那岸水電站增效擴(kuò)容改造工程機(jī)組組要參數(shù)選擇

農(nóng)云峰

那岸水電站增效擴(kuò)容改造工程機(jī)組組要參數(shù)選擇

農(nóng)云峰

文章結(jié)合那岸水電站增效擴(kuò)容改造工程，介紹合理選擇機(jī)組的單機(jī)容量、額定水頭、額定轉(zhuǎn)速等機(jī)組主要參數(shù)，確定其改造方案。

增效擴(kuò)容；機(jī)組；主要參數(shù)選擇

一、電站概述

那岸水電站位于大新縣雷平鎮(zhèn)那岸村王孟屯，黑水河上游，距大新縣城約46公里，水庫處于石灰?guī)r狹谷地帶，庫區(qū)四周為高山，壩址以上控制集雨面積3180km2，壩址多年平均流量81.3 m3/s，年徑流量23.8億m3，攔河壩為大頭溢流式，溢流壩段高47m，非溢流壩段高57m，總庫容2915萬m3，有效庫容844萬m3，設(shè)計(jì)洪水流量2600m3/s。電站為壩后式，電站原裝機(jī)容量4×3200kW，設(shè)計(jì)保證出電2600kW，多年平均發(fā)電量7003萬kWh，年利用小時(shí)4377h。那岸電站于1970年元月破土動(dòng)工，1974年4月，1#機(jī)組試機(jī)運(yùn)行，1977年4月，4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)。那岸電站于2000年對(duì)1～4#機(jī)組進(jìn)行了一次技術(shù)改造，受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件所限，僅對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了技術(shù)改造，將發(fā)電機(jī)單機(jī)容量由3200kW擴(kuò)容至4000kW，水輪機(jī)未進(jìn)行技術(shù)改造。根據(jù)多年運(yùn)行情況及水文水能觀測(cè)，電站尚有富余的流量可利用，具備增容擴(kuò)建的條件。為充分利用水力資源，擬將電站1～4#機(jī)組可擴(kuò)容至4× 4200kW。

二、電站基本參數(shù)

水庫和電站主要技術(shù)參數(shù)如下表1。

（一）水輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)狀

1.水輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)狀主要技術(shù)參數(shù)

那岸水電站現(xiàn)有1～4#機(jī)組為混流式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪發(fā)電機(jī)組的參數(shù)如下表2。

表1 電站基本參數(shù)表

表2 水輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)狀主要技術(shù)參數(shù)表

2.機(jī)組現(xiàn)存問題及技術(shù)改造必要性

那岸水電站水輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)過多年的運(yùn)行，設(shè)施設(shè)備已經(jīng)老化，主要存在以下問題：

（1）水輪機(jī)存在的問題

現(xiàn)有1～4#水輪機(jī)經(jīng)過近四十年運(yùn)行，機(jī)組設(shè)備老化、性能下降、嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體、葉片過流表面磨蝕嚴(yán)重，轉(zhuǎn)輪間隙大，耗水量大，水輪機(jī)效率下降；頂蓋、底環(huán)等磨損嚴(yán)重，致使水輪機(jī)漏水量加大；軸承軸瓦間隙大，機(jī)組震動(dòng)大、噪音偏大；導(dǎo)葉軸套磨損，導(dǎo)葉間隙偏大致使漏水量大。水輪機(jī)存在的以上問題雖經(jīng)多次修繕，但仍不能從根本上解決，導(dǎo)致水輪機(jī)整體效率下降，浪費(fèi)水資源。

（2）發(fā)電機(jī)存在的問題

發(fā)電機(jī)絕緣老化，空冷器損壞，定子、轉(zhuǎn)子運(yùn)行溫度高，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

2000年技改前，發(fā)電機(jī)原定子及轉(zhuǎn)子線圈均為鋁芯線圈，線圈內(nèi)阻大，載流能力低，由于運(yùn)行年限較長(zhǎng)，定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈絕緣老化（原采用的是B級(jí)絕緣），絕緣電阻下降，存在較大的安全隱患；2000年將機(jī)組由3200kW擴(kuò)容至4000kW時(shí)，僅將定子線圈更換為為銅芯線圈、增加線圈匝數(shù)及提升絕緣等級(jí)為F級(jí)，定子其他部件未進(jìn)行改造；而轉(zhuǎn)子則未進(jìn)行任何改造，轉(zhuǎn)子線圈仍為鋁芯線圈，線圈匝數(shù)也未增加，這樣出現(xiàn)了勵(lì)磁電流增大而轉(zhuǎn)子線圈載流能力不足的現(xiàn)象，導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)運(yùn)行溫度偏高，個(gè)別測(cè)點(diǎn)的溫度甚至接近100℃；另外，定子鐵芯高度不足，磁通受限，轉(zhuǎn)子的磁軛疊片的風(fēng)槽面積不足，空冷器熱交換能力下降，也是造成定發(fā)電機(jī)運(yùn)行溫度升高的原因。發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期處于較高的溫度環(huán)境下運(yùn)行，加速了設(shè)備老化，導(dǎo)致絕緣降低，甚至可能發(fā)生擊穿的危險(xiǎn)，危害到了發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。

