云南綠水河二級(jí)電站4號(hào)水輪機(jī)增容技術(shù)改造效果分析

長(zhǎng)金全 蘭舟

(1.四川國(guó)眾發(fā)電設(shè)備有限公司，四川德陽(yáng) 618100;2.四川大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610041)

1 電站概述及改造歷程

華電云南發(fā)電有限公司綠水河發(fā)電廠地處距離云南省個(gè)舊市100km的蔓耗鎮(zhèn)。綠水河二級(jí)電站裝機(jī)4臺(tái)，1號(hào)水輪機(jī)型號(hào)為2CJ－W－146/2×15，額定水頭305m，額定流量5.33m3/s，額定轉(zhuǎn)速500r/min，額定出力13MW，發(fā)電機(jī)型號(hào)為TSW－286/115－12;2～4號(hào)水輪機(jī)型號(hào)為HL683-LJ-140，額定水頭305m，額定流量6.02m3/s，額定轉(zhuǎn)速750r/min，額定出力15.63 MW，發(fā)電機(jī)型號(hào)為TSW－286/115－12。

綠水河電廠二級(jí)站是一座引水式高水頭電站，電站最大水頭331m，最小水頭295m，設(shè)計(jì)水頭305m，引用流量23.39m3/s，設(shè)計(jì)保證出力16.5MW，裝機(jī)容量 (13+3×15)MW。由于2～4號(hào)水輪機(jī)過(guò)流部件磨蝕嚴(yán)重，電站進(jìn)行了兩次較大的技術(shù)改造。第一次改造時(shí)間為1997年，改造對(duì)象為3號(hào)機(jī)組，由原來(lái)的HL683-LJ-140改為HLD261-LJ-140，發(fā)電機(jī)出力仍為15MW，轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)更換，改造基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果，特別是導(dǎo)葉磨蝕問(wèn)題得到有效控制，實(shí)現(xiàn)了3年大修的目的。但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，水輪機(jī)效率偏低。后來(lái)對(duì)2號(hào)、4號(hào)機(jī)進(jìn)行了改造，2號(hào)機(jī)改造沿用3號(hào)機(jī)組改造方案。4號(hào)機(jī)組由原來(lái)的HL683-LJ-140改造為HL125-LJ-140，轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)更換，改造基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了5年大修的目的。但降低了導(dǎo)葉高度，對(duì)蝸殼進(jìn)行了改動(dòng)，水輪機(jī)出力受到較大限制，發(fā)電機(jī)最大出力為15MW，對(duì)電站效益有一定影響，特別是豐水期棄水較多，不能超發(fā)。

本次改造對(duì)象為綠水河二級(jí)電站4號(hào)水輪機(jī)，目的是機(jī)組出力由15MW提高到18MW。首先恢復(fù)原流道，將蝸殼內(nèi)填補(bǔ)物去除，恢復(fù)導(dǎo)葉高度為140mm。更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)、副頂蓋、副底環(huán)、控制環(huán)及其他相關(guān)部件，其他埋入通流部件不變，機(jī)組轉(zhuǎn)速750r/min不變，水輪機(jī)額定點(diǎn)效率不低于91%，同時(shí)，保證穩(wěn)定性和抗汽蝕能力不低于改造前水平。

2 改造轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計(jì)介紹

2.1 背景分析

HL683轉(zhuǎn)輪是當(dāng)時(shí)最高水頭段可以使用的唯一轉(zhuǎn)輪。

(1)HL683轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)如下:

曾用名:HL133;

導(dǎo)葉相對(duì)高度 (B0):0.1;

最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速 (n10):61r/min;

限制工況點(diǎn)單位流量:228L/s;

汽蝕系數(shù)σ:0.035(限制工況點(diǎn));

使用水頭:250～400m;

(2)電站主要參數(shù)如下:

設(shè)計(jì)水頭 (Hp):305m;

額定轉(zhuǎn)速 (n):750r/min;

水輪機(jī)額定出力 (N水):15630kW;

吸出高度 (Hs):－1m;

汽蝕安全系數(shù)(K):1.024。從上述數(shù)據(jù)可以看出3號(hào)機(jī)組水輪機(jī)選型基本不合理，單位轉(zhuǎn)速略偏低，汽蝕安全余量嚴(yán)重不足，按現(xiàn)在技術(shù)要求，汽蝕安全系數(shù)應(yīng)大于1.5，故綠水河電站4號(hào)水輪機(jī)汽蝕嚴(yán)重在預(yù)料之中。

