佟公壩水電站增效節(jié)能技術(shù)改造與實(shí)施方案

常小平

(宣城市宣州區(qū)水利局，安徽 宣城 242000)

0 引 言

一些河床式低水頭電站經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，由于河道變遷等原因，其運(yùn)行水頭發(fā)生明顯變化，機(jī)組運(yùn)行工況較大偏離設(shè)計(jì)工作點(diǎn)，導(dǎo)致水輪機(jī)效率低下。分析電站運(yùn)行情況并有針對(duì)性地實(shí)施增效節(jié)能技術(shù)改造，將大幅提高電站發(fā)電效率，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

1.1 佟公壩樞紐

佟公壩水利樞紐位于水陽(yáng)江干流上游與中游交界處，上游46.9 km處建有港口灣水庫(kù)，控制面積1 120 km2，總庫(kù)容9.41億m3，下游21.2 km處建有宣城水文站。該水利樞紐為有壩引水灌溉工程，攔河壩壩體形式為曲線型實(shí)用堰，平面布置形式為“Ω”形迷宮堰，壩高3 m，壩長(zhǎng)330 m，灌區(qū)受益面積10萬(wàn)畝，人口6萬(wàn)人。

1.2 佟公壩水電站

佟公壩水電站興建于本世紀(jì)初，為徑流式水電站，依托佟公壩樞紐形成的落差，利用灌溉富余水量發(fā)電。佟公壩上游來(lái)水面積3 100 km2，電站總裝機(jī)容量4×800 kW，設(shè)計(jì)最大水頭4.0 m，最小水頭2.5 m，額定水頭3.0 m，設(shè)計(jì)發(fā)電流量135.2 m3/s，年發(fā)電量1 120萬(wàn)kW·h。

佟公壩水電站共安裝4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)型號(hào)為GD008—WZ—260φ25°，額定轉(zhuǎn)速119 r/min；轉(zhuǎn)輪模型GD008—φ25°，葉片安裝角為25°；發(fā)電機(jī)型號(hào)為SFW800—8/1180，額定轉(zhuǎn)速750 r/min。水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)間采用行星齒輪增速器連接，增速比1∶6.3。

2 電站設(shè)計(jì)條件與運(yùn)行現(xiàn)狀

根據(jù)《宣城市佟公壩水電站工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，水電站設(shè)計(jì)運(yùn)行水位由佟公壩灌溉樞紐運(yùn)行條件擬定，佟公壩壩頂高程25.00 m(吳淞高程系，下同)，水電站設(shè)計(jì)運(yùn)行水位采用24.50 m。設(shè)計(jì)尾水位由尾水渠參數(shù)及匯入河道處水位分析計(jì)算確定，尾水渠設(shè)計(jì)底寬60 m，縱比降1/3 000，渠首底高程19.50 m(見(jiàn)圖1)。

圖1 尾水渠首H～Q曲線

佟公壩水電站于2004年5月建成發(fā)電，運(yùn)行初期由于運(yùn)行管理不善等原因，一度發(fā)電量不足1 000萬(wàn)kW·h。2008年后逐步達(dá)到設(shè)計(jì)水平，目前由于發(fā)電水頭增加，年發(fā)電量可達(dá)1 200～1 300萬(wàn)kW·h。

近年來(lái)，水陽(yáng)江流域水土保持工作不斷加強(qiáng)，加之河道采沙影響，河床下切，發(fā)電尾水位顯著降低。經(jīng)2019年3月實(shí)測(cè)，電站1～4臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行尾水位分別為19.00、19.50、19.90 m和20.30 m，平均下降約1.2 m。電站投入運(yùn)行初期，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度為80%左右，目前機(jī)組出力800 kW狀態(tài)下導(dǎo)葉開(kāi)度僅50%。根據(jù)電站目前實(shí)際運(yùn)行水頭，按水輪機(jī)相似理論計(jì)算單位參數(shù)查水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型特性曲線，水輪機(jī)運(yùn)行工況明顯偏離設(shè)計(jì)工作點(diǎn)，運(yùn)行效率大幅下降，造成較大的水能資源浪費(fèi)。經(jīng)分析認(rèn)為，電站具備增效潛力，對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

