大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)增容改造的可行性分析

謝志堅(jiān)

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大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)增容改造的可行性分析

謝志堅(jiān)

（福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福州 350004）

針對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行以及電站尾水位下切偏離工況的實(shí)際情況，提出在現(xiàn)有邊界條件不變的情況下，基于現(xiàn)代水輪機(jī)開發(fā)及制造技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)經(jīng)過局部改型的增容轉(zhuǎn)輪。既可提高水輪機(jī)運(yùn)行效率與水能利用率，增加電站發(fā)電量，又能消除水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組存在的缺陷隱患，提高機(jī)組運(yùn)行安全穩(wěn)定性，延長(zhǎng)機(jī)組檢修周期，降低運(yùn)維成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)；增容；空蝕；安全性

0 前言

水口電站共裝七臺(tái)機(jī)組單機(jī)容量200MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)最大出力235MW，發(fā)電機(jī)連續(xù)過負(fù)荷容量230MW。從1993年第一臺(tái)投產(chǎn)發(fā)電至今（見表1），已運(yùn)行25年左右，仍為目前世界上單機(jī)容量最大的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。近年來由于電站下游尾水位的持續(xù)下降，機(jī)組運(yùn)行水頭增加，水輪機(jī)流道壓力脈動(dòng)增大，機(jī)組出現(xiàn)了比較明顯的空蝕問題，電站承擔(dān)著電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻事故備用以及ACG運(yùn)行方式功能，水輪機(jī)在偏離運(yùn)行工況下，機(jī)組運(yùn)行工況更加惡劣。根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況以及尾水位下切工況偏離實(shí)際問題，率先開展了機(jī)組超最大水頭運(yùn)行、機(jī)組偏離工況運(yùn)行、機(jī)組增容改造可行性、機(jī)組動(dòng)應(yīng)力計(jì)算、機(jī)組關(guān)鍵部件應(yīng)力監(jiān)測(cè)等課題研究，機(jī)組一些部件的材料受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制、安全裕度不足，特別是疲勞強(qiáng)度偏低，造成關(guān)鍵部件活塞桿、操作架、銅瓦等斷裂、磨損等重大缺陷。在90年代初期，設(shè)計(jì)及制造加工作為當(dāng)時(shí)世界上最大水輪機(jī)，沒有任何成熟經(jīng)驗(yàn)借鑒，尤期水輪機(jī)核心部件（如槳葉）加工早期采用人工鏟磨工藝，葉片表面線型不光滑，誤差大，水力性能存在許多可提高之處，經(jīng)過二十多年發(fā)展，特別計(jì)算機(jī)仿真、三維設(shè)計(jì)以及數(shù)控技術(shù)廣泛的應(yīng)用，無論從材料、設(shè)計(jì)還是加工制造技術(shù)[1-3]方面已經(jīng)有了飛躍性變化，研究開發(fā)適應(yīng)電站現(xiàn)有條件的新轉(zhuǎn)輪是當(dāng)務(wù)之急。

表1 原機(jī)組投產(chǎn)日期

1 運(yùn)行情況

七臺(tái)機(jī)自投產(chǎn)以來，由于水口機(jī)組的特殊性，從設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修、運(yùn)行維護(hù)方面均沒有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，運(yùn)行中曾經(jīng)發(fā)生過以下幾個(gè)方面問題，如主軸密封漏水大、機(jī)組水導(dǎo)瓦溫高、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪漏油及進(jìn)水、活塞桿、操作架裂紋、轉(zhuǎn)輪室脫落以及機(jī)組振動(dòng)等缺陷，特別隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間增加，下游尾水位偏離工況過大（如圖1所示）等實(shí)際問題，機(jī)組空蝕日益突出，這些問題甚至影響機(jī)組能否長(zhǎng)期持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 尾水位與出庫流量關(guān)系曲線

