黃龍灘電廠1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造可行性分析

楊萬(wàn)群，楊德軍

(黃龍灘水力發(fā)電廠，湖北 十堰 442000)

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黃龍灘電廠1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造可行性分析

楊萬(wàn)群，楊德軍

(黃龍灘水力發(fā)電廠，湖北 十堰 442000)

黃龍灘電廠1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪經(jīng)多年運(yùn)行，氣蝕及裂紋日益嚴(yán)重，葉片變形，振動(dòng)擺度超標(biāo)，運(yùn)行振動(dòng)區(qū)范圍明顯增加，已嚴(yán)重影響了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。在對(duì)其改造效能與成本進(jìn)行分析后，結(jié)合改造的有利條件，將對(duì)其進(jìn)行改造。圖8幅，表4個(gè)。

水輪機(jī)；轉(zhuǎn)輪改造；分析

1 概 述

黃龍灘水力發(fā)電廠為湖北省電力系統(tǒng)的大型骨干企業(yè)，在系統(tǒng)中的主要作用為調(diào)峰、調(diào)頻及承擔(dān)系統(tǒng)事故備用容量，是一項(xiàng)以發(fā)電為主，結(jié)合防汛、灌溉等綜合利用的水利工程。1號(hào)機(jī)組投產(chǎn)近42年來(lái)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但同時(shí)由于設(shè)備利用率高，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，目前機(jī)組主要部件明顯老化：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪氣蝕損壞嚴(yán)重、葉片變形等現(xiàn)象日趨加劇。加上受當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)制造水平和技術(shù)條件的限制，機(jī)組的水力性能和發(fā)電潛力也沒有得到充分發(fā)揮，尤其是水輪機(jī)水能利用效率低下、轉(zhuǎn)輪氣蝕及裂紋日益嚴(yán)重、葉片變形、振動(dòng)擺度超標(biāo)、運(yùn)行振動(dòng)區(qū)范圍明顯增加，這些已嚴(yán)重影響了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。

2 基本參數(shù)及運(yùn)行現(xiàn)狀

黃龍灘電廠的水能參數(shù)如下所示(見表1)，其水輪機(jī)型號(hào)為HL009—LJ—410，設(shè)計(jì)水頭73 m，最大水頭84.3 m，最小水頭58 m，設(shè)計(jì)流量123 m3/s，額定出力79.9 MW，轉(zhuǎn)輪直徑4.1 m，轉(zhuǎn)速150 r/min，比轉(zhuǎn)速214 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速290 r/min。水輪機(jī)葉片14個(gè)，導(dǎo)葉高度820 mm，俯視順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)方向，吸出高度0 m，效率≥91.5%，耗水率5.16 m3/kW·h，轉(zhuǎn)輪重量40 000 kg。

發(fā)電機(jī)型號(hào)為TS—854/156—40，額定容量100.0 MVA，額定電壓13.8 kV，額定電流4.183 7 kA，額定功率85.0 MW，額定轉(zhuǎn)速150 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速290 r/min，額定功率因數(shù)0.85，效率95%，制造時(shí)間1971年，投運(yùn)時(shí)間1974年5月，增容后投運(yùn)時(shí)間1994年1月。

表1 黃龍灘水力發(fā)電廠水能參數(shù)

3 項(xiàng)目的必要性

3.1 安全性分析

黃龍灘電廠現(xiàn)運(yùn)行的1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組是哈爾濱電機(jī)廠20世紀(jì)70年代初期產(chǎn)品，已運(yùn)行多年，平均每臺(tái)機(jī)已大修10多次(見表2)。

表2 1983年以來(lái)1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組大修統(tǒng)計(jì)

注：水輪機(jī)的檢修內(nèi)容基本上都是轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水葉的氣蝕補(bǔ)焊修復(fù)

