巖屋潭Ⅰ級(jí)水電站增效擴(kuò)容改造工程

張靈鋒

(懷化市水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南■懷化■418000)

1　電站概況

巖屋潭Ⅰ級(jí)水電站地處湖南省沅陵縣涼水井鎮(zhèn)境內(nèi)，是沅水一級(jí)支流蘭溪流域中下游一級(jí)電站，始建于1977年，1979年投產(chǎn)發(fā)電，至今已運(yùn)行發(fā)電近39 a。電站壩址以上流域面積457 km2，多年平均流量12.37 m3/s，水庫總庫容1.2億m3，正常庫容8 760萬m3，調(diào)節(jié)庫容6 700萬m3，屬年調(diào)節(jié)水庫。

電站主要建筑物有空腹重力壩、有壓引水隧洞、壓力鋼管、主副廠房、升壓站等。電站共安裝3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為2×3 000 kW+1×3 200 kW=9 200 kW；其中1～2號(hào)機(jī)組水輪機(jī)型號(hào)PO263—BM—134，發(fā)電機(jī)型號(hào)TS325—44/22，額定水頭35.3 m，額定流量11.95 m3/s。3號(hào)機(jī)組水輪機(jī)型號(hào)HL123—LJ—140，發(fā)電機(jī)型號(hào)TS325—36/20，額定水頭30.5 m，額定流量12.6 m3/s。3臺(tái)調(diào)速器型號(hào)為CT—40；2臺(tái)主變壓器型號(hào)：1號(hào)主變SJL1—8000/35，2號(hào)主變SJL1—4000/35。

電站原設(shè)計(jì)年平均發(fā)電量為3 055萬kW·h，年利用小時(shí)為3 320 h。根據(jù)該站提供的改造前近5年發(fā)電量統(tǒng)計(jì)，年最大發(fā)電量為3 314萬kW·h，年最小發(fā)電量為1 517萬kW·h，年平均發(fā)電量為2 326萬kW·h，年利用小時(shí)為2 528 h。

2　增效擴(kuò)容改造原因

2.1　電站現(xiàn)狀與存在的問題

巖屋潭Ⅰ級(jí)水電站于1979年投產(chǎn)發(fā)電，其中1～2號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組是利用本省雙牌水電站拆遷的設(shè)備，設(shè)備的生產(chǎn)期為1959年；3號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備的生產(chǎn)期為1978年。

(1)水輪機(jī)

水輪機(jī)為20世紀(jì)50年代仿蘇模型，由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)、制造水平、生產(chǎn)工藝等條件限制，使得水輪機(jī)參數(shù)與電站實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)不相匹配，造成水輪機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)動(dòng)部件磨損，過流部件氣蝕嚴(yán)重；機(jī)組振動(dòng)、擺動(dòng)值偏大，使得水輪機(jī)效率大大降低。通過蝸殼測流法對(duì)水輪機(jī)效率測定：在額定水頭下發(fā)額定出力1～2號(hào)水輪機(jī)額定流量為13.9 m3/s，額定效率約為67%；3號(hào)水輪機(jī)額定流量為14.4 m3/s，額定效率約為78%。

(2)發(fā)電機(jī)

3臺(tái)發(fā)電機(jī)經(jīng)過多年運(yùn)行，絕緣已嚴(yán)重老化，絕緣等級(jí)為B級(jí)，易受潮，停機(jī)時(shí)間過長就需要對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行干燥處理，嚴(yán)重影響電站安全運(yùn)行。

(3)蝸殼

3臺(tái)機(jī)組金屬蝸殼為半埋入式，即蝸殼中心線以下部分埋入混凝土中，其余部分裸露地表面以上，蝸殼壁厚為10 mm。由于蝸殼上半部分內(nèi)外溫差較大，使裸露的蝸殼外殼常年存在冷凝水，致使蝸殼內(nèi)外壁銹蝕較嚴(yán)重。經(jīng)測量蝸殼外壁銹蝕厚度約為1 mm，蝸殼內(nèi)壁銹蝕厚度約為1.5 mm。