（3）機(jī)組技術(shù)改造必要性

電站現(xiàn)有機(jī)組技術(shù)性能落后，且經(jīng)過多年運(yùn)行，機(jī)組設(shè)備老化嚴(yán)重、各項(xiàng)技術(shù)性能大幅度下降，已嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為充分利用水資源，確保電站安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)電站現(xiàn)有機(jī)組進(jìn)行技術(shù)改造已刻不容緩，勢(shì)在必行。

三、水輪發(fā)電機(jī)組增效擴(kuò)容改造方案

（一）水輪機(jī)的選擇

1.水輪機(jī)額定水頭

水電站壩前正常蓄水位217.0m，正常尾水位180.0m，電站加權(quán)平均水頭為34.3m，本電站水輪機(jī)額定水頭取值為33.8m。

2.水輪機(jī)機(jī)型選擇

機(jī)組水輪機(jī)運(yùn)行水頭范圍為25～35m，根據(jù)水電站運(yùn)行水頭的變幅，適用于本電站水頭范圍的水輪機(jī)機(jī)型有軸流式水輪機(jī)和混流式水輪機(jī)。由于原機(jī)組為混流式機(jī)組，如更新為軸流式機(jī)組相應(yīng)的配套部件更改工作量較大，且軸流式水輪機(jī)空化系數(shù)較大，機(jī)組結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，故在此對(duì)軸流式水輪機(jī)不做深入的比選?；炝魇剿啓C(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、安裝方便、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，同時(shí)具有較高效率、較小的空化系數(shù)，國內(nèi)設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)成熟，在工程實(shí)踐中此水頭段的混流式機(jī)組有豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，推薦采用混流式水輪機(jī)。

3.單機(jī)容量和機(jī)組臺(tái)數(shù)

電站1～4#機(jī)組現(xiàn)有裝機(jī)容量為4×4000kW，經(jīng)水文水能專業(yè)分析計(jì)算，電站水資源尚未被充分利用，仍有增容改造空間，根據(jù)水能計(jì)算成果，1～4#機(jī)組可擴(kuò)容至4×4200kW。為減少擴(kuò)容改造投資及工程量，擴(kuò)容改造方案應(yīng)盡可能利用現(xiàn)有水輪機(jī)坑和發(fā)電機(jī)機(jī)座，因此改造后水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑及額定轉(zhuǎn)速應(yīng)與現(xiàn)機(jī)組一致。1～4#機(jī)組現(xiàn)有水輪機(jī)型號(hào)為HL240-LJ-140，轉(zhuǎn)輪直徑1.4m，額定轉(zhuǎn)速300r/min，機(jī)組發(fā)4000kW額定出力時(shí)，對(duì)應(yīng)的水輪機(jī)單位流量為1.226 m3/s，而HL240轉(zhuǎn)輪限制工況單位流量為1.24 m3/s，擴(kuò)容余地非常有限。為充分利用水資源，在不改變轉(zhuǎn)輪直徑、機(jī)組轉(zhuǎn)速的條件下將機(jī)組單機(jī)額定出力擴(kuò)容至4200kW，需要更換最優(yōu)工況單位轉(zhuǎn)速與原有轉(zhuǎn)輪HL240接近且過流能力更大、效率更高的新型號(hào)高性能轉(zhuǎn)輪。新轉(zhuǎn)輪提高了水輪機(jī)過流能力，水能利用率提高，但同時(shí)機(jī)組改造投資也相應(yīng)增大。因此，應(yīng)對(duì)4×4000kW（方案一）和4×4200kW（方案二）兩個(gè)方案從電站發(fā)電效益、機(jī)組改造投資、機(jī)組性能參數(shù)、單位電能投資等方面進(jìn)行綜合分析比較，論證單機(jī)容量選擇的合理性，計(jì)算分析比較結(jié)果如下表3。

