LSW水電站水輪機(jī)增效擴(kuò)容改造技術(shù)研究

劉振龍，安 剛

(1.新疆額爾齊河斯流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概 述

LSW水電站位于新疆北部，采用壩后引水式開發(fā)，裝機(jī)容量為4×8 MW。電站實(shí)際運(yùn)行水頭比原機(jī)組額定水頭高的時間較多，實(shí)際運(yùn)行條件與機(jī)組不匹配，導(dǎo)致原機(jī)組經(jīng)常需要超負(fù)荷發(fā)電，影響機(jī)組安全運(yùn)行及壽命，有增效擴(kuò)容潛力。目前電站部分機(jī)電設(shè)備老化，可靠性降低，水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行年份較久，電站效率較低，存在安全隱患。

(1)電站水能利用

從電站運(yùn)行多年的實(shí)際情況看，電站若要保持高水位運(yùn)行則棄水時間較多。上游近年已建大型水庫的調(diào)節(jié)作用，可以長期保持正常水位發(fā)電，運(yùn)行水頭比原水輪機(jī)額定工況水頭運(yùn)行高的時間較多，水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)經(jīng)常存在超負(fù)荷發(fā)電現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)組損耗較大、效率低、運(yùn)行不安全。電站水能利用和裝機(jī)容量都尚有增大的空間。

(2)機(jī)組運(yùn)行效率評價

電站裝有4臺水輪發(fā)電機(jī)組，型號為HLFN70—LJ—160，機(jī)組額定容量8 MW。近年來，由于機(jī)組水輪機(jī)氣蝕嚴(yán)重，且存在超發(fā)、設(shè)備老化等因素，機(jī)組效率下降。目前，在額定工況時，機(jī)組滿發(fā)出力時效率水平已低于88%，單位電能耗水率增大。由于機(jī)組效率低，嚴(yán)重影響了電站經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。

(3)電站增效擴(kuò)容的可行性評價

從充分利用水能和機(jī)組運(yùn)行效率提高方面來說，進(jìn)行增效擴(kuò)容是可行的。電站實(shí)施增效擴(kuò)容改造可增加發(fā)電效益，提高生產(chǎn)效率，消除安全隱患，非常有益于企業(yè)本身。同時，對于流域水能資源的充分利用、促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展和節(jié)能環(huán)保也十分有利。

2 水輪機(jī)改造基本原則

(1)嚴(yán)格執(zhí)行《小型水電站技術(shù)改造規(guī)程》，從實(shí)際出發(fā)，在不改變水庫水位、發(fā)電引水系統(tǒng)、水輪機(jī)安裝高程、機(jī)墩、水輪機(jī)蝸殼、座環(huán)和尾水管混凝土部分及埋件的前提下，優(yōu)先選用能量指標(biāo)先進(jìn)、空化性能特性優(yōu)良、運(yùn)行穩(wěn)定性好，并有改造成功實(shí)例的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，在優(yōu)先增效的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)容。

(2)由于本電站屬于改造工程，機(jī)組流道、尾水管、蝸殼、座環(huán)等結(jié)構(gòu)已確定。原機(jī)組的轉(zhuǎn)輪直徑為1.6 m，為保證流道及其埋件與改造后相匹配，本次更新改造新機(jī)組的轉(zhuǎn)輪直徑仍然保持在1.6 m左右，據(jù)此進(jìn)行機(jī)組選型設(shè)計。

3 水輪機(jī)選型分析

電站屬低水頭段中小型容量機(jī)組，目前國內(nèi)在滿足轉(zhuǎn)輪直徑為1.6 m左右時可用于該水頭段的轉(zhuǎn)輪中，工況較好的轉(zhuǎn)輪主要有A551、A904a、A551C、JF3636，各轉(zhuǎn)輪的模型參數(shù)如下所示(見表1)。

表1 模型轉(zhuǎn)輪基本參數(shù)

從表1中4個轉(zhuǎn)輪的模型參數(shù)可以得知，均在模型轉(zhuǎn)輪最大使用水頭范圍之內(nèi)。分別對4個轉(zhuǎn)輪進(jìn)行選型計算，其初選方案如下所示(見表2)。

表2 電站初選方案水輪機(jī)主要參數(shù)比較

從表2可以看出，A551轉(zhuǎn)輪與A904a轉(zhuǎn)輪在額定點(diǎn)滿負(fù)荷時氣蝕情況最好，但其轉(zhuǎn)速為333.3 r/min，與電站原機(jī)組轉(zhuǎn)速375 r/min不一致；同時轉(zhuǎn)輪直徑也偏離原機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑1.6 m較大。此次改造的基本原則是流道及其座環(huán)、尾水管等埋件不變動，轉(zhuǎn)輪直徑增加會造成轉(zhuǎn)輪與座環(huán)、尾水管等基礎(chǔ)埋件干涉。

