高壩洲電廠機(jī)組型式改造探討

摘 要：針對高壩洲電廠機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，對高壩洲電廠機(jī)組由軸流轉(zhuǎn)槳型式改造為軸流定槳型式的必要性進(jìn)行了分析，重點(diǎn)論述了機(jī)組型式改造的利弊，可供機(jī)組型式改造參考。

關(guān)鍵詞：高壩洲電廠；機(jī)組型式；軸流轉(zhuǎn)槳；軸流定槳；改造

1 概述

高壩洲電廠位于湖北省宜都市高壩洲鎮(zhèn)，電廠共安裝3臺軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量90MW，機(jī)組設(shè)備由東方電機(jī)股份有限公司制造。

高壩洲電廠機(jī)組的運(yùn)行水頭范圍為22.3-40m，較好的使用機(jī)型主要是軸流式水輪機(jī)。原水輪機(jī)設(shè)計(jì)對ZZD32B、ZZA315、HLA551、HLPO45四種型號的水輪機(jī)進(jìn)行了裝機(jī)3臺、4臺共8種組合方案的真機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終得出ZZD32B型號3臺機(jī)的方案為最優(yōu)，即滿足高壩洲電廠要求的性能參數(shù)水平，機(jī)組和電站廠房造價(jià)低，水輪機(jī)效率較高。1996年清江公司采用招標(biāo)方式，最終采用了東電引進(jìn)的ZZD231-LH-580型水輪機(jī)，該機(jī)型是對ZZD32B轉(zhuǎn)輪型號優(yōu)化選擇后得出的，機(jī)型的選擇上沒有問題。

但上述設(shè)計(jì)僅考慮了軸流轉(zhuǎn)槳與混流式水輪機(jī)進(jìn)行比較，并未對軸流轉(zhuǎn)槳式與定槳式水輪機(jī)機(jī)型進(jìn)行比較。高壩洲電廠機(jī)組經(jīng)10余年運(yùn)行，槳葉操作機(jī)構(gòu)運(yùn)行出現(xiàn)諸多問題，如曾發(fā)生過槳葉密封損壞，機(jī)組操作透平油泄漏，調(diào)速器油源進(jìn)水事故，以及受油器浮動環(huán)密封破損造成機(jī)組操作油大量滲漏而緊急停機(jī)的事故，機(jī)組檢修維護(hù)工作量逐年增加，故對機(jī)組由轉(zhuǎn)槳式機(jī)型改造為定槳式機(jī)型進(jìn)行探討。

2 機(jī)組型式改造的必要性及有利因素

2.1 改造技術(shù)上可行

從需改造的設(shè)備方面，需對機(jī)組槳葉部分、調(diào)速器機(jī)械液壓部分及調(diào)速器運(yùn)行程序進(jìn)行相應(yīng)改造。機(jī)組槳葉操作機(jī)構(gòu)可采取固定處理或拆除處理，固定轉(zhuǎn)輪葉片安放角度，對調(diào)速器主配壓閥槳葉操作油管進(jìn)行拆除，對槳葉操作油路進(jìn)行封堵，調(diào)速器運(yùn)行程序改為單調(diào)機(jī)組運(yùn)行。此項(xiàng)改造在技術(shù)上是可以得到保證的，并有成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

2.2 運(yùn)行及維護(hù)檢修方便

定槳式水輪機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試簡捷，可大大節(jié)省調(diào)試時(shí)間。也由于其結(jié)構(gòu)簡單，比轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)少一套操作機(jī)構(gòu)，減少了檢修維護(hù)工作量，運(yùn)行費(fèi)用較省。

2.3 減少機(jī)組運(yùn)行事故威脅、減輕環(huán)境污染

軸流轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪常因轉(zhuǎn)槳密封機(jī)構(gòu)的磨損或其它故障而漏油，造成水源污染，高壩洲電廠曾發(fā)生過槳葉密封損壞，機(jī)組操作透平油泄漏，調(diào)速器油源進(jìn)水事件，以及受油器浮動環(huán)密封破損造成機(jī)組操作油大量滲漏而緊急停機(jī)的事故，而改為定槳式水輪機(jī)則可避免上述情況發(fā)生。