3 設(shè)備技改方案

3.1 技改范圍

由于電站運(yùn)行尾水位下降，發(fā)電水頭加大，水能蘊(yùn)藏量增加，技改首先分析電站增容的合理性及必要性。

電站設(shè)計(jì)總裝機(jī)容量3 200 kW，年均發(fā)電量1 120萬(wàn)kW·h，相應(yīng)設(shè)備年利用小時(shí)3 500 h，初步設(shè)計(jì)總裝機(jī)容量相對(duì)充裕。另外，目前正在實(shí)施的國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目港口灣水庫(kù)灌區(qū)工程將增加用水量19.8 m3/s，占佟公壩多年平均來(lái)水流量的25%，電站可用水量(富余水量)相應(yīng)減少。

綜合分析認(rèn)為，電站總裝機(jī)容量基本滿足水能開(kāi)發(fā)利用要求，增容必要性不足，本次技改暫不采取增容措施，僅對(duì)水輪機(jī)及相關(guān)輔助設(shè)備進(jìn)行增效節(jié)能技術(shù)改造。

3.2 技改措施

電站水輪機(jī)型號(hào)為GD008—WZ—260φ25°，轉(zhuǎn)速119 r/min，額定水頭3.0 m，流量33.8 m3/s，效率84%，額定功率855 kW(見(jiàn)圖2)。根據(jù)實(shí)測(cè)尾水位數(shù)據(jù)計(jì)算，目前實(shí)際運(yùn)行平均凈水頭4.2 m，導(dǎo)葉開(kāi)度50%左右即達(dá)額定輸出。

圖2 GD008—φ25°轉(zhuǎn)輪特性曲線

根據(jù)水輪機(jī)相似理論計(jì)算，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪初步設(shè)計(jì)工況單位轉(zhuǎn)速179 r/min，單位流量2.85 m3/s，效率84%；技術(shù)改造前實(shí)際運(yùn)行工況單位轉(zhuǎn)速151 r/min，單位流量2.02 m3/s，效率約73%。

針對(duì)本電站具體情況，水輪機(jī)技術(shù)改造的核心是改變轉(zhuǎn)輪葉片安裝角，同時(shí)通過(guò)改變?cè)鏊倨髟鏊俦日{(diào)整水輪機(jī)轉(zhuǎn)速，使水輪機(jī)在現(xiàn)狀水頭下高效運(yùn)行，以增加電站發(fā)電量。

3.2.1 技改參數(shù)

(1)水輪機(jī)葉輪特性參數(shù)

GD008—WZ—260φ25°水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型為定槳式轉(zhuǎn)輪，欲改變其葉片安裝角，性能參數(shù)只能參照GZ008轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線(見(jiàn)圖3)。依據(jù)實(shí)測(cè)尾水位及設(shè)計(jì)發(fā)電水位數(shù)據(jù)，擬定水輪機(jī)技改參數(shù)為額定水頭4.2 m，額定功率855 kW。在擬定的額定參數(shù)工況條件下，通過(guò)相似理論換算，選擇葉輪最佳工作點(diǎn)，是水輪機(jī)增效節(jié)能技改的技術(shù)核心。查圖3，滿足出力要求的最高效率理論上可達(dá)88.8%，單位流量1.69 m3/s，單位轉(zhuǎn)速180 r/min，葉片安裝角10°，由出力公式、相似理論計(jì)算，水輪機(jī)額定流量23.4 m3/s，額定轉(zhuǎn)速142 r/min。

圖3 GZ008轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線

(2)推力軸承復(fù)核

由于設(shè)計(jì)水頭增加，技改后葉輪水推力將由156 kN增大到218 kN，原推力軸承不能滿足技改后工況運(yùn)行要求，須更換推力軸承；或者優(yōu)化推力軸承運(yùn)行參數(shù)，提升軸承承載力。

水輪機(jī)推力軸承為平面滑動(dòng)推力瓦結(jié)構(gòu)，系流體動(dòng)力潤(rùn)滑軸承，其承載力為：

F=ηωCp/ψ2=η2πnCp/ψ2

式中，F(xiàn)為承載力；η為潤(rùn)滑油粘度；n為轉(zhuǎn)速；Cp為承載量系數(shù)；ψ為相對(duì)間隙。

提高轉(zhuǎn)速可增大軸承承載力。技改前水輪機(jī)轉(zhuǎn)速119 r/min，技改后轉(zhuǎn)速166 r/min，可滿足推力軸承承載力要求。由出力公式、相似理論計(jì)算，該工況點(diǎn)單位流量1.71 m3/s，單位轉(zhuǎn)速211 r/min；查圖3得，對(duì)應(yīng)葉片安裝角8°，效率87.7%。

(3)增速器參數(shù)

