銀盤(pán)水電站水輪發(fā)電機(jī)組增容改造

李樹(shù)軍，陳 立，陳江峰，龍 川（重慶大唐國(guó)際武隆水電開(kāi)發(fā)有限公司，重慶 武隆 408506）

銀盤(pán)水電站水輪發(fā)電機(jī)組增容改造

李樹(shù)軍，陳 立，陳江峰，龍 川
（重慶大唐國(guó)際武隆水電開(kāi)發(fā)有限公司，重慶 武隆 408506）

摘要：針對(duì)銀盤(pán)水電站機(jī)組增容改造的目的及方案，從提高水能利用率、增發(fā)電量方面說(shuō)明了增容改造的必要性，并從水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、主變壓器的性能等方面分析了機(jī)組增容改造的技術(shù)可行性，闡述了機(jī)組增容改造的試驗(yàn)研究工作。根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況，綜合評(píng)價(jià)了機(jī)組增容改造后的安全、穩(wěn)定運(yùn)行情況及取得的良好效益。

關(guān)鍵詞：銀盤(pán)水電站；水輪機(jī)；發(fā)電機(jī)；增容改造

銀盤(pán)水電站位于重慶市武隆縣境內(nèi)，壩址以上控制流域面積74 910 km2，電站正常蓄水位215m，死水位211.5m，裝機(jī)容量600MW，安裝4臺(tái)單機(jī)150MW軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組，2011年相繼投產(chǎn)發(fā)電，電站保證出力161.7MW，多年平均發(fā)電量27.08億kW·h。銀盤(pán)水電站電氣主接線(xiàn)為四角形擴(kuò)大單元接線(xiàn)，出線(xiàn)采用220 kV一級(jí)電壓接入系統(tǒng)，220 kV出線(xiàn)兩回，落點(diǎn)均為張家壩220 kV變電站的220 kV母線(xiàn)，每回線(xiàn)路長(zhǎng)約30 km。

1　概述

銀盤(pán)水電站是上游彭水水電站的反調(diào)節(jié)電站，水庫(kù)根據(jù)反調(diào)節(jié)的要求設(shè)置為日調(diào)節(jié)庫(kù)容，水庫(kù)調(diào)節(jié)性能差。受到銀盤(pán)與彭水的機(jī)組發(fā)電流量的不匹配、電站庫(kù)區(qū)產(chǎn)流顯著、電網(wǎng)部分時(shí)段無(wú)法消納全部負(fù)荷等多方面的影響，電站棄水較多。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，2012年棄水45.72億m3，2013年棄水8.44億m3，大量水資源無(wú)法轉(zhuǎn)化成清潔電能，機(jī)組增容改造研究十分必要。

根據(jù)機(jī)組增容的分析計(jì)算，在不更換機(jī)組及主變壓器等主要設(shè)備的前提下，銀盤(pán)電站機(jī)組可增容7.5%，即單機(jī)增容11.25MW，全廠增容45MW。增容改造后，電站最大出力增大，水量利用率會(huì)有一個(gè)明顯的提高，并可以產(chǎn)生良好的效益。一是增發(fā)電量，多年平均可以增發(fā)電量5 270萬(wàn)kW·h，最大可以增發(fā)電量7 390萬(wàn)kW·h，可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益；二是最大可增加重慶電網(wǎng)調(diào)峰深度4.5萬(wàn)kW，在一定程度上可以有效緩解重慶電網(wǎng)調(diào)峰壓力；三是由于增容水電發(fā)電量的增加，相應(yīng)減少了火電二氧化碳、二氧化硫等氮氧化物的排放。

2　增容改造可行性分析

2.1水輪機(jī)性能分析

在下游尾水位滿(mǎn)足水輪機(jī)吸出高度的要求時(shí)，機(jī)組超發(fā)7.5%是可行的。機(jī)組增容運(yùn)行時(shí)水推力增加在機(jī)組設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，機(jī)組增容發(fā)電運(yùn)行時(shí)槳葉操作機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、機(jī)組主軸的強(qiáng)度仍然可以滿(mǎn)足要求。

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，在協(xié)聯(lián)工況下，水輪機(jī)的最大水推力為1 380 t，發(fā)生在35.12m水頭，槳葉轉(zhuǎn)角為-12°時(shí)。在非協(xié)聯(lián)工況下，最大水推力為1580 t，發(fā)生在35.12m水頭，槳葉轉(zhuǎn)角為-12°飛逸工況。機(jī)組設(shè)計(jì)中采用的水輪機(jī)最大水推力為1 900 t，大于模型試驗(yàn)的最大水推力1 580 t。

槳葉接力器的容量是按照機(jī)組運(yùn)行的最大水頭35.12m、水輪機(jī)出力為167.86MW（水輪機(jī)額定功率的110%）的工況計(jì)算的，接力器的操作功所需操作油壓P=4.6MPa。在水輪機(jī)增容7.5%運(yùn)行時(shí)，接力器操作油壓也不超過(guò)P=4.6MPa，小于槳葉操作機(jī)構(gòu)強(qiáng)度分析計(jì)算的最大油壓Pmax=6.3MPa。