從表2可以看出，1983年以來(lái)，1號(hào)機(jī)大修13次，可明顯發(fā)現(xiàn)檢修周期越來(lái)越短。雖然每次大修都有不同的針對(duì)性，但是每次都必須對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪氣蝕破壞進(jìn)行處理。由于轉(zhuǎn)輪葉片經(jīng)過多次補(bǔ)焊，水輪機(jī)葉片型線明顯偏離了設(shè)計(jì)狀況，水輪機(jī)氣蝕及尾水管氣蝕嚴(yán)重，頂蓋、尾水管振動(dòng)超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，檢修工作量大大增加，已嚴(yán)重影響了水輪機(jī)的可靠性和效率。水輪機(jī)金屬結(jié)構(gòu)老化、效率指標(biāo)低下，氣蝕裂紋嚴(yán)重、運(yùn)行振動(dòng)加劇等已經(jīng)成為嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的隱患。

3.2 水輪機(jī)能量狀況惡化、效率降低

1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)制造于70年代，水力設(shè)計(jì)是前蘇聯(lián)的技術(shù)，原水輪機(jī)設(shè)計(jì)效率92%，經(jīng)過多年運(yùn)行，1號(hào)機(jī)的氣蝕磨損都十分嚴(yán)重。經(jīng)過10多次大修，葉片形狀已無(wú)法恢復(fù)到原廠家的設(shè)計(jì)形狀，加之設(shè)備的磨損、老化，機(jī)組效率大幅度下降。1984年省公司電科院對(duì)1號(hào)機(jī)組進(jìn)行了效率測(cè)試，在74 m水頭(額定水頭73 m)，機(jī)組最高效率87 %，與廠家提供的設(shè)計(jì)值89.5 %的機(jī)組效率比較約降低了2.5個(gè)百分點(diǎn)。2009年省公司電科院再次對(duì)電廠1號(hào)機(jī)組進(jìn)行了相對(duì)效率試驗(yàn)，測(cè)得機(jī)組的最高效率為83.34%，與廠家提供的設(shè)計(jì)值比較約降低了6.16個(gè)百分點(diǎn)，與1984年測(cè)量值比較效率也降低了3.6個(gè)百分點(diǎn)。按從2005年1月份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，截止到2010年12月31日，1號(hào)機(jī)組年平均發(fā)電量49 085萬(wàn)kW·h來(lái)計(jì)算, 1號(hào)機(jī)每年因效率下降而損失電量3 023萬(wàn)kW·h左右(見圖1)。

圖1 機(jī)組效率曲線比較

3.3 轉(zhuǎn)輪葉片氣蝕嚴(yán)重

經(jīng)過多年的運(yùn)行，水輪機(jī)的氣蝕磨損都十分嚴(yán)重，轉(zhuǎn)輪焊縫出現(xiàn)裂紋，減壓板焊縫開裂，尾水管錐管鋼襯焊縫開裂。轉(zhuǎn)輪葉片表面幾乎全部被不銹鋼焊條補(bǔ)焊過，但是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的氣蝕情況并沒有明顯改善。在2006年12月26日～2007年1月30日1號(hào)機(jī)組大修期間，對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了仔細(xì)的檢查和記錄。1號(hào)機(jī)組大修工期36 d，其中刨除氣蝕損壞部位耗60臺(tái)班，氣蝕部位補(bǔ)焊4個(gè)焊槍共計(jì)耗200臺(tái)班。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪氣蝕主要部位是在轉(zhuǎn)輪上冠減壓孔附近、葉片出水邊背面、葉片進(jìn)水邊正面和背面、轉(zhuǎn)輪下環(huán)以及尾水管等部位。損壞最嚴(yán)重的有1 號(hào)轉(zhuǎn)輪的2、3、4、7號(hào)葉片，最大的部位900 mm×120 mm，多個(gè)葉片出現(xiàn)大面積的氣蝕蜂窩狀，在補(bǔ)焊的不銹鋼和葉片基材背后已被氣蝕掏空。氣蝕處理周期由運(yùn)行當(dāng)初的每四五年1次到現(xiàn)在的每?jī)扇瓯仨氝M(jìn)行1次，1臺(tái)轉(zhuǎn)輪的氣蝕處理需使用的不銹鋼焊條也由10多kg到2007年檢修時(shí)的400多kg。2006年水輪機(jī)氣蝕處理面積達(dá)到7 m2，最大氣蝕破壞深度超過20 mm，個(gè)別部位蝕穿(該部位設(shè)計(jì)厚度11 mm)。2010年年底對(duì)1號(hào)機(jī)組進(jìn)行了大修，檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪氣蝕更加嚴(yán)重，每臺(tái)轉(zhuǎn)輪使用的不銹鋼焊條都超過了400 kg，氣蝕穿孔部位增多，出現(xiàn)大面積的氣蝕掏空情況。轉(zhuǎn)輪的葉片經(jīng)過多次氣蝕處理，葉片型線明顯偏離了設(shè)計(jì)狀況，也導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的降低(見圖2～圖5)。

