對港二期電站水輪機增效擴容改造研究與實踐

李崇智，翟光耀

(1.廣東粵海珠三角供水有限公司，廣東 廣州 511458；2.廣東粵港供水有限公司，廣東 深圳 518021)

1 電站概況及機組參數(shù)

對港二期電站位于深圳水庫下游，利用由深圳水庫向香港供水的流量和落差發(fā)電。電站為壩后式，安裝兩臺型號相同的混流立式水輪發(fā)電機組，單機額定容量為1 600 kW，1984年投入運行，年均發(fā)電量1 400 萬KWh，年均利用小時數(shù)5 312 h。

對港二期電站通過“一管雙機”的方式從深圳水庫引水發(fā)電。深圳水庫設(shè)計正常蓄水位為27.6 m，最低運行水位22 m，死水位19 m。對港二期電站尾水經(jīng)尾水渠流入向香港供水的供水總管，不受洪水影響，二期電站設(shè)計供水量為 18.4 m3/s 時相應(yīng)尾水位7.2 m。對港二期電站機組主要參數(shù)如表1所示。

表1 對港二期電站機組主要參數(shù)

2 水輪機技術(shù)改造的必要性

基于以下原因，對對港二期電站機電設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造是十分必要的。

(1)機電設(shè)備老化。對港二期電站投運近30年，水輪機導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)、導(dǎo)葉部件均出現(xiàn)銹蝕磨損，導(dǎo)葉各配合間隙超標(biāo)，造成導(dǎo)水機構(gòu)漏水嚴(yán)重，甚至有時出現(xiàn)停機剎車投入后仍無法關(guān)停機組的狀況。

(2)HL260型水輪機效率水平太低。HL260型水輪機是美國30年代的技術(shù)，其水輪機模型主要水力參數(shù)如表2所示。與現(xiàn)代水平相比，HL260型水輪機模型效率約低8%以上，水輪機過流能力約低20%，早已屬于淘汰技術(shù)。

表2 HL260-25型水輪機主要水力參數(shù)表(普通彎肘型尾水管)

(3)電站實際運行水頭偏高，水輪機運行工況長期偏離最優(yōu)區(qū)。深圳水庫水位實際常在25.28～27.38 m間變化，對港二期電站實際運行的尾水位低于原設(shè)計值，在4.0～5.8 m間變化。電站實際運行毛水頭范圍為20.5～23.0 m，運行的平均凈水頭在為21.5 m，對應(yīng)的水輪機單位轉(zhuǎn)速為67 r/min，顯著偏離水輪機最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速，使得水輪機長期低效率運行[1]。在21.5 m凈水頭下，HL260-LJ-145型水輪機(n=214.3 r/min)的效率與出力隨流量的變化曲線如圖1和圖2所示。

圖1 水輪機效率隨流量的變化曲線(H=21.5 m)

圖2 機組出力隨流量的變化曲線(H=21.5 m)

(4)供水流量經(jīng)常大于兩臺水輪機過流量，水力資源未被充分利用。對港二期電站為利用供水發(fā)電，當(dāng)對港二期出現(xiàn)的供水流量為20～30 m3/s情況時，受發(fā)電機容量的限制，在20 m凈水頭下，兩臺水輪機的最大過流量為20 m3/s，致使部分供水流量不得不通過旁通管下泄至尾水渠。水力資源未被充分利用。

3 水輪機技術(shù)改造方案

經(jīng)過對對港二期電站實際情況的綜合分析與比較，確定水輪機的技術(shù)改造方案[2-5]如下：

(1)改造內(nèi)容：除保留蝸殼、座環(huán)及尾水管等埋入部件外，更換其他所有部件。

(2)水輪機額定水頭提高至20 m。由于蝸殼進(jìn)口與尾水管的位置、尺寸不宜改變，因此新的水輪機選型受到限制。電站現(xiàn)實際經(jīng)常運行毛水頭范圍20～23 m，與原設(shè)計水頭范圍存在較大偏差，最常出現(xiàn)的供水流量實際在20～30 m3/s之間；按照現(xiàn)階段水輪機制造水平，理論上轉(zhuǎn)輪直徑1 450 mm，本水頭段的單機容量可達(dá)到近2 500 kW；但由于受限于對港供水管道的過流量，同時考慮到改造后機組的發(fā)電機基礎(chǔ)及廠房土建部分的承載力等因素，本次改造將流量維持在原額定流量12 m3/s左右，額定水頭提高到20 m。