按照機(jī)組的調(diào)保計(jì)算，甩負(fù)荷時(shí)最大轉(zhuǎn)速上升發(fā)生在Hmax=35.12m、甩110%額定負(fù)荷工況，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率43%，蝸殼端部最大水壓54.3m，尾水管壓力2.75m。由此，在增容7.5%后仍滿(mǎn)足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求。

2.2發(fā)電機(jī)性能分析

通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)增容前后主要電磁參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并對(duì)比，定轉(zhuǎn)子溫升可以滿(mǎn)足超發(fā)7.5%的要求，且溫升仍有余量，能保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。空冷器的冷卻容量及勵(lì)磁參數(shù)略超出額定值，但考慮空冷器及勵(lì)磁裝置的設(shè)計(jì)裕量，可以滿(mǎn)足增容7.5%的要求。

機(jī)組增容前后對(duì)比見(jiàn)表1、表2、表3、表4。

表1　機(jī)組增容前后主要參數(shù)對(duì)比表

表2　機(jī)組增容前后勵(lì)磁參數(shù)及電壓變化率

表3　機(jī)組增容前后溫升與冷卻參數(shù)對(duì)比表

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表4　增容前后發(fā)電機(jī)效率對(duì)比表

2.3主變壓器性能分析

若全廠增加45MW的功率，則每臺(tái)發(fā)電機(jī)的功率為P=161.25MW，發(fā)電機(jī)電流為I（發(fā)電機(jī)）=P/1. 732 Ucosφ=7 496 A，主變低壓側(cè)電流I（主變）=2I（發(fā)電機(jī)）=14 992A，主變所帶負(fù)荷為S=1.732U I（主變）=358.3MVA，則主變所帶負(fù)荷與額定容量的比值為S/Sn=105.39%，銀盤(pán)電站機(jī)組采用擴(kuò)大單元接線(xiàn)，機(jī)組增容受主變壓器容量限制，銀盤(pán)電站主變壓器容量為340MVA。由于油浸式變壓器具有超額定容量運(yùn)行能力,四臺(tái)冷卻器全投，長(zhǎng)期運(yùn)行的最大負(fù)荷為373.4MVA,故主變?cè)诶碚撋峡梢詽M(mǎn)足機(jī)組增容運(yùn)行要求，其變壓器緊急過(guò)負(fù)荷能力曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

圖1　主變壓器緊急過(guò)負(fù)荷能力曲線(xiàn)

3　增容改造試驗(yàn)

根據(jù)機(jī)組增容改造的可行性分析，為了實(shí)際驗(yàn)證機(jī)組增容運(yùn)行時(shí)機(jī)組及主變的各項(xiàng)性能指標(biāo)，進(jìn)行了機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)、槳葉接力器操作力試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)溫升試驗(yàn)、主變壓器溫升試驗(yàn)等研究工作。銀盤(pán)水電站4臺(tái)機(jī)組均為同一廠家設(shè)計(jì)制造，型號(hào)相同，各參數(shù)相同。電站兩臺(tái)主變型號(hào)相同，各參數(shù)相同。選取2號(hào)機(jī)組和1號(hào)主變作為試驗(yàn)對(duì)象。2014年4月18日至19日，經(jīng)過(guò)42個(gè)小時(shí)試驗(yàn)，機(jī)組增容實(shí)驗(yàn)圓滿(mǎn)成功。

3.1穩(wěn)定性試驗(yàn)

選取24m、27m、32m三個(gè)水頭進(jìn)行機(jī)組穩(wěn)定性及協(xié)聯(lián)試驗(yàn)，檢驗(yàn)機(jī)組增容的穩(wěn)定性指標(biāo)，分析機(jī)組的水輪機(jī)協(xié)聯(lián)關(guān)系。在試驗(yàn)水頭下，機(jī)組在增容工況下，運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)優(yōu)良，機(jī)組穩(wěn)定性指標(biāo)滿(mǎn)足增容7.5%額定負(fù)荷運(yùn)行要求。綜合考慮機(jī)組效率、穩(wěn)定性指標(biāo)，試驗(yàn)水頭下原始協(xié)聯(lián)關(guān)系即為最優(yōu)協(xié)聯(lián)關(guān)系。

穩(wěn)定性分析見(jiàn)表5、表6、表7。

表5　增容試驗(yàn)水頭下機(jī)組擺度分析表

表6　增容試驗(yàn)水頭下機(jī)組振動(dòng)分析表

表7　增容試驗(yàn)水頭下機(jī)組水壓脈動(dòng)分析表

3.2槳葉接力器操作力試驗(yàn)

檢驗(yàn)槳葉接力器的操作力能否滿(mǎn)足機(jī)組增容運(yùn)行引起的槳葉操作力增大情況，分析機(jī)組接力器操作力狀況，確保機(jī)組在增容運(yùn)行條件下安全穩(wěn)定運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，接力器操作力、操作功能滿(mǎn)足機(jī)組增容7.5%額定負(fù)荷運(yùn)行要求，且槳葉接力器安全裕度足夠（見(jiàn)圖2）。