圖2 1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪泄水錐

圖3 1號(hào)水輪機(jī)葉片上冠部位仰視圖

圖4 1號(hào)水輪機(jī)葉片背面的深洞

圖5 水輪機(jī)葉片氣蝕

2010年大修1號(hào)轉(zhuǎn)輪氣蝕處理如下所示(見圖6～圖8)

圖6 水輪機(jī)葉片氣蝕掏空

圖7 水輪機(jī)葉片大面積氣蝕

圖8 水輪機(jī)葉片氣蝕深度

3.4 機(jī)組振動(dòng)加劇，振動(dòng)區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大

由于水輪機(jī)受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、制造水平限制，以及多次的空蝕補(bǔ)焊打磨改變了轉(zhuǎn)輪葉片原有的型線結(jié)構(gòu)，使得機(jī)組的頂蓋和水導(dǎo)軸承處振動(dòng)幅值逐年加大，水輪機(jī)抗振動(dòng)性能變差。

近年來(lái)，隨著電網(wǎng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的要求越來(lái)越高，AGC和一次調(diào)頻的投入，機(jī)組在小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間越來(lái)越多。水輪機(jī)經(jīng)常在20%～50%負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)加劇， 從1號(hào)機(jī)組振擺試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表3)與國(guó)家技術(shù)規(guī)范(見表4)比較分析可以看出：在機(jī)組負(fù)荷10～50 MW區(qū)間，水輪機(jī)頂蓋垂直振動(dòng)最大為0.15 mm, 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為0.09 mm,超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)0.06 mm,超標(biāo)67%；上機(jī)架水平振動(dòng)最大為0.13 mm, 超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)0.04 mm, 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為0.09 mm,超標(biāo)45%；機(jī)組的各處擺度也超出技術(shù)規(guī)范要求。

因振動(dòng)加劇剪斷銷剪斷的次數(shù)增多，危及到機(jī)組安全運(yùn)行，嚴(yán)重影響水輪機(jī)的可靠性。對(duì)水輪機(jī)及轉(zhuǎn)輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提高水輪機(jī)組的運(yùn)行可靠性，更好地響應(yīng)系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的要求，確保系統(tǒng)安全，安全效益和社會(huì)效益也十分明顯。

表3 1號(hào)機(jī)組各軸承及機(jī)架部位的振動(dòng)擺度值

表4 水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 8564—2003)

3.5 效能與成本分析

3.5.1 機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益分析

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造可消除轉(zhuǎn)輪及設(shè)備存在的重大隱患，提高機(jī)組運(yùn)行可靠性和運(yùn)行穩(wěn)定性。另外，轉(zhuǎn)輪改造還可帶來(lái)如下經(jīng)濟(jì)效益：由于水輪機(jī)運(yùn)行效率的提高，可以增發(fā)電量；由于水輪機(jī)出力與發(fā)電機(jī)容量相匹配，提高了水輪機(jī)出力，可以提高電廠的調(diào)峰調(diào)頻能力，在目前系統(tǒng)峰谷電量差越來(lái)越大的今天顯得尤為有效；延長(zhǎng)機(jī)組檢修周期，降低機(jī)組檢修成本。