2.4 減少機(jī)組用油量，降低調(diào)速器油壓裝置油泵工作負(fù)荷

機(jī)組槳葉操作機(jī)構(gòu)的拆除直接減少了機(jī)組透平油用量，而操作油源使用量的大幅減少也降低了調(diào)速器油壓裝置油泵工作負(fù)荷，油泵頻繁啟動次數(shù)減少，設(shè)備損壞可能性減小，廠用電電量降低。

3 機(jī)組型式改造需考慮的不利因素

3.1 水輪機(jī)效率降低

軸流轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)槳葉由裝在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的操作接力器控制，可按水頭和負(fù)荷變化作相應(yīng)調(diào)整，可根據(jù)不同水頭、流量按照最優(yōu)協(xié)聯(lián)曲線運(yùn)行，具有調(diào)節(jié)性能好、運(yùn)行范圍寬廣以及適應(yīng)性強(qiáng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)。而定槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪槳葉不能轉(zhuǎn)動，其葉片開口固定，葉片進(jìn)出口安放角固定，不像轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪可適應(yīng)大范圍的流量及水流角度變化。表現(xiàn)在水力性能上，其高效運(yùn)行區(qū)要窄得多，適用范圍較小，這就給定槳式轉(zhuǎn)輪的選擇及運(yùn)行以很大的局限。無疑將高壩洲電廠轉(zhuǎn)槳式機(jī)組改為定槳，水輪機(jī)效率將會有所降低。而進(jìn)行槳葉的固定還需進(jìn)行專項(xiàng)試驗(yàn)和研究，以尋求槳葉最優(yōu)固定角度，盡可能加大水輪機(jī)運(yùn)行效率。

3.2 機(jī)組運(yùn)行安全性受到影響

根據(jù)相關(guān)資料，軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組改作定槳運(yùn)行主要基于以下2種情況：

（1）洪水期間，水庫大量棄水，恰好此時(shí)轉(zhuǎn)輪葉片操作機(jī)構(gòu)損壞，若停機(jī)檢修，造成電能損失，因而在轉(zhuǎn)輪葉片法蘭處作臨時(shí)焊接固定，將轉(zhuǎn)輪葉片固定在某一角度作定槳運(yùn)行。

（2）機(jī)組某些部件制造質(zhì)量欠佳，機(jī)組不能在導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片協(xié)聯(lián)情況下運(yùn)行，即協(xié)聯(lián)失效，被迫改為定槳運(yùn)行。如廣西大化電站，曾以手動調(diào)槳方式運(yùn)行。調(diào)速器的導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片的協(xié)聯(lián)不穩(wěn)定，可能造成失控現(xiàn)象，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片可能突然自動關(guān)閉，發(fā)電機(jī)推力軸承瓦溫過高，為了避免推力瓦溫過高，只能放棄水輪機(jī)在高效率的協(xié)聯(lián)關(guān)系下運(yùn)行，手動調(diào)節(jié)將轉(zhuǎn)輪葉片開度適當(dāng)增大，以降低轉(zhuǎn)輪水推力，使發(fā)電機(jī)推力瓦溫降低到允許范圍內(nèi)運(yùn)行。

高壩洲電站出現(xiàn)棄水情況較少，而目前機(jī)組運(yùn)行還較為穩(wěn)定，導(dǎo)葉與槳葉協(xié)聯(lián)也較理想，機(jī)組效率較高，故不滿足上述條件。而考慮到機(jī)組運(yùn)行的安全性就必須認(rèn)識到軸流轉(zhuǎn)槳與軸流定槳運(yùn)行時(shí)水輪機(jī)產(chǎn)生飛逸轉(zhuǎn)速的差異不同。