(4)調(diào)速器及油壓裝置

3臺(tái)調(diào)速器型號(hào)為CT—40，額定油壓為2.5 MPa。調(diào)速器配置過于簡單，靈敏度較低，操作不可靠，經(jīng)常出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。調(diào)速器的配置不能滿足電站“無人值班(少人值守)”的現(xiàn)代自動(dòng)化要求。

(5)進(jìn)水閥

3臺(tái)進(jìn)水蝶閥為手電兩用型式。進(jìn)水蝶閥銹蝕嚴(yán)重，活門密封損壞嚴(yán)重，漏水量很大，密封更換頻繁。操作機(jī)構(gòu)因銹蝕等原因運(yùn)行極不靈活，經(jīng)常出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，只能關(guān)閉進(jìn)水口檢修閘門進(jìn)行檢修；因此運(yùn)行維護(hù)極為不方便，且具有很大的安全隱患。

2.2　電站增效擴(kuò)容改造的必要性

(1)巖屋潭Ⅰ級(jí)水電站1979年投產(chǎn)發(fā)電，電站主要機(jī)電設(shè)備為我國計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代的產(chǎn)物，導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組主要性能參數(shù)與電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)不相匹配；且受當(dāng)時(shí)設(shè)備設(shè)計(jì)、制造水平、生產(chǎn)工藝等條件限制，產(chǎn)品存在許多不足，與現(xiàn)階段我國設(shè)備生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品存在較大性能差別。

(2)根據(jù)電站多年運(yùn)行情況看，目前裝機(jī)容量與來水量相比存在裝機(jī)容量偏小，特別是豐水期(4～8月降雨量占全年80%以上)存在大量棄水。

(3)巖屋潭Ⅰ級(jí)水電站水庫屬年調(diào)節(jié)水庫，合理聯(lián)合調(diào)度流域梯級(jí)電站及充分利用水能資源將給整個(gè)流域梯級(jí)電站創(chuàng)造較好的效益。

3　增效擴(kuò)容改造方案

3.1　明確增效擴(kuò)容改造內(nèi)容

根據(jù)電站的實(shí)際情況，結(jié)合電站管理單位的意見，本工程大壩除險(xiǎn)加固2011年已完成，在滿足大壩現(xiàn)有防洪保安、引水塔取水、引水壓力隧洞取水等要求，而且在不改變?cè)鞲睆S房尺寸、結(jié)構(gòu)的情況下更換所有主要機(jī)電設(shè)備和附屬設(shè)施，使電站的裝機(jī)容量盡量利用水能資源，實(shí)現(xiàn)電站增效擴(kuò)容改造后“無人值班(少人值守)”的運(yùn)行模式，從而降低運(yùn)行成本，創(chuàng)造電站最大效益。

經(jīng)過對(duì)電站多年水文、水能復(fù)核以及運(yùn)行情況綜合分析比較，本次增效擴(kuò)容改造主要內(nèi)容是對(duì)引水壓力隧洞進(jìn)行抹面降糙；對(duì)水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速器、變電設(shè)備、電氣控制設(shè)備及相應(yīng)輔助設(shè)備進(jìn)行更新改造；對(duì)進(jìn)口蝶閥及附屬設(shè)施進(jìn)行更換；對(duì)電站廠房進(jìn)行維修改造完善管理設(shè)施，增設(shè)必要的工情及水力監(jiān)測設(shè)施。

巖屋潭Ⅰ級(jí)水電站增效擴(kuò)容改造后總裝機(jī)容量為3×4 000 kW，設(shè)計(jì)年保證出力(保證率P=90%)1 760 kW，多年平均發(fā)電量為3 650萬kW·h，年利用小時(shí)為3 040 h。

3.2　增效擴(kuò)容改造設(shè)計(jì)方案擬定

(1)水輪機(jī)

3臺(tái)水輪機(jī)全部更換，包括水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、大軸、頂蓋、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、金屬蝸殼、座環(huán)、尾水管等。增效擴(kuò)容水輪機(jī)改造很關(guān)鍵，水輪機(jī)的選型既要充分選擇適合巖屋潭Ⅰ級(jí)水電站運(yùn)行參數(shù)現(xiàn)狀，又要與現(xiàn)狀尾水管實(shí)際流道基本相吻合的高效率水輪機(jī)。根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有水輪機(jī)型譜以及多數(shù)廠家推薦，適合巖屋潭Ⅰ級(jí)水電站的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)為HLA551。