2 檢修情況

到目前為止，先后對(duì)七臺(tái)機(jī)進(jìn)行二至三輪機(jī)組A級(jí)檢修，主要處理了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪漏油及進(jìn)水、轉(zhuǎn)輪活塞桿兩次折斷（如圖2示）、操作架開裂等問題，槳葉大小銅瓦磨損，轉(zhuǎn)輪密封件更換，并在檢修過程發(fā)現(xiàn)了活塞桿裂紋、預(yù)緊螺母松動(dòng)，轉(zhuǎn)輪體、槳葉、轉(zhuǎn)輪室、頂蓋等空蝕問題，從近二十年左右運(yùn)行和檢修來看，機(jī)組七年檢修大修間隔，檢修內(nèi)容集中在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上，而且都是必修必改，一些危急重大缺陷，如果沒有發(fā)現(xiàn)和及時(shí)檢修，進(jìn)一步發(fā)展后果十分嚴(yán)重。機(jī)組每次擴(kuò)大性大修總工期為100天左右，其中轉(zhuǎn)輪部分檢修40~50天，投入大量人力、物力。

圖2 轉(zhuǎn)輪活塞桿斷裂情況

3 項(xiàng)目必要性

3.1 安全性分析

電站現(xiàn)有的七臺(tái)200MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，為20世紀(jì)90年代初期產(chǎn)品，從投產(chǎn)至今已運(yùn)行20多年，機(jī)組存在設(shè)備明顯老化、效率指標(biāo)有所下降、水輪機(jī)空蝕、裂紋嚴(yán)重、運(yùn)行振動(dòng)加劇、發(fā)電機(jī)定子運(yùn)行鐵心松動(dòng)等影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的隱患[4]，具體體現(xiàn)如下：

3.1.1 水輪機(jī)性能狀況惡化

水輪機(jī)空蝕嚴(yán)重[5]，每年每臺(tái)機(jī)必須安排一次“C”級(jí)和“D”檢修，主要對(duì)水輪機(jī)的空蝕補(bǔ)焊和打磨處理，葉片及轉(zhuǎn)輪體經(jīng)過多次人工補(bǔ)焊處理，檢修過程沒有葉型檢測(cè)控制手段，葉片線型控制無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，表面粗糙不平整，加之設(shè)備的磨損、老化，水輪機(jī)效率指標(biāo)有所下降。

3.1.2 機(jī)組振動(dòng)加劇，振動(dòng)區(qū)逐漸擴(kuò)大

七臺(tái)機(jī)組多臺(tái)次的振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，投產(chǎn)初期機(jī)組負(fù)荷振動(dòng)區(qū)范圍是50～80MW左右的，但近年來的振動(dòng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)組在50～120MW負(fù)荷區(qū)、存在一個(gè)較明顯的振動(dòng)區(qū)。機(jī)組振動(dòng)的不斷加劇及對(duì)設(shè)備造成的危害已越來越嚴(yán)重，具體體現(xiàn)在：

（1）機(jī)組尾水管振動(dòng)加劇，進(jìn)人門多次發(fā)現(xiàn)流道里襯裂紋，運(yùn)行中噴水，該處振動(dòng)達(dá)到1g加速度，連接螺栓疲勞。

（2）機(jī)組轉(zhuǎn)輪室及尾水錐管管壁撕裂。部分機(jī)組曾經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)輪室、尾水管錐管段大面積撕裂[6]，背部混泥土搗空（如圖3所示）。

圖3 轉(zhuǎn)輪室開裂

（3）機(jī)組各部緊固件松動(dòng)，尤其上機(jī)架蓋板聯(lián)接螺栓經(jīng)常性松動(dòng)，甚至水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪M540螺母松脫。

3.1.3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)存在影響安全運(yùn)行的隱患

由于機(jī)組運(yùn)行20多年，機(jī)組導(dǎo)葉漏水有所增大，個(gè)別出現(xiàn)停機(jī)拆除風(fēng)閘后蠕動(dòng)現(xiàn)象。導(dǎo)葉上、中、下軸套及軸領(lǐng)磨損等問題。

3.1.4 槳葉壓板封堵脫落

每臺(tái)機(jī)每片葉片密封壓板24個(gè)緊固螺栓，由于長(zhǎng)期受空化及振動(dòng)影響，經(jīng)常發(fā)生封堵填充物脫落，緊固螺栓發(fā)生空蝕脫離，螺孔螺牙全部空蝕，容易造成轉(zhuǎn)輪漏油，存在很大隱患。

3.1.5 導(dǎo)軸承瓦溫偏高

水輪機(jī)導(dǎo)軸承為稀油潤(rùn)分塊瓦式軸承，空間上和結(jié)構(gòu)限制，七臺(tái)機(jī)水導(dǎo)運(yùn)行溫度長(zhǎng)期偏高，受水力不平衡影響造成機(jī)組振動(dòng)加劇，致使運(yùn)行中水導(dǎo)軸瓦負(fù)荷加大，夏季瓦溫達(dá)70℃極限值，影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 可研范圍和規(guī)模