水輪機(jī)在運(yùn)行中因機(jī)組故障突然甩負(fù)荷，調(diào)速器失靈造成導(dǎo)葉不能關(guān)閉，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)在導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片保持協(xié)聯(lián)情況下產(chǎn)生飛逸轉(zhuǎn)速，因?qū)~開度增大的同時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片開度也增大，飛逸轉(zhuǎn)速比較低。而水輪機(jī)作軸流定槳運(yùn)行時(shí)，在比較小的葉片角，如葉片角在O0和-50時(shí)，水輪機(jī)產(chǎn)生飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)的撞擊損失和渦流損失要在比較高的轉(zhuǎn)速才到最大值，水流功率與機(jī)組能量損失才相平衡，故飛逸轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)比導(dǎo)水葉與輪葉協(xié)聯(lián)情況的飛逸轉(zhuǎn)速要大。高壩洲電廠機(jī)組如要考慮將轉(zhuǎn)槳改為定槳運(yùn)行需要制造廠家對機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速進(jìn)行重新計(jì)算校核，以保證機(jī)組即使產(chǎn)生飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)不會對機(jī)組造成大的損害。而水輪發(fā)電機(jī)組的零部件的制造是按飛逸轉(zhuǎn)速進(jìn)行校核的，一般保證機(jī)組在設(shè)計(jì)飛逸轉(zhuǎn)速下運(yùn)行不超過2分鐘。按軸流轉(zhuǎn)槳式飛逸轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，改為軸流定槳運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的飛逸轉(zhuǎn)速更大，超過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，即使產(chǎn)生飛逸轉(zhuǎn)速機(jī)率很小，但是一旦發(fā)生，可能使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子甩出，使發(fā)電機(jī)定子線圈全部燒損。

3.3 需要對槳葉及操作機(jī)構(gòu)、調(diào)速器相關(guān)設(shè)備進(jìn)行改造

如進(jìn)行改造，需要考慮定槳轉(zhuǎn)輪葉片能夠適應(yīng)的水頭變化范圍，是否對轉(zhuǎn)輪的重新選型更換，或者采用不更換轉(zhuǎn)輪體，根據(jù)計(jì)算和通過機(jī)組試驗(yàn)確定轉(zhuǎn)輪葉片運(yùn)行的最優(yōu)運(yùn)行角度（效率高、穩(wěn)定工況、不振動、無氣蝕等），固定原操作接力器活塞，將轉(zhuǎn)輪5個(gè)葉片焊接牢固，槳葉固定在最優(yōu)工況點(diǎn)運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪改造完成后，對機(jī)組受油器進(jìn)行相應(yīng)改造處理，另還需對調(diào)速器槳葉操作機(jī)構(gòu)及調(diào)速器液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造處理，更改調(diào)速器運(yùn)行程序等。以上部分改造的實(shí)施有一定的難度，且需要一定的經(jīng)費(fèi)支持。

3.4 需要對電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行方式進(jìn)行重新論證

水輪機(jī)需避開機(jī)組振動區(qū)運(yùn)行，轉(zhuǎn)槳改為定槳后，機(jī)組出力范圍需重新進(jìn)行試驗(yàn)確定。原設(shè)計(jì)資料顯示，高壩洲電站為上游隔河巖電站的反調(diào)節(jié)水庫，為保證下游河道通航，電站最少應(yīng)下泄120m3/s流量，相當(dāng)于發(fā)4萬千瓦基荷，電站又需滿足電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰要求，如進(jìn)行改造，需對上述問題進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語

以上是對高壩洲電廠機(jī)組型式由轉(zhuǎn)槳機(jī)組改造為定槳機(jī)組的必要性分析，對改造需要考慮的各個(gè)方面進(jìn)行了論述，對改造的有利和不利因素進(jìn)行了探討?？紤]到機(jī)組運(yùn)行效率、運(yùn)行安全、以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的要求，建議不作機(jī)組型式改造，如確需改造，需進(jìn)一步權(quán)衡利弊，以得出最佳結(jié)論。

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