電站2號(hào)、3號(hào)機(jī)組改造時(shí)采用D261轉(zhuǎn)輪，汽蝕系數(shù)為0.025，汽蝕安全系數(shù)為1.98，完全滿足電站安裝高程。

本次改造任務(wù)技術(shù)要求出力由15MW增容到18MW，在電站水頭不變情況下，流量增加20%，流速基本增加20%，同時(shí)，需滿足汽蝕性能不下降和流道基本不變的要求。由于導(dǎo)葉高度和轉(zhuǎn)輪出口尺寸不能改變，能量指標(biāo)、汽蝕性能和穩(wěn)定性同時(shí)滿足要求的現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪基本不存在，只能在各項(xiàng)指標(biāo)接近的轉(zhuǎn)輪基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新轉(zhuǎn)輪。高水頭機(jī)組水力損失有50%左右由導(dǎo)水機(jī)構(gòu)產(chǎn)生，為此，本次設(shè)計(jì)充分考慮了導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪的匹配問(wèn)題，對(duì)改造后的水輪機(jī)進(jìn)行了CFD仿真計(jì)算。

2.2 葉片設(shè)計(jì)

2.2.1 參數(shù)確定

設(shè)計(jì)水頭:Hp=305m;

額定轉(zhuǎn)速:n=750r/min;

水輪機(jī)出力:N水=18000kW/η發(fā)=18000/0.95=18947kW;

最優(yōu)點(diǎn)流量:Q優(yōu)=QP/1.15=6.96/1.15=6.05m3/s;

尾水管進(jìn)口直徑:D=951mm;

轉(zhuǎn)輪出口直徑確定:D2=945mm;

為設(shè)計(jì)方便，將轉(zhuǎn)輪直徑D1調(diào)整為1420mm。

導(dǎo)葉高度:B0=140mm;

轉(zhuǎn)輪直徑:D1=1420mm;

根據(jù)歐拉公式:

假設(shè)轉(zhuǎn)輪最優(yōu)效率為96%，且cu2=0，則

轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處旋轉(zhuǎn)速度:U1=nD1π/60=750×1.42×3.1415926/60=55.76m/s;

圓周方向無(wú)量綱速度分量:cu1=0.48/u1=0.66591;

汽蝕性能初步校核:

上述參數(shù)基本滿足汽蝕要求。

2.2.2 CFD仿真計(jì)算

在確定了轉(zhuǎn)輪上述參數(shù)后，進(jìn)行轉(zhuǎn)輪CFD仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖1為最終計(jì)算成果。

為使設(shè)計(jì)樣機(jī)盡可能與真機(jī)工況接近，在進(jìn)行CFD仿真計(jì)算時(shí)將導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了聯(lián)合仿真計(jì)算，分別計(jì)算了導(dǎo)葉開(kāi)度在8°、10°、13°、15°、20°的5種工況，導(dǎo)葉在小開(kāi)度8°、10°時(shí)，葉片進(jìn)水邊低壓產(chǎn)生，同時(shí)，從圖2中可以清晰看出不同開(kāi)度下水流出流狀況，在個(gè)工況下葉片壓力分布合理，機(jī)組的出力和額定點(diǎn)效率完全可以保證。

3 改造部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綠水河電站為高水頭電站，水輪機(jī)為兩段軸型式中拆結(jié)構(gòu)，在檢修水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪時(shí)，不用拆發(fā)電機(jī)，在水機(jī)層，拆除中段軸、副頂蓋、軸承、控制環(huán)等后就可以直接取出水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。

本次改造轉(zhuǎn)輪與原轉(zhuǎn)輪在結(jié)構(gòu)尺寸中略有變化，主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪最大外徑和轉(zhuǎn)輪出口到底環(huán)平面距離增加。為在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盡量按原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將局部尺寸進(jìn)行了修改，保證在不拆除頂蓋的情況下可以取出水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。將原下密封梳齒結(jié)構(gòu)改為臺(tái)階密封結(jié)構(gòu)，這樣可以防止發(fā)生密封處自激現(xiàn)象，原尾水管未改動(dòng)。

在解決頂蓋變形方面電站積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，將最初的鑄件頂蓋改為實(shí)心鑄件頂蓋，將套筒結(jié)構(gòu)改為無(wú)套筒結(jié)構(gòu)，將頂蓋法蘭由原來(lái)85mm加厚為135mm。經(jīng)過(guò)改造，頂蓋變形量由2mm左右減小到接近0mm，克服了導(dǎo)葉運(yùn)行中發(fā)卡現(xiàn)象，頂蓋變形問(wèn)題得到解決，保證了軸承和密封的安全可靠運(yùn)行。本次改造沿用該方案。