水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的擬定：根據(jù)水能資源復(fù)核計(jì)算結(jié)果和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑現(xiàn)狀，最大水頭50 m，最小水頭30 m，加權(quán)平均水頭41.5 m；原2臺(tái)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑1.34 m、額定水頭35.3 m和1臺(tái)轉(zhuǎn)輪直徑1.4 m、額定水頭30.5 m；原水輪機(jī)額定水頭是與電站實(shí)際運(yùn)行水頭范圍等參數(shù)不完全相適應(yīng)。依據(jù)增效擴(kuò)容后擬定水輪發(fā)電機(jī)組容量為3×4 000 kW和選定的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)HLA551模型綜合特性曲線選擇不同的額定水頭做綜合比較，最后選定2臺(tái)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑1.34 m，額定水頭38 m，額定流量11.9 m3/s，額定轉(zhuǎn)速375 r/min；1臺(tái)轉(zhuǎn)輪直徑1.4 m，額定水頭35 m，額定流量12.9 m3/s，額定轉(zhuǎn)速333.3 r/min。

3臺(tái)水輪機(jī)相應(yīng)模型綜合特性曲線運(yùn)行范圍和通過修正后水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線如下所示(見圖1～圖3)，此項(xiàng)工作需設(shè)備制造廠家模擬電站現(xiàn)狀流道做模型試驗(yàn)。

圖1　HLA551模型綜合特性曲線運(yùn)行范圍

圖2　水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線(D=1.34 m)

圖3水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線(D=1.4m)

水輪機(jī)安裝高程復(fù)核：根據(jù)選定的模型綜合特性曲線，水輪機(jī)最大允許吸出高度分別為+4.41 m和+4.61 m。

新選定的水輪發(fā)電機(jī)組安裝高程分別應(yīng)為：

機(jī)組安裝高程主要取決于轉(zhuǎn)輪最大吸出高度，而最大吸出高度主要決定于轉(zhuǎn)輪模型氣蝕系數(shù)。從以上兩式計(jì)算的結(jié)果可以看出，增容改造后機(jī)組安裝高程比原實(shí)際安裝高程高，按原實(shí)際安裝高程更有利于機(jī)組抗氣蝕。另外，為防止因機(jī)組安裝高程的變化影響廠房結(jié)構(gòu)變化，確定增容改造后機(jī)組安裝高程維持原安裝高程126.1 m不變。

水輪機(jī)部分其他特別要求：根據(jù)電站水質(zhì)等特殊情況，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪為不銹鋼材料，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中心線以下過流部件表面鍍不銹鋼材料厚度不小于5 mm；金屬蝸殼壁厚不小于10 mm，因金屬蝸殼為半埋入式，埋入混凝土部分需增設(shè)足夠的加強(qiáng)筋板；更換的新尾水錐管里襯與原尾水管彎肘管需平滑過渡。

(2)發(fā)電機(jī)

3臺(tái)發(fā)電機(jī)全部更換，包括發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、大軸、軸承、上機(jī)架、下機(jī)架等。增效擴(kuò)容發(fā)電機(jī)的改造需重點(diǎn)注意以下幾點(diǎn)要求：發(fā)電機(jī)的絕緣等級(jí)由B級(jí)改為F級(jí)；發(fā)電機(jī)的冷卻方式由風(fēng)冷改為采用空氣冷卻器水冷方式，因發(fā)電機(jī)機(jī)坑尺寸有限，空氣冷卻器外形尺寸做成扁平菱型狀結(jié)構(gòu)形式，封堵原發(fā)電機(jī)的冷卻排風(fēng)通道；適當(dāng)增加發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量，使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量能滿足調(diào)保計(jì)算要求；復(fù)核原發(fā)電機(jī)定子基礎(chǔ)螺栓強(qiáng)度，盡量利用原定子基礎(chǔ)螺栓，防止破壞原發(fā)電機(jī)機(jī)墩結(jié)構(gòu)。