可研范圍包括設(shè)計(jì)、制造適合現(xiàn)有水輪機(jī)流道、主軸、轉(zhuǎn)輪直徑以及內(nèi)頂蓋等處接口不變的局部改型新轉(zhuǎn)輪[7]。

3.3 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)[8]指標(biāo)

機(jī)組改造后預(yù)計(jì)可以達(dá)到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：

（1）機(jī)組改造后能消除設(shè)備存在的重大缺陷隱患；

（2）縮小負(fù)荷振動(dòng)區(qū)域，機(jī)組振動(dòng)擺度等指標(biāo)達(dá)到規(guī)程允許范圍之內(nèi)；

（3）水輪機(jī)額定效率提高1~2%；機(jī)組容量增加約15%，水輪機(jī)單機(jī)最大容量達(dá)235MW，可進(jìn)行最大出力穩(wěn)定運(yùn)行；

（4）發(fā)電機(jī)絕緣等級(jí)提高到F級(jí)；

（5）導(dǎo)葉漏水量控制在2‰以內(nèi)；

（6）發(fā)電機(jī)的噪音小于85dB(A)；

（7）機(jī)電設(shè)備完好率達(dá)到100%，B級(jí)以上檢修周期大于8年；

（8）機(jī)組設(shè)計(jì)使用壽命不低于40年。

經(jīng)初步估算一臺(tái)增容改造需投資金約6800萬元。通過技術(shù)改造后單臺(tái)機(jī)年總增發(fā)電量可創(chuàng)產(chǎn)值約800萬元。還可利用水電機(jī)組啟停靈活，快速適應(yīng)負(fù)荷變化的特性，增加機(jī)組對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用容量。

3.4 改造效果及經(jīng)濟(jì)效益[9]

機(jī)組技術(shù)改造可消除機(jī)組設(shè)備存在的重大隱患，提高機(jī)組運(yùn)行安全穩(wěn)定性。另外，機(jī)組技術(shù)改造工程還可帶來如下經(jīng)濟(jì)效益：

（1）改造后可以提高水輪機(jī)運(yùn)行效率、節(jié)水增發(fā)、提高水庫利用率，增加機(jī)組的發(fā)電量。

（2）機(jī)組出力的提高，發(fā)電機(jī)容量的增大，可以提高電站的調(diào)峰調(diào)頻和事故備用的能力。

（3）延長(zhǎng)機(jī)組檢修周期，同時(shí)，每臺(tái)機(jī)檢修時(shí)間可縮短40天，降低機(jī)組運(yùn)維成本。

3.5 機(jī)組改造效益分析[10]

3.5.1 提高效率增加年發(fā)電量

電站實(shí)施增容改造后，不僅在汛期可提高機(jī)組出力，同時(shí)，水輪機(jī)效率也可提高1~2%，按保守計(jì)算，年利用小時(shí)數(shù)不低于3500h。

由于單機(jī)容量及效率提高，單機(jī)年增發(fā)電量為：

200MW×3500h×1%=700萬kW·h

七臺(tái)機(jī)合計(jì)：700萬kW·h/臺(tái)×7臺(tái)=0.49億kW·h

3.5.2 機(jī)組增容后增加年發(fā)電量

通過技術(shù)改造后水輪機(jī)單臺(tái)機(jī)容量最大為235MW，同時(shí)，汛期發(fā)電機(jī)可按最大出力230MW運(yùn)行，汛期機(jī)組最大出力運(yùn)行時(shí)間平均為50天，單機(jī)年可增加發(fā)電量為：

30×50×24=36000MW·h=3600萬kW·h

七臺(tái)機(jī)合計(jì)：3600萬kW·h×7臺(tái)=2.52億 kW·h

3.5.3 直接經(jīng)濟(jì)效益

通過提高效率及最大出力，每年可增加電量3.01億 kW·h，折算電價(jià)0.278元/度，則可增加直接經(jīng)濟(jì)效益為3.01億 kW·h×0.278元/度=0.837億元。

