衡陽某電站水輪機(jī)增容改造設(shè)計(jì)

解再益

（湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長沙410100）

衡陽某電站水輪機(jī)增容改造設(shè)計(jì)

解再益

（湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長沙410100）

衡陽某電站經(jīng)過40多年運(yùn)行后，其效率低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重；在洪水期間，機(jī)組振動大，無法運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)效益十分低下。通過此次電站技改，特別針對水輪機(jī)改造，解決了電站效率低、運(yùn)行不穩(wěn)定和效益低下等問題。首先是選擇高效、大流量的轉(zhuǎn)輪，提高了水輪機(jī)的出力；其次復(fù)核原電站流道尺寸參數(shù)，確保增容后新水輪機(jī)有足夠的過流能力；最后用專利的轉(zhuǎn)輪槳葉調(diào)槳技術(shù)，解決了水頭、負(fù)荷變化時機(jī)組振動大的現(xiàn)象，保證了機(jī)組能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行在高效區(qū)里。通過真機(jī)的長期運(yùn)行，驗(yàn)證了此次技改的措施是成功的，大大提高了電站的綜合效益，也為國內(nèi)眾多同類型電站的技改提供了借鑒。

增容改造；高效；出力；穩(wěn)定；效益；轉(zhuǎn)輪；流道；復(fù)核；振動；調(diào)槳

1 基本情況

1.1 電站概況

衡陽某電站是一座以灌溉為主，兼顧發(fā)電、防洪、通航功能的綜合性農(nóng)村水利樞紐工程。正常蓄水位為60.5m，設(shè)計(jì)水頭為10.5m，多年平均降雨量為1343.3mm，多年平均流量為250m3/s，多年平均徑流量為79億m3?，F(xiàn)裝有ZD510-LH-180型1250kW容量的水輪發(fā)電機(jī)10臺，發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量12.5MW，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，近20年實(shí)際平均年發(fā)電量為7275kW·h，年小時平均利用率為5820h。

1.2 電站存在的問題

1）原機(jī)組服役40多年，安全隱患多，技術(shù)采用的是前蘇聯(lián)40年代技術(shù)，效率低，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)效益低下；

2）電站洪水期間，水頭變低，機(jī)組振動大，無法運(yùn)行。

1.3 增容改造的內(nèi)容和目標(biāo)

衡陽某電站是在原有流道不改變的基礎(chǔ)上，通過改造，增效擴(kuò)容到單機(jī)出力達(dá)1600kW；同時保證在洪水期，機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行并發(fā)電。

2 電站改造的主要參數(shù)

增效擴(kuò)容的設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)水頭仍為10.5m，轉(zhuǎn)輪直徑為φ1800mm（轉(zhuǎn)輪室不動），導(dǎo)葉高度720mm（座環(huán)不動），單機(jī)出力達(dá)1600kW。

3 水輪機(jī)改造說明

衡陽某電站改造具有很大的代表性，存在的問題突出，改造目標(biāo)十分明確，主要任務(wù)在于改造電站的原動機(jī)——水輪機(jī)上。

而水輪機(jī)的改造主要從以下三個方面著手，分別進(jìn)行改造分析說明：

1)選擇高效大流量的轉(zhuǎn)輪；

2)通過對原有流道的分析，復(fù)核改造后機(jī)組的出力情況；

3)針對電站洪水期間，水頭變低，機(jī)組振動大到不能開機(jī)的情況，用調(diào)槳式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，來解決轉(zhuǎn)輪槳葉與水頭、負(fù)荷變化的協(xié)聯(lián)動作問題，以保證水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

下面就從這三個方面進(jìn)行改造分析說明。

3.1 轉(zhuǎn)輪選擇

衡陽某電站原水輪機(jī)ZD510-LH-180，ZD510轉(zhuǎn)輪是蘇聯(lián)上世紀(jì)40年代的技術(shù)水平，其效率低下，因此選擇新型高效、大流量的模型轉(zhuǎn)輪是保證技改成功的關(guān)鍵。

從目前國內(nèi)軸流機(jī)中選出幾個模型轉(zhuǎn)輪進(jìn)行比較，找出衡陽某電站與目前最匹配的模型轉(zhuǎn)輪，分別是：ZDJP502、ZDK160。