發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的擬定：根據(jù)水輪機(jī)的選型，水輪發(fā)電機(jī)組同步轉(zhuǎn)速選定2臺(tái)發(fā)電機(jī)的型號(hào)為SF4000—16/3250，額定轉(zhuǎn)速375 r/min，額定電壓6.3 kV，額定電流458.2 A；1臺(tái)SF4000—18/3250，額定轉(zhuǎn)速333.3 r/min，額定電壓6.3 kV，額定電流458.2 A。

(3)調(diào)速器及油壓裝置

3臺(tái)套調(diào)速器及油壓裝置全部更換，調(diào)速器及油壓裝置采用高油壓蓄能式組合式結(jié)構(gòu)，型號(hào)為YWT—PLC—2500—16，油壓為16 MPa。調(diào)速器的配置中要求增設(shè)事故配壓閥和分段關(guān)閉裝置，這種調(diào)速器靈敏度以及可靠性較高，取消了傳統(tǒng)的高壓補(bǔ)氣裝置和高壓補(bǔ)氣設(shè)施，占地小，整體美觀且操作方便。

(4)進(jìn)水閥

3臺(tái)套進(jìn)口蝶閥全部更換，進(jìn)口蝶閥采用蓄能式液控蝶閥，型號(hào)為1750HD741H—10VK—YYZ， 油壓為16 MPa。此蝶閥的蝶板采用雙偏心自關(guān)閉結(jié)構(gòu)，能確保緊急情況下配合動(dòng)水自動(dòng)關(guān)閉閥門，大大提高了關(guān)閥的可靠性。蝶閥主密封采用金屬硬密封結(jié)構(gòu)，取消了傳統(tǒng)的橡膠密封結(jié)構(gòu)，大大減少了維護(hù)和檢修工作量。

(5)電氣部分

變電設(shè)備、電氣控制設(shè)備及相應(yīng)附屬設(shè)備進(jìn)行全面更新改造，電氣部分的更新基本屬現(xiàn)行常規(guī)的配置，原設(shè)備布置的空間及位置均滿足更新改造后新設(shè)備要求。電氣設(shè)備的選擇應(yīng)本著節(jié)能降耗以及滿足“五防”要求為原則，實(shí)現(xiàn)電站增效擴(kuò)容改造后“無人值班(少人值守)”的運(yùn)行模式。

(6)其他附屬設(shè)施

因調(diào)速器和液控蝶閥均采用了高壓自動(dòng)補(bǔ)氣蓄能式組合式結(jié)構(gòu)，取消原中壓氣機(jī)室所有設(shè)施；發(fā)電機(jī)的冷卻方式由風(fēng)冷改為采用空氣冷卻器水冷方式，增設(shè)取至蝶閥前壓力引水管冷卻水管及相應(yīng)過濾設(shè)備和減壓閥等；發(fā)電機(jī)機(jī)坑增設(shè)2根冷卻水環(huán)管，其冷卻水排水管在蝸殼和尾水管施工時(shí)接至尾水肘管；起吊設(shè)施滿足起重要求，只需簡單維護(hù)即可用。

4　增效擴(kuò)容改造實(shí)施

巖屋潭Ⅰ級(jí)水電站水庫屬年調(diào)節(jié)水庫，為了在增效擴(kuò)容改造實(shí)施中不影響正常發(fā)電，盡量利用水資源，改造工程實(shí)施根據(jù)電站要求以及改造工程量和工期的需要；工程實(shí)施需在枯水季節(jié)進(jìn)行的，且跨兩個(gè)年度枯水季節(jié)完成。2013年7月利用自籌資金完成了全部設(shè)備招標(biāo)，2013年10月至2014年2月完成了所有電氣設(shè)備和1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組施工，2014年11月至2015年2月完成了2～3號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組施工，2015年3月增效擴(kuò)容改造工程全部實(shí)施完成。項(xiàng)目改造實(shí)施中特別注意了以下幾點(diǎn)要求：