技改前水輪機(jī)轉(zhuǎn)速119 r/min，增速器增速比1∶6.3。因水輪機(jī)轉(zhuǎn)速改變，為匹配發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，須改變?cè)鏊倨髟鏊俦?。發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為750 r/min，對(duì)應(yīng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速166 r/min，增速器增速比為1∶4.5。

(4)抗氣蝕性能復(fù)核

由于尾水位下降，葉片安裝角度調(diào)整以及轉(zhuǎn)速改變，致使葉輪氣蝕余量發(fā)生變化，須對(duì)水輪機(jī)技改后抗氣蝕條件進(jìn)行復(fù)核?？箽馕g性能復(fù)核是根據(jù)水輪機(jī)的安裝高程復(fù)核水輪機(jī)的吸出高度，與葉輪氣蝕系數(shù)、大氣壓力、氣溫和設(shè)計(jì)水頭有關(guān)。根據(jù)GD008轉(zhuǎn)輪氣蝕系數(shù)及相關(guān)工作參數(shù)計(jì)算，最大吸出高度為2.8 m。查電站竣工圖資料,水輪機(jī)安裝高程為19.60 m，對(duì)應(yīng)現(xiàn)狀最低運(yùn)行尾水位,吸出高度為0.7 m，本技改方案抗氣蝕性能完全滿足要求。

3.2.2 技改措施

佟公壩水電站為軸伸貫流定槳式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪葉片與輪轂之間為電焊連接，推力軸承為獨(dú)立軸承箱結(jié)構(gòu)，水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)間由增速器連接。此類水輪發(fā)電不增容技改措施一般為更換葉輪、推力軸承及增速器。

(1)技改措施分析

葉輪改造是本次增效節(jié)能技改的核心。技改參數(shù)分析顯示，葉輪葉片安裝角可選擇10°或8°，前者效率更高，后者對(duì)推力軸承工況有利。

軸伸貫流式水輪機(jī)推力軸承及軸承箱為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，預(yù)埋件澆筑在廠房電機(jī)層混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，總體結(jié)構(gòu)價(jià)格較高，安裝調(diào)試施工難度較大；并且二次澆注混凝土周期長(zhǎng)，技改設(shè)備購(gòu)置、安裝費(fèi)用高且施工期發(fā)電損失大。根據(jù)前文中的分析計(jì)算，選擇水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速166 r/min，可以不更換推力軸承。該方案葉片安裝角8°，效率較安裝角10°略低，年均少發(fā)電約18萬(wàn)kW·h；但可減少推力軸承設(shè)備采購(gòu)、安裝費(fèi)及施工期發(fā)電損失共110萬(wàn)元。經(jīng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)方案比選，確定不更換推力軸承；與該方案匹配的增速器增速比為1∶4.5。

(2)技改方案實(shí)施

需要改造的部件為葉輪與增速器兩部分，經(jīng)與水輪機(jī)制造廠溝通，更換葉輪造價(jià)高、工期長(zhǎng)。結(jié)合本電站現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)條件和經(jīng)濟(jì)狀況，為進(jìn)一步節(jié)約費(fèi)用且縮短工期，最終采取現(xiàn)場(chǎng)直接更改葉片安裝角的實(shí)施方案。水輪機(jī)葉輪共有3片葉片，葉片、輪轂分別為不銹鋼、碳鋼材質(zhì)，兩者之間為電焊連接。施工時(shí)先將欲調(diào)整的葉片旋轉(zhuǎn)至向上位置，在葉片外緣中心(葉片軸線位置)焊接1個(gè)轉(zhuǎn)軸，利用套管和支架將轉(zhuǎn)軸固定在水輪機(jī)導(dǎo)水喉管上；然后用等離子切割機(jī)將葉片與輪轂之間的電焊切開(kāi)。根據(jù)葉片幾何尺寸計(jì)算調(diào)整角度參數(shù)，并精確定位后，再用二氧化碳保護(hù)焊機(jī)將葉片與輪轂焊接牢固，將焊點(diǎn)表面打磨光滑、葉片外圓修整平順，完成1片葉片角度調(diào)整。用同樣的方法分別調(diào)整另外2片葉片，即完成葉輪技改。