因此，本項(xiàng)目不推薦采用A551及A904a這兩個轉(zhuǎn)輪。

相對而言，A551C和JF3636轉(zhuǎn)輪在各項(xiàng)水力參數(shù)上均能滿足電站增效擴(kuò)容的要求。下面就以上兩種方案機(jī)型的其他主要水力參數(shù)進(jìn)行比較，以便更好地選出最適用于本電站的機(jī)型。

首先，A551C轉(zhuǎn)輪模型最優(yōu)效率為93.55%，JF3636轉(zhuǎn)輪模型最優(yōu)效率為93.78%，JF3636轉(zhuǎn)輪比A551C轉(zhuǎn)輪模型最優(yōu)效率高0.23%。但A551C轉(zhuǎn)輪額定工況效率為93.13%，JF3636轉(zhuǎn)輪額定工況效率為93.01%，A551C轉(zhuǎn)輪比JF3636轉(zhuǎn)輪高0.12%。兩者各有優(yōu)劣，都能滿足電站增效擴(kuò)容的實(shí)際需求。

其次，就氣蝕性能來說，兩者數(shù)據(jù)基本接近，都優(yōu)于原電站的設(shè)計吸出高度，都能滿足電站安裝高程不變的需求。

再次，A551C和JF3636轉(zhuǎn)輪的導(dǎo)葉高度比分別為0.304、0.365，真機(jī)導(dǎo)葉高度分別為486.4、565.75，可以看出A551C轉(zhuǎn)輪的真機(jī)導(dǎo)葉高度更接近改造前機(jī)組的實(shí)際導(dǎo)葉高度496 mm，流道相對來說過渡更平滑，水力損失更小。

綜上所述，推薦采用A551C轉(zhuǎn)輪，改造前后水輪機(jī)初選參數(shù)對比如下所示(見表3)。

表3 水輪機(jī)初選參數(shù)對比

4 水輪機(jī)改造說明

(1)蝸殼、座環(huán)、尾水管等埋設(shè)部件仍保留使用。為滿足現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪與原有流道的匹配性，需要對尾水錐管進(jìn)行一定程度上的修復(fù)。原水機(jī)中心線至尾水管進(jìn)口高度尺寸為690 mm，尾水管進(jìn)口直徑φ1 618.8 mm,A551C轉(zhuǎn)輪中心至轉(zhuǎn)輪底平面高度尺寸為700 mm，轉(zhuǎn)輪出口直徑φ1 705 mm。為保證轉(zhuǎn)輪出口與尾水管的匹配性，需要在電站配割原有尾水管，再焊接如圖1尺寸φ1 705×145 mm的尾水套環(huán)(見圖1)。

圖1 尾水管進(jìn)口段改造裝配示意

(2)更換轉(zhuǎn)輪，整體采用不銹鋼材料。

(3)更換水輪機(jī)主軸、水導(dǎo)軸承。

(4)活動導(dǎo)葉需要根據(jù)轉(zhuǎn)輪重新設(shè)計更換，采用不銹鋼材料。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)全部重新設(shè)計更換改造，活動導(dǎo)葉各軸套采用鋼背自潤滑復(fù)合材料軸套。頂蓋、底環(huán)重新設(shè)計制造。

(5)原主軸密封裝置設(shè)置在主軸通過頂蓋的部位，結(jié)構(gòu)不合理，漏水量大，檢修困難，需要結(jié)合頂蓋的改造重新設(shè)計制造。

(6)原水輪機(jī)補(bǔ)氣裝置設(shè)置結(jié)構(gòu)不合理，轉(zhuǎn)輪氣蝕嚴(yán)重，需要結(jié)合水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)重新設(shè)計制造。

(7)應(yīng)根據(jù)電站原有機(jī)坑的尺寸，重新設(shè)計制造導(dǎo)葉接力器。

(8)應(yīng)根據(jù)電站的調(diào)速器系統(tǒng)、自動化和油氣系統(tǒng)配置進(jìn)行改造。

(9)水輪機(jī)的設(shè)備零部件需要根據(jù)機(jī)組拆除后的實(shí)際情況進(jìn)行更新或者翻新處理。

5 結(jié) 語

針對電站的具體運(yùn)行狀況,進(jìn)行因地制宜分析及合理化改造研究,是水輪機(jī)增效擴(kuò)容改造需解決的關(guān)鍵課題。合理的設(shè)計方案也為后續(xù)施工、運(yùn)行、維護(hù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使電站增效擴(kuò)容取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。