陡山水庫水電站增效擴容水輪機改造技術要點分析

唐培磊

(山東省臨沂市水利勘測設計院，山東 臨沂 276000)

水電站技術

陡山水庫水電站增效擴容水輪機改造技術要點分析

唐培磊

(山東省臨沂市水利勘測設計院，山東 臨沂 276000)

陡山水庫水電站已運行近30多年，金屬結構出現(xiàn)老化，機組出力明顯下降，機組設備故障頻出，影響了水電站的正常運行。本文通過介紹增效擴容改造過程，對其水輪機組改造更新技術要點進行了探討，供參考。

水電站；增效擴容；分析

我國非化石能源的比重占總消耗能源的比重較小，僅為8.3%，為了實現(xiàn)2020年單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～45%、非化石能源占一次能源消費15%左右的總體目標，發(fā)展可再生能源是重中之重。農(nóng)村水電增容擴效，可使水能資源利用效率平均提高40%，農(nóng)村水電增效擴容的優(yōu)勢在于移民、環(huán)境支出成本遠低于同類可再生能源。農(nóng)村水電在應急救災中發(fā)揮著重要作用，2008年南方災害，農(nóng)村水電保障了200多個縣城、2000多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)春節(jié)期間的供電，2010玉樹地震，拉貢水電站作為災后玉樹電網(wǎng)的唯一電源在玉樹抗震救災中發(fā)揮了不可替代的作用。

1 工程概況

陡山水庫水電站是一座有壓引水式水電站，位于山東省莒南縣境內(nèi)。陡山水庫水電站始建于1977年，設計水位122.90m，下游正常尾水位103.40m，為灌溉引水式水電站，工程為V等工程，電站為小(2)型電站。電站共4臺機組，水輪機組型號為ZD661-LH-120，30年來累積發(fā)電1.12億kW·h，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。經(jīng)過近30年運行，機組出力明顯下降，機組設備故障頻出，需要更換老化的電氣機械設備。與此同時，經(jīng)過1987年水庫除險加固后，與電站原設計水位120.00m相比，有4.5m左右水頭未被充分利用，存在較大的增效擴容空間。此次改建，單機容量擬由800kW擴容到1000kW，總裝機容量由3200kW擴容到4000kW。電站改建主要項目為改造發(fā)電機組、水輪機組，更新調(diào)速系統(tǒng)、電氣設備、變電設備，維修吊車、蝶閥，維修加固電站主副廠房，改建變電站等[3]。

2 靜水頭確定與水輪機選型

2.1 靜水頭確定

水電站原設計水頭15.5m，根據(jù)近30年水庫水位運行記錄計算，水電站實際利用平均水頭為19.5m，靜水頭為19.0m。

2.2 水輪機選型

2.2.1 水輪機單位轉速計算

水輪機選型設計的高效中心區(qū)域，原設計選型ZD661-LH-120，4臺水輪機安放角(φ)分別為+5°、+10°、+10°、+15°水輪出力為700～900kW，設計點效率為79%(機組無座環(huán)效率修正-2.0%)。下頁圖為JP502模型轉輪的綜合特性曲線，對原設計工況點校核分析該機型效率較低(80%～82%)，原設計水頭19.0m。

水輪機單位轉速計算值為

式中H——靜水頭值；n11——水輪機單位轉速；N——水輪機實際轉速：D——水輪機轉輪直徑。

經(jīng)計算，n11=116r/min。

擬定選用高效轉輪JP502，在發(fā)電機不改變極數(shù)、轉速不變的條件下，JP502單位轉速為116r/min，滿足19.0m水頭模型機在高效區(qū)內(nèi)單位轉速選擇。

2.2.2 水輪機單位流量選擇

其中，F(xiàn)y為發(fā)電機效率；Sy為水輪機效率；H為凈水頭；Q為設計流量。

陡山水庫水電站設計出力、設計總流量主要指標如下：

設計出力：1053×2+1170×2=4446kW；

設計總流量：6.5×2+7.3×2=27.6m3/s。

表明，1號、2號機組適應較高水頭應用，3號、4號機組適應較低水頭應用(下頁表為ZD661、JP502轉輪的基本參數(shù))。

從轉輪的綜合特性曲線(見下頁圖)分析，JP502，ψ最優(yōu)效率為92.5%，比ZD661，ψ=+0°最優(yōu)效率82%高10.50%。在全部運行范圍內(nèi)，原型水輪機最高效率保證值不低于89%，模型水輪機最高效率保證值不低于92%(機組無座環(huán)效率修正-2.0%，改造后機組增設座環(huán))；機組出力、工況效率都能滿足實際要求。

JP502模型轉輪的綜合特性曲線圖

ZD661、JP502轉輪的基本參數(shù)表

2.2.3 軸向水推力

轉輪最大軸向水推力系數(shù)為0.87，最大水推力為14.80tf，原機組ZD661轉輪最大軸向水推力系數(shù)為0.71，最大水推力為12tf，改造后水推力增加2.80tf，與機組軸向力比較增加率小，對推力軸承溫升增加小。因此，根據(jù)上述校核計算，JP502轉輪適合對原ZD661機組的增效擴容改造，電站原廠房結構布置可保持不變[3]。

