山西省平順縣赤壁水電站技改工程水力機械更新改造設計思路及要點

(山西省水利水電勘測設計研究院，太原 030024)

1 工程概況

赤壁水電站位于平順縣北耽車鄉(xiāng)煙駝村旁濁漳河邊，裝機容量3×2500kW，設計水頭32.7m，設計流量30m3/s。1984年3月開始建設，1990年建成投產(chǎn)發(fā)電，設計年發(fā)電量3000萬kW·h。該電站建成投產(chǎn)運行十余年來，給當?shù)氐膰窠?jīng)濟發(fā)展、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了可靠的電力能源，產(chǎn)生了較高的經(jīng)濟效益和較好的社會效益。

近年來由于徑流量改變，長期在低于設計流量的小流量下運行，使得水輪機工作效率下降，不能達到最優(yōu)設計工況。加之機組運行已十多年，水輪發(fā)電機組設備老化，效率下降，不能產(chǎn)生最佳的效益。此次工程技改任務是拆除一臺水輪發(fā)電機組，更換為一臺小流量水輪發(fā)電機組。

2 水力機械設計

2.1 水電站的設計參數(shù)

水電站前池水位、尾水位和設計水頭均參照原水電站技施設計水位，根據(jù)水文專業(yè)計算結果，河道徑流量約6.0m3/s，以此作為水電站的設計流量。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 原水電站機組和技改水電站機組參數(shù)對比

2.2 裝機及單機容量的確定

赤壁水電站庫區(qū)位于擬建的淜頭水電站下游，其發(fā)電流量根據(jù)淜頭水電站放水流量確定，淜頭水電站一臺機組最小放水流量為2.0m3/s，一臺機組設計流量4.0m3/s，經(jīng)過庫區(qū)調(diào)節(jié)后，這些流量都要求能夠利用發(fā)電。根據(jù)對不同裝機容量和多年平均發(fā)電量、發(fā)電流量、加權平均水頭等方案的計算結果，最終提出裝機容量為1600kW，改造機組平均發(fā)電量1058萬kW·h，年利用小時數(shù)6612h。

根據(jù)水能計算的結果，結合機組選型要求，赤壁水電站技改最終確定電站裝機一臺，動能參數(shù)為最小流量3.3m3/s、設計流量6.0m3/s、設計水頭32.7m。經(jīng)計算最終確定實際裝機容量為1600kW。

2.3 水輪機發(fā)電機組選擇

2.3.1 水輪機選型

表2 水輪機及發(fā)電機參數(shù)比選

2.3.2 水輪機安裝高程確定

Hs——吸出高度,m；

σ——汽蝕系數(shù)，取0.11；

Δσ——汽蝕系數(shù)修正值，取0.04;

H——電站設計水頭，取32.7m;

b0——導葉高度，取0.25m。

經(jīng)計算，安裝高程為543.60m。

《小型水力發(fā)電站設計規(guī)范》(GB 50071—2002)要求最低尾水位淹沒尾水管出口0.5m。因機組為改造，是在原來舊機組的位置安裝新的機組，而進水管中心線高程及蝸殼中心線高程都不會變化。因此安裝高程仍與原來安裝高程541.0m相同，并且此安裝高程均低于以上方法的計算值，滿足設計要求。最后確定安裝高程為541.0m。

2.4 調(diào)節(jié)保證計算

經(jīng)調(diào)保計算，規(guī)范要求壓力管道水錘壓力上升值允許小于70%～50%，此次計算結果為18.8%；機組速率上升值允許在小于50%的范圍內(nèi)，此次計算結果為36.2%。因此本電站調(diào)保計算結果滿足要求。

2.5 調(diào)速器及進水閥選擇

此次對水輪機進水閥門及配套伸縮節(jié)進行更換，拆除舊閥門，更換新閥門，選用D941X-6電動蝶閥。閥門仍安裝在原來位置，公稱直徑與原來一致，為DN1800，公稱壓力為0.6MPa。

2.6 機組改造方案

經(jīng)咨詢水輪發(fā)電機生產(chǎn)廠家，本著減少投資和減少土建工程量，且能達到安裝水輪機的要求，此次技改不對蝸殼進行改造，拆除并更換原來的水輪機轉(zhuǎn)輪、活動導葉、頂蓋、控制環(huán)、止水密封、導軸承、油盆等部件。原來水輪機轉(zhuǎn)輪直徑1.2m，此次更換為0.95m。其相應部件尺寸都會變小。為使原蝸殼滿足現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪等的安裝要求，廠家提出了兩種具體做法：一是沿著原蝸殼的固定導葉的翼形延長其長度，并在固定導葉的下部焊接翼板，使其過流面積減小，滿足現(xiàn)有機組流量的要求，在加工頂蓋時加大其尺寸能與原蝸殼配合安裝；二是要更換原來機組容量，原來埋在鋼筋混凝土內(nèi)的蝸殼不能滿足新更換機組的要求，要求拆除蝸殼重新安裝。這就要求鑿除蝸殼周圍的混凝土然后再拆除蝸殼，更換新的蝸殼后，再在其周圍澆筑鋼筋混凝土。經(jīng)對比及結合實際情況，采用方案二。

