構(gòu)及機組轉(zhuǎn)動等部件銹蝕、磨損、滲漏嚴重。每年必須全面維護檢修方可勉強繼續(xù)運行。

2.2 原機組存在的主要問題[1]

根據(jù)機電設備運行狀況分析,電站水輪發(fā)電機組主要存在以下隱患和問題:

2.2.1 發(fā)電機部分

3臺發(fā)電機的定子線圈均為B級瀝青絕緣,耐溫低、絕緣水平差。經(jīng)過30 a的運行,由于熱、電和材料自身的老化等因素,線圈出現(xiàn)不同程度絕緣層裂紋、剝落,絕緣明顯不符合要求。發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈為B級瀝青絕緣,老化也比較嚴重,停機時間超過48 h后,定、轉(zhuǎn)子絕緣就無法滿足正常開機并網(wǎng)要求,須空載烘干幾小時才能并網(wǎng)發(fā)電。從檢測結(jié)果分析,絕大部分技術資料都不符合要求。

2.2.2 水輪機部分

水輪機轉(zhuǎn)輪因氣蝕、磨損都經(jīng)過不同程度的補焊,轉(zhuǎn)輪的平衡度和葉片的表面光潔度都很差,導致水機構(gòu)銹蝕、磨損嚴重。水輪機的導葉立面間隙較大,并呈逐年增加趨勢,且導葉漏水嚴重致使機組停機時間過長,造成推力軸瓦及鏡板過度磨損,給機組安全運行造成隱患。

2.3 現(xiàn)狀原機組的可拆卸方案

2.3.1 發(fā)電機

通過廠家提供的老機組的設計圖紙,發(fā)現(xiàn)老機組發(fā)電機可以整體拆出返廠檢修。

2.3.2 水輪機

水輪機可以拆出部件主要有:①水輪機的轉(zhuǎn)動部分:轉(zhuǎn)輪、主軸、機導軸承、主軸密封及其它組成部件;②水輪機導水機構(gòu)部分:頂蓋、底環(huán)、導葉、導葉傳動機構(gòu)(包括導葉臂、連桿、連接板)控制環(huán)、頂蓋抗磨板、底環(huán)抗磨板等。

2.4 增效擴容改造方案[1]

2.4.1 發(fā)電機部分

更換3臺發(fā)電機的線圈和絕緣、推力軸瓦更新為彈性金屬塑料瓦、制動器及所有自動化元件。

2.4.2 水輪機部分

僅保留蝸殼、座環(huán)、尾水管等埋設部件。更換3臺水輪機轉(zhuǎn)動部分:水輪機轉(zhuǎn)輪、水輪機主軸、水輪機導軸承、水輪機主軸密封及其它組成部件;導水機構(gòu)部分:頂蓋、底環(huán)、導葉、導葉傳動機構(gòu)(包括導葉臂、連桿、連接板)控制環(huán)、頂蓋抗磨板、底環(huán)抗磨板等;所有自動化元件。

為確保導水機構(gòu)在電站安裝的順利進行,需另制造1套在廠內(nèi)裝配所需的工作座環(huán)。

3 水輪機機型的選擇[1-2]

3.1 機型選擇原則

對于不改變主要水工建筑物及埋設部件的增容改造電站,水輪機機型選擇的主要原則:①新轉(zhuǎn)輪推薦使用的水頭應滿足電站的工作水頭;②新轉(zhuǎn)輪效率應明顯高于原轉(zhuǎn)輪,且有較好的過流能力以滿足增容的要求;③汽蝕性能應優(yōu)于或至少等于原轉(zhuǎn)輪,以滿足電站實際的裝機吸出高度要求;④新轉(zhuǎn)輪與老轉(zhuǎn)輪尺寸相當,以滿足水輪機安裝要求;⑤新轉(zhuǎn)輪的流道尺寸盡可能與老轉(zhuǎn)輪的流道尺寸相近,以滿足水輪機相似性的要求。

3.2 選型設計

3.2.1 模型轉(zhuǎn)輪選擇

該電站原水輪機型號為ZD661-LH-120,轉(zhuǎn)輪直徑為1.2 m,水輪機額定效率為81.5%;發(fā)電機型號為TS173/34-16,額定轉(zhuǎn)速為375 r/min。ZD661轉(zhuǎn)輪是20世紀五六十年代我國從蘇聯(lián)引進的轉(zhuǎn)輪,其最優(yōu)比轉(zhuǎn)速442 m·hp,限制工況比轉(zhuǎn)速651 m·hp,最優(yōu)單位流量0.92 m3/s,最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速128 r/min,最優(yōu)效率87%,限制工況空蝕系數(shù)0.8,抗空蝕性能差。