3 水輪機結構改造技術要求

舊水輪機主軸進行修復加工時，原盤根封水加粗部位軸徑為210mm，加工至200mm，加工的同時留出平板封水結構的定位環(huán)。導葉控制環(huán)布置在頂蓋上，采用外調(diào)節(jié)結構，導葉數(shù)量由16個增加至18個。主軸采用平板密封，要延長轉動密封板與軸固定件。為了避免平板密封板損壞后漏水，固定靜板下方聯(lián)體加裝與主軸密封的減壓套管，主軸密封的托、壓板均采用不銹鋼材料加工。水導軸承采用畢托管上油的筒式軸承，軸承安裝高程高出主軸密封漏水水面以上，對主軸密封的滲漏水設置自流排水管路，排水管高度達到里襯中部位置，水導軸承密封水位高度與排水位高度差應不小于100mm[4]。

主軸密封的滲漏水，由水輪機設置的DN65管排出，排水口上方設有安全水位，主軸密封的滲漏水順利排入集水井后，主軸密封的滲漏水排水，應同時設置自控泵排水系統(tǒng)，選用自動控制排水，其啟動壽命指標大于100萬次。

4 水輪發(fā)電機技術改造內(nèi)容

為使陡山水庫水電站擴容后的水輪發(fā)電機基本技術條件符合國家或行業(yè)標準要求，分別對定子線圈、轉子線圈、制動器、測溫元件、勵磁系統(tǒng)進行了更新汰換。

選用電氣性能優(yōu)良的玻璃絲包薄膜繞包自黏性電磁線，與桐馬環(huán)氧玻璃絲粉云母帶、半導體低阻帶、半導體高阻帶等F級絕緣材料，經(jīng)模壓成型和真空浸漆制造工藝，進行生產(chǎn)，具有電氣性能高、外觀規(guī)則、散熱性能好等優(yōu)點。原轉子線圈絕緣耐熱為B級，經(jīng)長期運行其絕緣都已老化，對其進行F級絕緣材料處理、模壓和真空浸漆[4]。 過去發(fā)電機配的都是單腔彈簧復位式制動器，由于空間因素該結構導向差，加上彈簧受力不均勻，常出現(xiàn)卡死不能復位現(xiàn)象，因此，將制動器改為雙腔結構，該結構不用彈簧復位，采用油壓復位不存在卡死不能復位現(xiàn)象，制動器的更新，機組的頂轉子、剎車操作可進行自動化流程控制。 所有測溫元件都使用鉑熱電阻Pt100，具有較高溫度測量精度與穩(wěn)定性。舊系列發(fā)電機多采用直流勵磁機勵磁或靜止可控硅勵磁，改造后配一臺交流勵磁機，采用無刷勵磁方式，系統(tǒng)結構更加優(yōu)越，沒有電刷的機組少了一份維護，運行可靠性提高，更有利于少人值守管理模式。

5 結 語

陡山水庫水電站設計出力、設計總流量分別為4446kW、27.60m3/s。其中，1號、2號機組適應較高水頭應用，3號、4號機組適應較低水頭應用。水輪機JP502最優(yōu)效率為92.50%，比擴容改造前的水輪機ZD661，ψ=+0°最優(yōu)效率82.00%高10.50%。改造過程中，分別對定子線圈、轉子線圈、制動器、測溫元件、勵磁系統(tǒng)進行了更新汰換，使陡山水庫水電站擴容后的水輪發(fā)電機基本技術條件符合國家或行業(yè)標準要求。

[1] 時文東，李傳娜，劉璐.陡山水庫水電站增效擴容改造可行性分析[J].山東水利，2015(6)：29，31.

[2] 溫金鋒.橫江水庫壩后式水電站增效擴容改造綜合自動化系統(tǒng)設計[J].內(nèi)蒙古水利，2015(2)：152-153.

[3] 劉世軍.外度水電站增效擴容改造設計[J].水利科技，2014(1)：23-24，27.

[4] 易玉華，熊杰.張王廟水電站增效擴容改造設計[J].小水電，2014(1)：37-38.

Analysis on Technical Points of Efficiency Improvement and Capacity Expansion of Turbine in Doushan Reservoir Hydropower Station

TANG Peilei

(SurveyandDesignInstituteofWaterConservancyinLinyiCityofShandongProvince,Linyi276000,China)

Doushan Reservoir Hydropower Station has been running for nearly 30 years. Metal structure has been aging, the unit output has been significantly reduced, and the unit equipment failure is frequency which affects the normal operation of the hydropower station. In this paper, through introducing the revamping process of efficiency improvement and capacity expansion, the technical aspects of the renovation of the turbine unit are discussed for reference.

hydropower station; efficiency improvement and capacity expansion; analysis

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.05.016

TV72

B

1673-8241(2017)05- 0042- 04