因現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪直徑變小，其出口下環(huán)尺寸也會相應變小，對應的尾水管進口的基礎環(huán)進口尺寸也相應變小，此次對基礎環(huán)進行更換，滿足過流及回收能量的要求，提高水輪機效率。

原發(fā)電機定子外徑為2.6m，更換為新的發(fā)電機后，定子外徑為2.15m。這就要求在制作發(fā)電機時，其基礎要適當加大，按照原發(fā)電機的基礎螺栓孔尺寸制作。這樣在拆除舊發(fā)電機后，可以在原來的基礎上安裝新的發(fā)電機，土建尺寸不會相應改變。

2.7 電站輔助機械設備

2.7.1 供排水系統(tǒng)

a.供水用戶。技改電站用水設備為發(fā)電機推力軸承冷卻器、發(fā)電機導軸承冷卻器、水輪機導軸承冷卻器以及廠內(nèi)生活用水。

b.水源及取水方式。根據(jù)電站工作水頭，從壓力鋼管取水即可滿足技術供水水量及壓力要求。在機組的壓力鋼管進水閥前設技術供水取水口，后接濾水器，然后接技術供水總管，分別接入水輪機導軸承和發(fā)電機推力導軸承冷卻器。電站生活供水也取自技術供水總管。

c.濾水器及供水管徑確定。原設計為每臺機組技術供水支管上安裝一臺手動式濾水器。為滿足此次技改自動化運行的要求，更換為3臺全自動濾水器，參與全廠自動控制。技術供水總管仍采用DN100鋼管。

d.排水系統(tǒng)。廠內(nèi)排水系統(tǒng)包括檢修排水、滲漏排水和機組冷卻排水系統(tǒng)。

機組檢修排水：水泵經(jīng)過多年運行，泵殼銹蝕嚴重，滲水嚴重。此次更換為同流量和揚程的立式無密封自控自吸泵。水泵的型號為200KWFB270-20，流量285m3/h，揚程18m，配套功率37kW。

發(fā)電機推力軸承冷卻器、水輪機導軸承冷卻器均通過自流排至閘門后尾水渠。廠內(nèi)生活排水也通過自流排至集水井。

廠房滲漏水由廠房內(nèi)排水溝匯集至集水井。水泵經(jīng)過多年運行，泵殼銹蝕嚴重，滲水嚴重。此次更換為同流量和揚程的立式無密封自控自吸泵，啟閉無需灌水排除泵殼空氣。水泵的型號為80kWFB50-32，流量45m3/h，揚程32m，配套功率15kW。

2.7.2 油系統(tǒng)

a.透平油系統(tǒng)。技改電站透平油用油設備主要有調(diào)速器、發(fā)電機推力軸承和水輪機水導軸承。經(jīng)過多年的運行，濾油機、油泵和油罐已經(jīng)不符全安全運行的要求；并且原設計透平油和絕緣油共用一臺真空濾油機，不符合兩種油設備應分開使用的要求。此次對透平油系統(tǒng)全部進行更換。

壓力濾油機一臺，型號為LY-50，過流量50L/min；真空濾油機一臺，型號ZJCQ-3，過流量50L/min；油泵兩臺，型號為2CY-6/3.3，過流量100L/min。更換3m3油罐兩只，一只為凈油罐，另一只為運行油罐。

b.絕緣油系統(tǒng)。技改電站絕緣油用油設備主要是變壓器。經(jīng)過多年的運行，濾油機、油泵和油罐已經(jīng)不符合安全運行的要求。此次對絕緣油系統(tǒng)全部進行更換。

壓力濾油機一臺，型號為LY-50，過流量50L/min；真空濾油機一臺，型號ZJB3KY，過流量50L/min；油泵兩臺，型號為2CY-6/3.3，過流量100L/min。更換5m3油罐兩只，一只為凈油罐，另一只為運行油罐。

2.7.3 壓縮空氣系統(tǒng)

水電站壓縮空氣系統(tǒng)包括高壓供氣系統(tǒng)和低壓供氣系統(tǒng)。經(jīng)過多年運行，空壓機運行時振動和噪音很大，并且氣罐也達不到安全運行的要求。

此次對高低壓氣系統(tǒng)全部進行更換，高壓空壓機型號為VF-0.3/30，排氣量0.55m3/min，排氣壓力3.0MPa。在氣罐上安裝一臺壓力變送器，自動控制高壓空壓機的運行。低壓空壓機選用螺桿式空壓機，型號為SRC-15SA，排氣量1.5m3/min，排氣壓力0.8MPa。在供氣管路上安裝一臺壓力變送器，自動控制低壓空壓機的運行。

2.7.4 水力監(jiān)視測量系統(tǒng)

水力監(jiān)視測量內(nèi)容包括：上、下游水位監(jiān)測，攔污柵前后壓差、水輪機工作水頭、軸功率、蝸殼進口壓力、尾水管進口真空、技術供水溫度、機組效率等監(jiān)測。此次將進水池和尾水渠的各一套液位計全部更換為超聲波液位傳感器。

3 結 語

技改后，赤壁水電站多年平均年發(fā)電量可達1779萬kW·h，其中改造機組多年平均發(fā)電量1058萬kW·h，多年平均增加發(fā)電量633萬kW·h，可為當?shù)厝嗣袢罕娞峁┝畠r能源，使工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展，效益顯著。