根據(jù)該電站的水頭范圍,并考慮老機組轉(zhuǎn)輪的匹配性,以及與水輪發(fā)電機組制造廠家交流溝通,比較適用的軸流定槳式轉(zhuǎn)輪有ZDJP502、ZD560。

根據(jù)該電站機組改造方案,發(fā)電機更換定子線圈和轉(zhuǎn)子磁極線圈等,水輪機埋入部分不動,轉(zhuǎn)輪直徑1.2 m不變,轉(zhuǎn)速為375 r/min,額定水頭為11 m,發(fā)電機增容后額定容量為630 kW,以此計算的轉(zhuǎn)輪額定點比轉(zhuǎn)速約489.53 r/min、單位流量約1.554 m3/s、單位轉(zhuǎn)速135.7 r/min。以此要求看,轉(zhuǎn)輪ZDJP502、ZD560中均有1個葉片安裝角的單位流量和單位轉(zhuǎn)速 (ZDJP502/0°和ZD560/10°)適合該電站的工況,這2個模型轉(zhuǎn)輪最優(yōu)工況點性能與ZD661比較見表1。

表1 模型轉(zhuǎn)輪性能比較表

從表1性能參數(shù)可以看出,ZDJP502/0°和ZD560/10°的單位轉(zhuǎn)速與ZD661/0°的單位轉(zhuǎn)速相差不大,而單位流量均較ZD661/0°有大幅提高,使增容得以實現(xiàn)。其中ZDJP502是中國水利水電科學研究院水利機電研究所研制的,近年來在小水電站中使用較多,過流量大,抗汽蝕性能較好,而且效率也明顯高于另外2個轉(zhuǎn)輪。而ZD560是我國早期應用的轉(zhuǎn)輪,曾用于葛洲壩水電站,高效率區(qū)單位流量的范圍較小,且能量指標也不理想。

3.2.2 流道差異的影響

由于水輪機埋入部分均維持原樣,更換新轉(zhuǎn)輪后,老流道可能不完全與新轉(zhuǎn)輪匹配,對整體水輪機的性能會有某些影響。根據(jù)軸流式水輪機的特點,對水輪機性能影響較大的有尾水管的高度、直錐管的錐角、導葉高度和輪轂比。ZD661、ZD560、ZDJP502水輪機流道的主要區(qū)別見表2。

表2 水輪機流道參數(shù)比較表

由表2可知,ZDJP502的輪轂比較前2者要小,因此過流能力較大,導葉數(shù)、導葉高度都與原轉(zhuǎn)輪相同,但ZD560所需的導葉數(shù)較多;導葉分布圓直徑ZD560和ZDJP502相近,而目前水輪機的導葉分布圓直徑較大;尾水管的高度和錐角對于水輪機出口尾水能量的回收有一定影響,ZDJP502要求的尾水管高度較大,而電站目前的尾水管高度較小,對新轉(zhuǎn)輪的效率有一定的負面影響。

綜合分析比較以上轉(zhuǎn)輪的性能參數(shù)和流道差異,ZDJP502/0°以效率高、抗氣蝕性能好,明顯優(yōu)于其他方案。

4 選定的水輪發(fā)電機組參數(shù)

經(jīng)綜合分析比較,選用ZDJP502-LH-120水輪機(參數(shù)見表3),配SF630-16/1730發(fā)電機(參數(shù)見表4)更適合此工程。

表3 水輪機參數(shù)表

表4 發(fā)電機參數(shù)表

5 結(jié) 語

老電站機組的增效擴容改造工作已在全國普遍進行,水輪發(fā)電機組增效擴容改造方案及水輪機機型選擇的合理性,對改造工作的順利展開至關重要,希望能夠給相關工作提供一點參考。

[1]謝麗華,張樹存,潘利國,等.浙江省富陽市巖石嶺水庫除險加固工程一級電站報廢重建初步設計專題報告 [R].杭州:浙江省水利水電勘測設計院,2010.

[2]青長庚,吳次光,于明新,等.《水電站機電設計手冊》[M].北京:水利電力出版社,1983.