3.1.1 模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)比較（見表1）

3.1.2 原型水輪機(jī)參數(shù)比較（見表2）

3.1.3 真機(jī)運(yùn)行曲線圖

水輪機(jī)真機(jī)運(yùn)行區(qū)間圖見圖1。

圖1 ZDJP502-LH-180水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)間圖

3.1.4 技改轉(zhuǎn)輪選擇說明

1）根據(jù)改造軸流式水輪機(jī)的特點(diǎn)，對水輪機(jī)性能影響最大的是導(dǎo)葉高度、輪轂體直徑和尾水管高度。而從模型轉(zhuǎn)輪的流道參數(shù)可以看出，ZDJP502的導(dǎo)葉高和與ZD501一樣，輪轂體直徑更小，尾水管尺寸接近，與電站現(xiàn)有的流道最為接近，因此從技改水輪機(jī)的角度出發(fā)，優(yōu)選ZDJP502模型轉(zhuǎn)輪。

2）從真機(jī)的轉(zhuǎn)輪效率來看，ZDJP502-LH-180的設(shè)計(jì)點(diǎn)達(dá)91.58%，其設(shè)計(jì)點(diǎn)的效率較高，是非常優(yōu)秀的一個轉(zhuǎn)輪。

3）ZDJP502模型轉(zhuǎn)輪的模型汽蝕系數(shù)σc小，安全系數(shù)取1.2計(jì)算，得出JP502轉(zhuǎn)輪的吸出高度為+0.82m，滿足電站的要求。

綜上所述，從能量指標(biāo)、穩(wěn)定性指標(biāo)、空化性能及與原電站流道的匹配性考慮，ZDJP502轉(zhuǎn)輪是最適宜的模型轉(zhuǎn)輪。此次技改推薦的方案是：

ZDJP502-LH-180(ψ=+8°) SF1600-24/2600

3.2 電站流道過流能力的復(fù)核

對于技改電站，增容到1600kW，單臺水輪機(jī)的額定流量會從16.9m3/s增加到19.5m3/s。因此需對原電站的流道尺寸進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，包括：進(jìn)水口部分、混凝土蝸殼、尾水管。

3.2.1 進(jìn)口部分復(fù)核

按電站提供的設(shè)計(jì)圖，其進(jìn)水口尺寸為2.5m× 2.5m，其進(jìn)口面積是：2.5×2.5=6.25m2，《大電機(jī)設(shè)計(jì)手冊》混凝土蝸殼進(jìn)口斷面的平均流速為3m/s，見圖2，其過機(jī)流量Q=6.25×3=18.75m3/s，此時發(fā)電機(jī)出力為 N=9.81HQηDη=9.81×10.5×18.75× 0.95×0.9158=1680kW；

式中：H——設(shè)計(jì)水頭(m)

Q——過機(jī)流量(m3/s)

ηD——發(fā)電機(jī)效率(%)

η——水輪機(jī)效率(%)

圖2 混凝土蝸殼進(jìn)口斷面的平均流速

3.2.2 蝸殼部分復(fù)核

查電站的原始設(shè)計(jì)圖紙，原電站的蝸殼進(jìn)水口是2.5m×4.6m（高×寬），其余部分也與180°包角的混凝土蝸殼尺寸是相同的，蝸殼部分沒影響。

3.2.3 尾水管部分復(fù)核

查電站的原始設(shè)計(jì)圖紙，原電站的尾水管單線圖是按標(biāo)準(zhǔn)的4C肘管設(shè)計(jì)的，與ZDJP502轉(zhuǎn)輪采用的肘管相比：

電站原4C尾水管出口尺寸為2358mm×4277mm，是ZDJP502尾水管出口尺寸2198mm×5184mm的0.885倍。

在不改變尾水管等埋入部件的情況下，改造后的機(jī)組相當(dāng)于采用了“異形過流部件”的結(jié)構(gòu)，因此在計(jì)算效率修正時，要根據(jù)“異形過流部件”對效率的影響需要另外修正，修正值取-1.0%，最終發(fā)電機(jī)出力為N=9.81HQηDη=9.81×10.5×18.75×0.95× 0.9058=1662kW。

通過對原電站的流道尺寸進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，原流道尺寸能夠滿足增容改造要求。