(1)設(shè)備招標(biāo)時(shí)主要設(shè)備必須是專業(yè)廠家并分別采購，充分考慮設(shè)備制造周期、土建施工以及機(jī)電設(shè)備安裝施工周期。比如，為了不影響2～3號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組2014年1月能正常發(fā)電，2013年10月至2013年12月完成了所有電氣設(shè)備安裝施工；同時(shí)完成了1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組蝸殼、尾水錐管基礎(chǔ)開挖以及尾水肘管和尾水管出口段部分撤除與修復(fù)施工，并完成了座環(huán)、蝸殼、尾水錐管組裝工作。2014年2月完成了1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備施工安裝任務(wù)，1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組改造完成投入商業(yè)運(yùn)行。2014年11月至2014年12月完成了2～3號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組蝸殼、尾水錐管基礎(chǔ)開挖以及尾水肘管和尾水管出口段部分撤除與修復(fù)施工，并完成了座環(huán)、蝸殼、尾水錐管組裝工作。2015年2月完成了2～3號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備施工安裝任務(wù)，2～3號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組改造完成投入商業(yè)運(yùn)行。

(2)土建施工必須對(duì)原有建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的復(fù)核，盡可能利用原有建筑物，減小拆除重建工作量。比如，為了滿足改造后因蝸殼、尾水錐管基礎(chǔ)鑿除以及尾水肘管和尾水管出口段部分撤除與修復(fù)施工后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，要求尾水肘管和尾水管出口段修復(fù)必須增加混凝土強(qiáng)度；蝸殼、尾水錐管基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度加強(qiáng)且在原混凝土與蝸殼、尾水錐管間需增加加強(qiáng)筋連接，以滿足改造后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

5　改造效果

巖屋潭Ⅰ級(jí)水電站增效擴(kuò)容改造完成后可謂是煥然一新：設(shè)備性能、綜合自動(dòng)化、發(fā)電效益、生產(chǎn)、生活環(huán)境均得到很大提高和改善。

(1)2015年3月2日，巖屋潭Ⅰ級(jí)水電站3臺(tái)機(jī)組改造完成后做了三機(jī)一管甩負(fù)荷試驗(yàn)。3臺(tái)機(jī)組分別帶25%、50%、75%、100%負(fù)荷同時(shí)做甩負(fù)荷試驗(yàn)，甩100%負(fù)荷1號(hào)機(jī)、2號(hào)機(jī)、3號(hào)機(jī)蝸殼壓力升高分別為53.3%、55.8%、51.6%，轉(zhuǎn)速升高分別為51.1%、52.4%、44.8%；甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果均在規(guī)范要求范圍內(nèi)且結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于改造前甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果，所有設(shè)備運(yùn)行正常且可靠。

(2)改造完成后巖屋潭Ⅰ級(jí)水電站實(shí)現(xiàn)了“無人值班(少人值守)”的運(yùn)行模式，每班由改造前8個(gè)人值班改為現(xiàn)在由2個(gè)人值守，大大節(jié)省了人力資源。

(3)電站裝機(jī)容量由9 200 kW增至12 000 kW，且3臺(tái)機(jī)組均能超負(fù)荷運(yùn)行。2015—2017年每年的發(fā)電量分別為3 613、3 962、3 795萬kW·h，改造后3 a平均年發(fā)電量達(dá)到3 790萬kW·h，年利用小時(shí)為3 158 h。相比改造前裝機(jī)容量增加30%，年均發(fā)電量增加50%以上，電站效益得到明顯提高。

6　結(jié)　語

通過對(duì)巖屋潭Ⅰ級(jí)水電站的增效擴(kuò)容改造，給計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代利用拆遷設(shè)備運(yùn)行的老電站增效擴(kuò)容改造提供了很好的經(jīng)驗(yàn)，提高了水能資源的利用，增加了發(fā)電收益。同時(shí)，提高了設(shè)備質(zhì)量和可靠性與自動(dòng)化水平，電站管理及運(yùn)行人員的技術(shù)水平有了一個(gè)質(zhì)的飛躍，為新時(shí)代改造電站可持續(xù)發(fā)展提供了最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。