(3)機組額定轉(zhuǎn)速提高至250 r/min。若采用原額定轉(zhuǎn)速214.3 r/min不變，水輪機、發(fā)電機軸不用更換，發(fā)電機僅更換定子線圈、轉(zhuǎn)子磁極、空冷器(含測溫儀表)、碳刷及集電環(huán)、轉(zhuǎn)子引線、自動化元件，推力軸承采用金屬塑料瓦，定子需運回廠進(jìn)行處理，其他部件可直接在電站進(jìn)行更換和安裝，改造后水輪機額定點效率可提高到89%，發(fā)電機絕緣等級提高至F級；同樣的水輪機，若額定轉(zhuǎn)速提高到250 r/min，水輪機、發(fā)電機軸均將更換，發(fā)電機除機座外全換，水輪機額定效率可提高至93%以上，同時由于轉(zhuǎn)速提高，發(fā)電機尺寸減小，對發(fā)電機基礎(chǔ)及廠房土建部分的承載有利。比較兩個方案，250 r/min方案(發(fā)電機及主軸等全換)在設(shè)備價格上比214.3 r/min方案(發(fā)電機部件部分更換)高出近100萬元，但若考慮拆卸、運輸、部件重新試驗檢驗鑒定等費用，214.3 r/min方案優(yōu)勢不明顯，且250 r/min方案水輪機效率可相對提高約4%，因此，推薦額定轉(zhuǎn)速250 r/min方案。

(4)機組額定出力提高至2 000 kW。經(jīng)研究，對港二期電站改造可選用的水輪機型號有HLD260B-LJ-145和HLTF50-LJ-145，這兩種機型導(dǎo)葉高度與原有機型一樣，機組容量可增至2 000 kW，水輪機僅更換轉(zhuǎn)輪即可。

(5)根據(jù)以上約束條件優(yōu)化設(shè)計水輪機技改轉(zhuǎn)輪。

4 水輪機技術(shù)改造效果

(1)計算分析結(jié)果。分析計算結(jié)果表明，在平均水頭21.5 m下，技改前、后水輪機的效率隨流量的變化曲線如圖1所示，可以看出，不同過流量下水輪機的運行效率可以提高5%～8%；技改前、后機組的出力隨流量的變化曲線如圖2所示，可以看出，不同過流量下機組的出力可以提高50～150 kW；機組最大出力可以提高至2 000 kW。

(2)實際運行結(jié)果。技改后的對港二期電站兩臺機組相繼于2016年4月投產(chǎn)發(fā)電，機組運行穩(wěn)定。為比較水輪機技改前后的效率變化情況[6]，我們選取了上游水位相近的二期電站技改前、后的相關(guān)參數(shù)如表3和表4所示。

表3 技改前二期電站運行參數(shù)表

表4 技改后二期電站運行參數(shù)表

從表3和表4可以看出，通過技改，單位毛水頭下每一千方水的平均發(fā)電量從1.99提高至2.20，相對提高約10.5%，效果十分明顯。

5 結(jié) 語

(1)通過本次對港二期電站機組及其輔助設(shè)備、電氣設(shè)備、保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)的改造，不僅能解決設(shè)備老化問題，使電站穩(wěn)定運行，提高運行的安全性、可靠性以及自動化水平，達(dá)到供水系統(tǒng)整體運行水平的一致性，而且能減少日常維護(hù)和檢修工作量，提高生產(chǎn)效率，并可實現(xiàn)“無人值班、少人值守”的運行管理模式。

(2)技改后機組額定出力提高至2 000 kW，相對提高25%；水輪機的運行效率可以提高5%～8%，相同流量下機組出力可以提高50～150 kW。單位毛水頭下每一千方水的平均發(fā)電量從1.99提高至2.20，相對提高約10.5%。通過技改，顯著提高了水力資源的利用率。按原來平均每年總發(fā)電量1 650 萬kWh計算，改造后一年能新增電量約173 萬kWh,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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參考文獻(xiàn)：

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