導(dǎo)葉采用表面相對(duì)流速較低的帶有偏心的負(fù)曲率導(dǎo)葉，提高導(dǎo)葉本體的抗磨蝕性能?；顒?dòng)導(dǎo)葉選用16只，采用ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼整體鑄造而成?；顒?dòng)導(dǎo)葉翼型與一般水輪機(jī)導(dǎo)葉不同，有較大偏心，使負(fù)壓面平順光滑，上、下軸徑的過(guò)渡凸肩偏置于正壓面，從而避免凸肩在背壓面誘發(fā)磨蝕。

圖2 計(jì)算工況

4 改造部件加工工藝

4.1 轉(zhuǎn)輪加工

轉(zhuǎn)輪采用19個(gè)葉片，轉(zhuǎn)輪全不銹鋼材料(ZG06Cr13Ni4Mo)。為保證型線要求，葉片正背面采用數(shù)控設(shè)備加工，上冠、下環(huán)過(guò)流面采用數(shù)控車床加工，轉(zhuǎn)輪葉片型線及焊接剖口為三維造型數(shù)控加工，保證了葉片型線與設(shè)計(jì)型線完全相符，同時(shí)也保證了裝焊轉(zhuǎn)輪時(shí)葉片進(jìn)口角度，以及葉片間開(kāi)口誤差遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)手冊(cè)要求值。

4.2 導(dǎo)葉加工

導(dǎo)葉數(shù)為16個(gè)，材料 ZG06Cr13Ni4Mo，導(dǎo)葉板體型面在數(shù)控加工中心完成，導(dǎo)葉板體型線、軸頸尺寸、密封面完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配時(shí)一次檢查合格。

4.3 頂蓋加工

本次改造由于頂蓋沒(méi)有套筒，軸套為銅基石墨自潤(rùn)滑，頂蓋導(dǎo)葉孔的加工非常重要。首先，在頂蓋半精加工時(shí)需采用數(shù)控設(shè)備，分度圓精度達(dá)到0.03mm/m以內(nèi)，把16個(gè)導(dǎo)葉孔加工好，軸套位置的尺寸全部進(jìn)入公差，再將軸套冷凍后放入，保證軸套與軸套孔有一定緊量，防止軸套滑動(dòng)。

頂蓋抗磨板在軸套裝入后才能裝焊。為防止高壓水進(jìn)入抗磨板和頂蓋的間隙，將每一塊抗磨板和頂蓋焊實(shí)，保證高壓水不能進(jìn)入。將每個(gè)靠近軸套的抗磨板作為一個(gè)環(huán)形部件與頂蓋和抗磨板焊牢。最后將軸套內(nèi)孔在車序完成后，重新找正加工。軸套與導(dǎo)葉軸頸間隙0.06mm左右，以改善導(dǎo)葉受力狀況，銅基石墨自潤(rùn)滑軸套具有摩擦系數(shù)低、承載能力高等特點(diǎn)，可以減少導(dǎo)葉與軸套配合面的磨損，軸套按十年使用壽命設(shè)計(jì)。

4.4 其他改造

頂蓋上原有控制環(huán)導(dǎo)向環(huán)為鑄鐵材料，本次改造更換為銅基石墨自潤(rùn)滑環(huán)，能減少摩擦阻力，提升產(chǎn)品品質(zhì)。

導(dǎo)葉軸套本次改造更換為銅基石墨自潤(rùn)滑軸套，為內(nèi)藏式結(jié)構(gòu)，大修時(shí)不用更換。

5 實(shí)際運(yùn)行效果

本次更換設(shè)備制造質(zhì)量較好，安裝順利。

機(jī)組在空轉(zhuǎn)24h后，帶負(fù)荷運(yùn)行，對(duì)各個(gè)開(kāi)度進(jìn)行了試驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)振動(dòng)區(qū)域，機(jī)組出力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，業(yè)主非常滿意。2012年3月，4號(hào)水輪機(jī)改造后投入運(yùn)行，至今效果良好。

6 總結(jié)

高水頭機(jī)組的選型、水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝及安裝要求都非常高，本次改造轉(zhuǎn)輪幾乎是混流式轉(zhuǎn)輪小流量的極限，設(shè)計(jì)難度和加工難度比常規(guī)機(jī)組大。通過(guò)此次改造，筆者從實(shí)際運(yùn)行維護(hù)中取得了寶貴經(jīng)驗(yàn)，對(duì)高水頭、高轉(zhuǎn)速及中拆結(jié)構(gòu)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。本次改造經(jīng)驗(yàn)可為同類型電站水輪機(jī)改造所借鑒。