3.5.2 提高效率增加年發(fā)電量

經(jīng)省公司電科院多次效率試驗(yàn)，目前測(cè)得1號(hào)機(jī)組的最高效率為83.34%，機(jī)組能量指標(biāo)很低。征詢制造廠家論證比較，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪技術(shù)改造后，水輪機(jī)效率不低于92%，按機(jī)組效率為90%保守估計(jì)整個(gè)機(jī)組效率可以提高6.36個(gè)百分點(diǎn)。1號(hào)機(jī)組年度電量從2005年1月份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，截止到2010年12月31日，機(jī)組年度平均利用小時(shí)數(shù)3 272 h，累計(jì)發(fā)電量為294 510萬(wàn) kW·h，年平均發(fā)電量49 085萬(wàn) kW·h。

年增發(fā)電量為：49 085萬(wàn)kW·h ×6.36% = 3 121.8萬(wàn) kW·h。

1號(hào)水輪機(jī)通過技術(shù)改造后在現(xiàn)有的運(yùn)行工況下，每年機(jī)組可以多發(fā)3 121.8萬(wàn) kW·h 的電量，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

3.5.3 水輪機(jī)出力與發(fā)電機(jī)容量匹配增加年發(fā)電量

通過技術(shù)改造后，水輪機(jī)出力與發(fā)電機(jī)容量相匹配，可以充分發(fā)揮發(fā)電機(jī)的潛在效能，可以增發(fā)更多的電量。

3.5.4 機(jī)組檢修成本降低分析

從1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組歷年的檢修情況我們可以看到，依據(jù)機(jī)組現(xiàn)在的運(yùn)行工況，每?jī)扇昃M(jìn)行1次機(jī)組大修，大修主要項(xiàng)目之一就是轉(zhuǎn)輪的氣蝕補(bǔ)焊修復(fù)。通過對(duì)近幾次轉(zhuǎn)輪的氣蝕補(bǔ)焊修復(fù)消耗的材料和人工成本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每次平均檢修成本約在60萬(wàn)元左右。

通過對(duì)1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的技術(shù)改造，采用不銹鋼轉(zhuǎn)輪將有效的防止現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)的氣蝕情況，可提高轉(zhuǎn)輪的抗空蝕、抗裂紋性能，設(shè)備健康水平大幅提高，機(jī)組的大修周期可從現(xiàn)在兩三年1次延長(zhǎng)到6～8 a進(jìn)行1次；不但能降低機(jī)組年停運(yùn)時(shí)間，提高了機(jī)組備用可調(diào)時(shí)間，而且機(jī)組的檢修成本也將大幅降低。

4 轉(zhuǎn)輪改造的有利條件

4.1 轉(zhuǎn)輪改造的技術(shù)和市場(chǎng)都已成熟

我國(guó)水電建設(shè)的快速發(fā)展對(duì)水力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和科研提出了更高的要求，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代水輪機(jī)設(shè)計(jì)制造的技術(shù)也在突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在水輪機(jī)研究和設(shè)計(jì)方面，計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)用變得越來(lái)越重要，特別是隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高，水輪機(jī)紊流的數(shù)值模擬越來(lái)越精確，已在水輪機(jī)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化中得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為水輪機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)的常規(guī)工具，一方面它的應(yīng)用可以節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用，另一方面它能夠給出詳細(xì)的流動(dòng)特性，這些在水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)中都具有舉足輕重的影響。

我國(guó)老舊機(jī)組的改造工作開展于80年代末期，至今已走過30 a的歷程，許多六七十年代建設(shè)的水電站也逐漸介入了水電站設(shè)備自然壽命的周期，也順其自然的進(jìn)入到了機(jī)組更新改造的高峰期。我國(guó)的水電站設(shè)備改造從開始單純的追求機(jī)組的增容改造，到現(xiàn)在更多考慮到機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，積累了許多的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。我國(guó)許多大型水電設(shè)備制造公司對(duì)這部分的市場(chǎng)都十分重視，相繼也成立了自己?jiǎn)为?dú)的設(shè)備改造部門，也都有成熟的改造經(jīng)驗(yàn)和良好的業(yè)績(jī)。隨著三峽等大型水電站的相繼開工建設(shè)，更多的新型轉(zhuǎn)輪也在開發(fā)研究，給黃龍灘水電廠的技術(shù)改造也帶來(lái)了機(jī)遇。