3.5.4 機(jī)組檢修成本降低分析

通過增容改造，可提高轉(zhuǎn)輪的抗空蝕、抗裂紋性能；提高發(fā)電機(jī)絕緣等級(jí)、降低檢修維護(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度，延長(zhǎng)機(jī)組檢修周期，縮減檢修成本[11]。

3.5.5 改善枯水期通航條件

水口電站每年8月1日進(jìn)入非汛期，按水輪發(fā)電機(jī)組季節(jié)性檢修特點(diǎn)，公司將安排六臺(tái)機(jī)一次“C”級(jí)檢修和一次“D”級(jí)檢修，一臺(tái)機(jī)擴(kuò)大性大修，由于受下游尾水位不斷下切影響，通航期間必須保證七臺(tái)滿負(fù)荷運(yùn)行的出庫流量才能達(dá)到通航最低要求，在一臺(tái)100天擴(kuò)大性大修期間，出庫流量無法滿足通航最低出庫水位要求，必須全面斷航。如果實(shí)施增容改造，整個(gè)大修工期只要60天左右，可以縮短40天，即將有效緩解長(zhǎng)時(shí)間斷航帶來社會(huì)壓力，最大限度保證通航條件。

3.6 投資估算

本次機(jī)組改造為制造一個(gè)改進(jìn)型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。水輪機(jī)部分改造主要包括水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體、葉片、葉片銅瓦、泄水錐、缸蓋、活塞、操作架、耳柄、轉(zhuǎn)臂、各密封件等，經(jīng)初步估算水輪機(jī)部分改造總重約為350t，項(xiàng)目投資[12]見表2。

表2 技術(shù)改造工程費(fèi)用匯總表 金額單位：萬元

3.7 機(jī)組改造后效益預(yù)測(cè)

一方面可以有效消除轉(zhuǎn)輪缺陷，改善水力性能，提高水輪機(jī)效率，延長(zhǎng)檢修周期；另一方面，汛期可充分利用部分棄水增加發(fā)電量。經(jīng)初步計(jì)算，水量利用率由原來的86.2%提高到89.4%，利用汛期棄水增加的多年平均年發(fā)電量為3.01億kW·h，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益[13]?？梢钥闯鋈扛脑旌蟀l(fā)電效益是有保障的；且以上分析未考慮發(fā)電機(jī)效率的提高，如果考慮發(fā)電機(jī)效率的提高，則改造后發(fā)電效益將更為顯著。

4 結(jié)論

通過幾方面綜合分析，公司提出在現(xiàn)有邊界條件不變的情況下[14]，從材料、結(jié)構(gòu)以及加工工藝方面對(duì)部分部件進(jìn)行重新開發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)施水輪機(jī)增容改造，能夠有效解決機(jī)組的設(shè)備缺陷及隱患，提高電站的水能利用效率，降耗增發(fā)，提高設(shè)備的技術(shù)水平和健康水平[15]；延長(zhǎng)檢修周期，降低檢修成本及節(jié)省時(shí)間，增加機(jī)組出力，提高電站的調(diào)峰調(diào)頻能力；提高機(jī)組綜合性能，改善系統(tǒng)供電可靠性；提高電站的年電量，經(jīng)濟(jì)效益顯著。因此，水口電站實(shí)施增容改造項(xiàng)目十分必要，也是可行的。

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Feasibility Analysis of Large Axial Flow Propeller Turbine Up Rating

XIE Zhijian

(Fujian Shuikou Power Generation Group Co., LTD., Fuzhou 350004, China)

Based on the running and working condition of hydro-turbine and the deviation of water level of draft tube from actual power plant situation, this paper puts forward a modern turbine development and manufacturing technology on the basis of the existing boundary conditions, and designs an up rating runner by local modification. It can not only improve the efficiency and the utilization rate of water turbine, but also increase the power plant generating capacity. Mean while it can eliminate the potential defects of the hydro-generating unit, enhance the stability and safety, prolong maintenance cycle, reduce operational costs and so on. Therefore it has remarkable economic and social benefits.

axial flow Kaplan turbine; up rating; cavitation erosion; safety

TK733+.3

A

1000-3983(2018)02-0073-04

2017-11-20

謝志堅(jiān)（1964-），1983年8月畢業(yè)于福建工程學(xué)院，長(zhǎng)期從事電網(wǎng)及水電站管理工作，高級(jí)工程師。