從上表可以看到，兩個(gè)方案相比較，在機(jī)組技術(shù)參數(shù)方面兩個(gè)方案均能滿足機(jī)組安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的要求，方案二在能量效率指標(biāo)、空化性能等方面略優(yōu)。在發(fā)電效益及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面，方案二在水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)改造費(fèi)用及電站技改總投資方面略高，但多年平均年發(fā)電量及機(jī)組總裝機(jī)容量較方案一均有所提高，因此，單位千瓦投資、單位電能投資等指標(biāo)較優(yōu)。

表3 機(jī)組單機(jī)容量分析比較結(jié)果表

經(jīng)綜合比較認(rèn)為，方案二除改造費(fèi)用有所增加外，機(jī)組性能參數(shù)、水能利用率、單位電能投資、電站發(fā)電效益等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均優(yōu)于方案一。因此，推薦方案二：4×4200kW擴(kuò)容改造方案。

4.水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)選擇

電站1～4#機(jī)組裝機(jī)容量4×4200kW，采用混流式水輪機(jī)，適用的轉(zhuǎn)輪有HL820，JF3642，F(xiàn)12。幾種模型轉(zhuǎn)輪的特性參數(shù)及真機(jī)性能參數(shù)如下表4。

表4 水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)及其適用性分析比較表

經(jīng)過對(duì)上表模型轉(zhuǎn)輪技術(shù)參數(shù)的分析比較可知，三個(gè)轉(zhuǎn)輪過流能力及效率方面均可滿足機(jī)組擴(kuò)容改造的要求。HL820和F12最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速分別為82 r/min、83.5 r/min，按轉(zhuǎn)輪直徑1.4m計(jì)，機(jī)組轉(zhuǎn)速為333 r/min，較原機(jī)組轉(zhuǎn)速高一級(jí)，JF3642最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速為71.63 r/min，對(duì)應(yīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速為300 r/min，與原機(jī)組轉(zhuǎn)速相同，無需對(duì)發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)作較大改動(dòng)，節(jié)約改造成本。因此，推薦JF3642轉(zhuǎn)輪方案。

5.水輪機(jī)安裝高程的復(fù)核

電站裝設(shè)四臺(tái)立軸混流式水輪機(jī)，機(jī)組的安裝高程應(yīng)同時(shí)滿足在各種可能出現(xiàn)的運(yùn)行工況下避免空蝕的要求以及尾水管出口最小淹沒深度的要求。電站設(shè)計(jì)尾水位按一臺(tái)水輪機(jī)額定流量對(duì)應(yīng)的尾水位180.00m考慮。本電站水輪發(fā)電機(jī)組安裝高程：

其中:

▽W(xué)——一臺(tái)水輪機(jī)額定流量對(duì)應(yīng)的下游水位，▽W(xué)=180.00 m

Hs——水輪機(jī)吸出高度，Hs≤2.6，空化安全系數(shù)按K=1.5考慮

b0——導(dǎo)葉高度，b0=0.511 m

此次改造利用原水輪機(jī)坑，水輪機(jī)安裝高程與原機(jī)組相同，原安裝高程為181.50m＜182.86m，因此，水輪機(jī)安裝高程滿足要求。

（二）水輪發(fā)電機(jī)組改造

1.水輪機(jī)改造

本次增效擴(kuò)容改造水輪機(jī)主要改造項(xiàng)目為：更換水輪機(jī)不銹鋼轉(zhuǎn)輪、水輪機(jī)頂蓋、底環(huán)、相應(yīng)的配套部件更換。

2.發(fā)電機(jī)改造

本次增效擴(kuò)容改造發(fā)電機(jī)主要改造項(xiàng)目為：更換定子繞組線圈、轉(zhuǎn)子繞組線圈、發(fā)電機(jī)空冷器、推力軸承軸瓦。定子、轉(zhuǎn)子繞組線圈繞組采用“F”級(jí)絕緣，保證發(fā)電機(jī)在額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)0.8（滯后）和發(fā)出額定出力時(shí)最大溫升不得超過國標(biāo)GB1029規(guī)定值。

四、增效擴(kuò)容改造后水輪發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

增效擴(kuò)容改造后水輪發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)如下表5。

表5 增效擴(kuò)容改造后水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)表

[1]水輪機(jī)基本技術(shù)條件 GB/T 15468-2006.

[2]水輪發(fā)電技術(shù)條件 GB/T 7894-2009.

農(nóng)云峰，廣西南寧水利電力設(shè)計(jì)院工程師，研究方向：水電動(dòng)力工程及自動(dòng)化專業(yè)設(shè)計(jì)，廣西南寧，530001

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1007-7723（2014）03-0043-0004