軸流ZD560轉(zhuǎn)輪型號(hào)機(jī)組改造擴(kuò)容升級(jí)探討

謝向東，洪安俊，黃 巖

(浙江金輪機(jī)電實(shí)業(yè)有限公司，浙江 金華 321002)

1 電站概況

宸前電廠位于福建省崇陽(yáng)溪建陽(yáng)與建甌轄區(qū)交界處的徐市鎮(zhèn)亭村附近。電廠建成于1982年，總裝機(jī)容量1.6萬(wàn)kW(5×3 200 kW)，設(shè)計(jì)額定水頭11.2 m(毛水頭)，凈水頭10.3 m，單機(jī)設(shè)計(jì)引用流量37.6 m3/s。

本次增容擴(kuò)容要求：?jiǎn)螜C(jī)由3 200 kW增至3 800 kW，裝機(jī)容量由1.6萬(wàn)kW增容至1.8～1.9萬(wàn)kW。

電站現(xiàn)有5臺(tái)3 200 kW立式軸流發(fā)電機(jī)組(生產(chǎn)廠家：重慶水輪機(jī)廠)，水輪機(jī)型號(hào)為ZD560—LH—250，設(shè)計(jì)水頭11.2 m，最高水頭12.5 m，設(shè)計(jì)流量37.6 m3/s。水輪機(jī)出力3 460 kW，額定轉(zhuǎn)速187.5 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速391 r/min，單位轉(zhuǎn)速140 r/min，單位流量1.79 m3/s，效率84%。水輪機(jī)安裝高程115.46 m，設(shè)計(jì)吸出高程+0.5 m；導(dǎo)葉相對(duì)高b0/D1為0.4，尾水相對(duì)高h(yuǎn)/D1為2.52，轉(zhuǎn)輪輪轂比為0.35；導(dǎo)葉最大開(kāi)度(mm)/數(shù)量(片)為240/24，接力器行程為365.5 mm，調(diào)速功為4 700 kg.m。

2 可行性分析

針對(duì)電站水頭不變、設(shè)備需在蝸殼和尾水流道不變的情況，增加水輪機(jī)的過(guò)流量并提高效率才能保證水輪機(jī)出力增加。通過(guò)分析，ZD560的蝸殼流道在設(shè)計(jì)的時(shí)候是有10%～20%的余量，相應(yīng)保證了機(jī)組過(guò)流量增加的要求(見(jiàn)表1)。

表1 機(jī)組選型分析比較

續(xù)表1 機(jī)組選型分析比較

綜上所述，即使是國(guó)外轉(zhuǎn)輪，也未能達(dá)到增效擴(kuò)容要求，這一工況點(diǎn)在國(guó)內(nèi)都是空白的區(qū)域。對(duì)于這前所未有的挑戰(zhàn)，我們請(qǐng)教了很多國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀專(zhuān)家，參考了國(guó)內(nèi)外很多資料，通過(guò)對(duì)流道、導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪進(jìn)行分析，不斷改進(jìn)導(dǎo)葉、葉片的翼型，用CFD模擬分析計(jì)算水輪機(jī)最大出力可達(dá)到4 000 kW，發(fā)電機(jī)出力可達(dá)到3 800 kW。

3 模擬分析計(jì)算

3.1 原有的蝸殼和尾水流態(tài)分析

通過(guò)原有蝸殼和尾水進(jìn)行流道分析，蝸殼的最大過(guò)流量可達(dá)到43～44 m3/s，能夠滿足機(jī)組發(fā)3 800 kW的過(guò)流量要求，無(wú)需對(duì)蝸殼和尾水改進(jìn)；對(duì)于電站來(lái)說(shuō)，水工方面也無(wú)需改進(jìn)(見(jiàn)圖1)。

圖1 流道分析示意

3.2 水從蝸殼經(jīng)過(guò)固定導(dǎo)葉進(jìn)入轉(zhuǎn)輪分析(最優(yōu)情況下)

原有的導(dǎo)葉最大過(guò)流量不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)固定導(dǎo)葉進(jìn)行優(yōu)化分析，通過(guò)不斷調(diào)整，把導(dǎo)葉從對(duì)稱(chēng)導(dǎo)葉設(shè)計(jì)成非對(duì)稱(chēng)扭曲型導(dǎo)葉(見(jiàn)圖2)。

圖2 新設(shè)計(jì)導(dǎo)葉示意

(注：圖中的雙點(diǎn)畫(huà)線是原有的導(dǎo)葉翼型，

實(shí)線部分為新設(shè)計(jì)導(dǎo)葉)

這樣保證了導(dǎo)水機(jī)構(gòu)全開(kāi)的情況下能滿足機(jī)組的過(guò)流量，而機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑?jīng)]有變化；原有轉(zhuǎn)輪輪轂比為0.35，不能滿足機(jī)組過(guò)流量。通過(guò)不斷調(diào)整轉(zhuǎn)輪的輪轂比，最后把輪轂比調(diào)整到了0.3；同時(shí)調(diào)整了葉片角度。

為保證過(guò)流量，不斷的加大角度，并加長(zhǎng)葉片，提高水在通過(guò)轉(zhuǎn)輪室的利用率；流量雖然能夠通過(guò)，但是模擬的效率很低。最后，通過(guò)調(diào)整葉片的翼型，逐步提高轉(zhuǎn)輪效率(見(jiàn)圖3)。

圖3 尾水流態(tài)分析

圖4 固定導(dǎo)葉壓力分析

3.3 固定導(dǎo)葉按最優(yōu)工況下修正后的壓力分析

固定導(dǎo)葉按最優(yōu)工況下修正后的壓力分析如圖所示(見(jiàn)圖4)。

4 結(jié) 論

根據(jù)模擬分析，計(jì)算出效率曲線(見(jiàn)圖5)，機(jī)組的最大過(guò)流量為44 m3/s，效率能達(dá)到90%，水輪機(jī)的出力能達(dá)到4 000 kW左右。

圖5 效率曲線

現(xiàn)在電站的頭2臺(tái)機(jī)組已順利發(fā)電，發(fā)電機(jī)最大出力已超過(guò)3 800 kW。通過(guò)計(jì)算，相應(yīng)的水輪機(jī)出力超過(guò)4 000 kW；而電站的前池清污和尾水清淤還沒(méi)進(jìn)行，如果該工作完成后，保守估計(jì)發(fā)電機(jī)最大出力能達(dá)到4 000 kW。相對(duì)于原電站出力3 200 kW，在水工不變、轉(zhuǎn)輪直徑不變的情況下，通過(guò)增加過(guò)流量，提高效率，機(jī)組出力增加25%，改造還是非常成功的。