4.2 國(guó)內(nèi)同類型水電廠水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造的情況

黃龍灘水力發(fā)電廠現(xiàn)在運(yùn)行的HL009—LJ—410型號(hào)水輪機(jī)是根據(jù)原蘇聯(lián)50年代的HL662—LJ—410改型設(shè)計(jì)而來(lái)的。HL009—LJ—410是我國(guó)60年代的設(shè)計(jì)，與HL662—LJ—410的差別僅在于機(jī)組出力從72.5 MW提高到了75 MW。我國(guó)七八十年代以前用此類水輪機(jī)機(jī)型的水電站大約有20余座，許多水電廠因?yàn)樵O(shè)計(jì)較早，運(yùn)行多年后，實(shí)際的水文和當(dāng)初的設(shè)計(jì)已有了很大的變化；現(xiàn)有的水輪機(jī)也因?yàn)楫?dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)以及轉(zhuǎn)輪制造材料的落后無(wú)法適應(yīng)變化了的自然條件，所以大多數(shù)水電站的機(jī)組都已進(jìn)行了水輪機(jī)的換型和技術(shù)改造。具體情況如下：

新安江水電站位于浙江省建德市錢塘江上游新安江上，總裝機(jī)容量為662.5 MW，安裝有9臺(tái)機(jī)組，水輪機(jī)型號(hào)：HL662—LJ—410 和HL009—LJ—410，設(shè)計(jì)水頭73.0 m，最大水頭84.3 m,最小水頭57.8 m。工程于1957年4月開工，1960年4月第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電,1977年10月全部投產(chǎn)，現(xiàn)已全部完成改造。

新豐江水電站位于廣東省河源市東江支流的新豐江下游，總裝機(jī)容量302.5 MW。安裝有4臺(tái)水輪機(jī)，3臺(tái)HL662—LJ—410，單機(jī)容量為72.5 MW，額定轉(zhuǎn)速150r/min；1臺(tái)HL740—LJ—410，容量為85 MW，額定轉(zhuǎn)速136.4 r/min。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑均為4.1 m，設(shè)計(jì)水頭73.0 m，最大水頭82.5 m,最小水頭56.7 m。工程于1958年7月開工，1960年8月第1臺(tái)機(jī)組發(fā)電，1976年第4臺(tái)機(jī)組發(fā)電。1996年開始對(duì)3號(hào)機(jī)進(jìn)行改造，1998年開始對(duì)1號(hào)機(jī)進(jìn)行改造，2008年開始對(duì)2號(hào)機(jī)進(jìn)行改造。

5 結(jié) 論

通過以上分析可以得知，黃龍灘水電廠1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行了42 a，現(xiàn)水輪機(jī)效率明顯下降、轉(zhuǎn)輪氣蝕裂紋嚴(yán)重、葉片變形、運(yùn)行振動(dòng)加劇等問題，已嚴(yán)重影響了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。

1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的改造，保留原有其他主設(shè)備不變，僅換轉(zhuǎn)輪一項(xiàng)，工程比較單一，目的十分明確。轉(zhuǎn)輪用不銹鋼材料制造并采取防氣蝕措施，可以保證6～8 a以上的大修周期。經(jīng)過對(duì)制造廠家提供的資料和黃龍灘水電廠多年運(yùn)行資料的分析研究，水輪機(jī)改造后，機(jī)組效率平均將提高6.0%以上，年發(fā)電量可增加3 121萬(wàn)kW·h以上。 因此1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造，技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理，效益明顯，很有必要性。

責(zé)任編輯 吳 昊

2016-09-22

楊萬(wàn)群(1974-)，男，工程師，主要從事水電廠機(jī)組檢修工作。E_mail：249549072@qq.com