增速器改造，施工難點(diǎn)是安裝調(diào)試。經(jīng)與原設(shè)備制造廠溝通，確定的設(shè)備技改方案為：重新設(shè)計(jì)、制造內(nèi)部齒輪和軸承，通過(guò)更新傳動(dòng)零件參數(shù)改變?cè)鏊俦?，外殼和相關(guān)連接部件仍用原件。此方案下設(shè)備外觀尺寸和安裝參數(shù)維持不變，安裝調(diào)試過(guò)程極大簡(jiǎn)化。

4 技改后實(shí)際運(yùn)行效果

先對(duì)1、2號(hào)機(jī)組進(jìn)行技改，經(jīng)與未改造的3、4號(hào)機(jī)組對(duì)比運(yùn)行，改造后機(jī)組效率顯著提高。依據(jù)運(yùn)行工況分別查GD008—φ25°、GZ008轉(zhuǎn)輪特性曲線，技改前水輪機(jī)效率約73%，技改后達(dá)88%。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，當(dāng)進(jìn)水口水位為24.2 m時(shí)，1、2號(hào)機(jī)組1、2臺(tái)滿負(fù)荷運(yùn)行尾水位分別為18.90、19.35 m；3、4號(hào)機(jī)組1、2臺(tái)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)尾水位分別為19.00、19.50 m。在電站上游基本沒(méi)有來(lái)水的情況下，利用壩前蓄水量發(fā)電，壩前水位24.5 m時(shí)，1、2號(hào)機(jī)組2臺(tái)滿負(fù)荷運(yùn)行1.5 h實(shí)測(cè)壩前水位降低0.26 m；同樣情況3、4號(hào)機(jī)組運(yùn)行降低0.31 m。

查尾水渠現(xiàn)狀H～Q曲線，技改后1、2號(hào)機(jī)組實(shí)際單機(jī)流量為23 m3/s左右，未技改的3、4號(hào)機(jī)實(shí)際單機(jī)流量為28 m3/s左右；技改前后機(jī)組運(yùn)行實(shí)測(cè)壩前水位的下降速度，也印證了機(jī)組流量的變化。技改后機(jī)組效率提升20%。

經(jīng)1、2號(hào)機(jī)組技改完成后1年多的運(yùn)行觀測(cè)，效果完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行正?？煽?，檢查葉輪、推力軸承，未發(fā)現(xiàn)氣蝕、不正常磨損等現(xiàn)象。隨后，對(duì)3、4號(hào)機(jī)組進(jìn)行了技術(shù)改造，技術(shù)參數(shù)和施工方案與1、2號(hào)機(jī)組相同。

佟公壩水電站技改前、后發(fā)電引用流量分別為112 m3/s與92 m3/s，單位電能耗水量分別為126 m3/kW·h和104 m3/kW·h，年均灌溉富余水量20.4億m3，水量利用率略有降低。技改前、后電站水量利用率分別為77%和75%，但發(fā)電量顯著增加，相應(yīng)年均發(fā)電量分別為1 247萬(wàn)kW·h和1 471萬(wàn)kW·h。

佟公壩水電站節(jié)能增效技改工程葉輪改造人工費(fèi)和材料費(fèi)每臺(tái)13萬(wàn)元，增速器材料購(gòu)買和安裝費(fèi)12.5萬(wàn)元，包括其他費(fèi)用，總計(jì)每臺(tái)費(fèi)用28萬(wàn)元，4臺(tái)機(jī)組合計(jì)112萬(wàn)元，年均增加發(fā)電量224萬(wàn)kW·h，技改產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

5 結(jié) 語(yǔ)

水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)改造涉及水工結(jié)構(gòu)、水能轉(zhuǎn)換、機(jī)械動(dòng)力傳遞、電機(jī)電氣等多專業(yè)，技術(shù)復(fù)雜施工要求高。每座水電站的實(shí)際情況不盡相同，技改方案的擬定應(yīng)充分考慮電站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)條件和施工水平。

佟公壩水電站水輪機(jī)增效節(jié)能技改方案充分考慮了推力軸承工作條件，同時(shí)對(duì)增速器進(jìn)行了最為經(jīng)濟(jì)可行的配套改造，并仔細(xì)復(fù)核了推力軸承的溫升和水輪機(jī)安裝高程；核心措施為調(diào)整轉(zhuǎn)輪葉片安裝角度，以優(yōu)化水輪機(jī)工作點(diǎn)、提高運(yùn)行效率。改造過(guò)程中采用現(xiàn)場(chǎng)加工取代返廠制造的方式，具有造價(jià)低、工期短的優(yōu)勢(shì)；但需要注意的是該方案施工技術(shù)要求高、重復(fù)性差。

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