圖2　槳葉操作力-機(jī)組有功趨勢(shì)圖

3.3甩負(fù)荷試驗(yàn)

檢驗(yàn)機(jī)組甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程指標(biāo)是否滿(mǎn)足調(diào)節(jié)保證要求，確保機(jī)組在增容運(yùn)行條件下安全穩(wěn)定運(yùn)行。在試驗(yàn)水頭下（機(jī)組段水頭28 m），機(jī)組甩50%、75%、100%、107.73%額定負(fù)荷過(guò)程中，最大轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼水壓上升率、尾水管進(jìn)口水壓最小值滿(mǎn)足調(diào)節(jié)保證計(jì)算要求（見(jiàn)圖3、圖4）。

圖3　2號(hào)機(jī)組甩1 0 7.7 3%額定負(fù)荷導(dǎo)葉反饋、機(jī)組頻率試驗(yàn)曲線(xiàn)

圖4　機(jī)組甩107.73%額定負(fù)荷蝸殼水壓、尾水管進(jìn)口水壓試驗(yàn)曲線(xiàn)

3.4發(fā)電機(jī)溫升試驗(yàn)

驗(yàn)證發(fā)電機(jī)在增容后按照新額定銘牌出力時(shí)各部件溫升發(fā)熱情況。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析，銀盤(pán)發(fā)電機(jī)在增容至107.5%額定負(fù)荷（161.25MW）條件下，溫升在相關(guān)規(guī)程要求范圍內(nèi)，可以安全運(yùn)行（見(jiàn)表8、圖5）。

表格8　2號(hào)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)　　單位：℃

圖5　2號(hào)發(fā)電機(jī)定子電流-定子溫升關(guān)系圖

3.5主變壓器溫升試驗(yàn)

驗(yàn)證機(jī)組增容后按照新額定銘牌出力時(shí)變壓器各部件溫升和發(fā)熱情況。銀盤(pán)水電站為“兩機(jī)一變”，兩臺(tái)機(jī)組增容7.5%額定負(fù)荷運(yùn)行，主變壓器總負(fù)荷變壓器總?cè)萘繛?31.8MVA。溫升試驗(yàn)表明兩臺(tái)機(jī)組增容7.5%額定負(fù)荷運(yùn)行工況，溫升在要求范圍內(nèi)，試驗(yàn)前后油色譜檢測(cè)辨明數(shù)據(jù)沒(méi)有變化，變壓器內(nèi)部應(yīng)不存在熱點(diǎn)，主變壓器滿(mǎn)足機(jī)組增容7.5%額定負(fù)荷安全運(yùn)行要求（見(jiàn)表9、表10）。

表9　主變壓器溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表10　主表壓器增容試驗(yàn)前后色譜分析結(jié)果

4　增容改造后的運(yùn)行情況

4.1增容后運(yùn)行狀態(tài)

根據(jù)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，在原有設(shè)備不更換的情況下，通過(guò)調(diào)整AGC等相應(yīng)參數(shù)，銀盤(pán)水電站單機(jī)由150MW增容至161.25MW運(yùn)行。增容改造后，各部位擺度、振動(dòng)、壓力脈動(dòng)參數(shù)優(yōu)良，發(fā)電機(jī)及主變壓器各部位溫升安全穩(wěn)定（見(jiàn)表11、表12）。

表11　2號(hào)發(fā)電機(jī)增容改造后溫升數(shù)據(jù)　單位：℃

表12　機(jī)組增容改造后主變壓器溫升數(shù)據(jù)

4.2增容后運(yùn)行效益

銀盤(pán)電站機(jī)組增容改造后，電站最大出力增加，水量利用率明顯提高。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2014年汛期5～8月份機(jī)組分別增發(fā)電量628萬(wàn)kW·h、1 690萬(wàn)kW·h 、1 103萬(wàn)kW·h、1 276萬(wàn)kW·h，總計(jì)增發(fā)電量4 697萬(wàn)kW·h，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5　結(jié)論

銀盤(pán)水電站機(jī)組增容改造項(xiàng)目已全部完成，經(jīng)過(guò)改造后的運(yùn)行檢驗(yàn)，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性?xún)?yōu)良，水量利用率明顯提高，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，達(dá)到了增容改造的目的。改造的效果說(shuō)明采用“理論分析、試驗(yàn)驗(yàn)證、運(yùn)行檢驗(yàn)”的方法，通過(guò)合理利用設(shè)備設(shè)計(jì)裕量進(jìn)行機(jī)組增容改造是可行的。增容改造的實(shí)踐也鍛煉了銀盤(pán)水電站的技術(shù)管理人員，使其技術(shù)水平及管理水平得到了提高，為企業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TV734.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）02-0016-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.005

收稿日期：2014-09-15

作者簡(jiǎn)介：李樹(shù)軍（1968-），男，高級(jí)工程師，從事水電站管理工作。