3.3 調(diào)槳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

衡陽某電站洪水期間，出現(xiàn)水頭變低，機(jī)組振動大到不能開機(jī)的情況，是軸流定槳式水輪機(jī)的特點(diǎn)決定的。從圖1（ZDJP502-LH-180水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)間圖）可以看出，定槳式轉(zhuǎn)輪，因葉片角度固定，其運(yùn)行區(qū)間相當(dāng)窄，當(dāng)實(shí)際工況偏離設(shè)計(jì)工況時，水輪機(jī)效率急劇下降，機(jī)組出力下降；水輪機(jī)偏離到不穩(wěn)定區(qū)間運(yùn)行，振動大，且空蝕嚴(yán)重。

要擴(kuò)大軸流式水輪機(jī)高效運(yùn)行的區(qū)間，普遍采用的是轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪可任意調(diào)整轉(zhuǎn)輪槳葉角度，使導(dǎo)葉和槳葉開度保持著協(xié)聯(lián)關(guān)系，保證了水輪機(jī)始終在高效且穩(wěn)定的區(qū)間運(yùn)行，這樣水輪機(jī)既獲得了較高的效率，又能保持運(yùn)行穩(wěn)定。而轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪需通過液壓油控制轉(zhuǎn)輪槳葉調(diào)節(jié)，整套受油器系統(tǒng)復(fù)雜，密封困難，常出現(xiàn)漏油、竄油及密封失效等問題，電站的維護(hù)成本高。

衡陽某電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑φ1800mm，如果改造成轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪，一是要增加一套液壓系統(tǒng)，大大增加運(yùn)行、維護(hù)成本；二是轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部空間狹小，結(jié)構(gòu)布置困難。對于這種機(jī)型改造，我們優(yōu)選調(diào)槳式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，調(diào)槳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是介于定槳與轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的新型轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，一般采用純機(jī)械式操作，無需要液壓油系統(tǒng)來調(diào)整轉(zhuǎn)輪槳葉，即可實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)高效運(yùn)行。

我們擁有成熟的調(diào)槳式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)專利技術(shù)（一種軸流式水輪機(jī)的手動調(diào)槳機(jī)構(gòu)，專利號：ZL201320838508），其調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)和方法簡單，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片在停機(jī)時，隨意調(diào)整葉片角度，對負(fù)荷變化的適應(yīng)性較好，運(yùn)行區(qū)域較寬廣，平均效率較高，同時解決轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪的漏油、竄油等問題。圖3是衡陽某電站采用的調(diào)槳式轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)圖。轉(zhuǎn)輪葉片角度調(diào)整在水機(jī)層操作，用手柄旋轉(zhuǎn)蝸輪運(yùn)動，帶動蝸桿作上下運(yùn)動，葉片轉(zhuǎn)角0~8°，完成了水頭與槳葉角度的協(xié)聯(lián)動作，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷與水頭同步變化。

圖3 蝸殼蝸桿傳動的軸流調(diào)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)動部分

4 改造后的效果

衡陽某電站完成改造后，在電站多次售后服務(wù)中記錄：真機(jī)運(yùn)行半年來，在正常水位時，水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在1630kW以上；在洪水期間，水輪發(fā)電機(jī)組可以穩(wěn)定運(yùn)行在1460kW以上。水輪機(jī)通過調(diào)節(jié)槳葉角度，保證機(jī)組在上述二種狀態(tài)下，均能夠長期穩(wěn)定地運(yùn)行。

5 結(jié)束語

衡陽某電站機(jī)組已運(yùn)行40多年，其效率低，洪水期機(jī)組振動到無法運(yùn)行，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，電站整體經(jīng)濟(jì)效益十分低下。我們在認(rèn)真分析了原電站存在的問題，提出科學(xué)的技術(shù)改造辦法，特別是針對水輪機(jī)的技術(shù)改造，采用最適宜的改造手段，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組增容目標(biāo)，同時機(jī)組能夠長期穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。通過真機(jī)的長期運(yùn)行，檢驗(yàn)了此次技改的結(jié)果，其技術(shù)改造措施是成功的，取得了令人滿意的增效擴(kuò)容目標(biāo)。

衡陽某電站通過此次成功的技術(shù)改造，發(fā)揮出了更大的綜合效益，也為國內(nèi)眾多同類型電站的技改提供了借鑒。

[1]張屹峰.馬頸坳水電站6號水輪機(jī)的增容改造[C]//第十八次中國水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論會論文集，2011.11.

TV734.2

B

1672-5387（2017）05-0045-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.011

2016-05-17

解再益（1975-），男，工程師，從事水輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。