燈泡貫流式機組增容改造探索及研究

范瑜彬

摘? 要：燈泡貫流式水電站具有經(jīng)濟效益好、機組效率高、開發(fā)方便等優(yōu)點。其低水頭、大流量的特點，特別適合于城市周邊水資源的開發(fā)利用，對改善城市環(huán)境，優(yōu)化局部氣候發(fā)揮了重要作用。目前，我國興建了大量的燈泡貫流式水電站，隨著各大流域水利設(shè)施的完善，特別是大型水庫的建設(shè)及梯級調(diào)度，部分河流年度及月度來水流量逐步均衡化、汛期來水流量得到有效調(diào)節(jié)和利用，加上多年河道沖刷水位落差出現(xiàn)變化，部分基于多年平均來水流量設(shè)計的貫流式水電站有了一定增容改造的空間。本文重點對黃河干流上海勃灣水利樞紐工程機組增容改造進行探索及初步研究。

關(guān)鍵詞：貫流式機組、增容改造、穩(wěn)定性

黃河海勃灣水利樞紐位于黃河干流內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)，是《黃河流域防洪規(guī)劃》和《“十一五”全國大型水庫規(guī)劃》中的黃河干流梯級工程之一，工程任務(wù)是防凌、發(fā)電等綜合利用。總庫容4.87億m3，水庫正常蓄水位1076.0m，電站總裝機容量90MW，多年平均發(fā)電量3.817億kW·h，工程為Ⅱ等工程，工程規(guī)模為大（2）型。

一、多年來水流量分析

海勃灣水利樞紐采用的水文系列年限為1919～2005年，共計86年，壩址處多年平均徑流量為236.4億m3。設(shè)計水平年上游梯級電站考慮了龍羊峽、拉西瓦、尼那、李家峽、直崗拉卡、康揚、公伯峽、劉家峽、鹽鍋峽、八盤峽、柴家峽、小峽、大峽、沙坡頭、青銅峽共15個梯級。

根據(jù)現(xiàn)有的調(diào)度方式，從歷年數(shù)據(jù)分析電站機組過流能力不超過280億m3，2015年～2017年，屬于較枯年份，2019年和2020年為豐水年份，在年發(fā)電量達到6.31232億kW·h和5.86349億kW·h的情況下，2019年未用水量達到82.68億m3，2020年未用水量達到173.2億m3。2021年，截止到3月份，樞紐來水量已經(jīng)達到了52.128億m3，預(yù)測到2021年的來水量與2019年和2020年基本持平，電站未來一段時間可能處于水量較為豐沛的時期。2020年1-3月份發(fā)電量為1.35億kW·h，4-6月份發(fā)電量為1.937億kW·h，7-9月份發(fā)電量為0.997億kW·h，10-12月份發(fā)電量為1.57億kW·h。在2020年4月份以后，均出現(xiàn)了未用水量。其中4-6月份汛期未到來前，水庫水位基本維持在1076.0m，電站處于滿負(fù)荷出力后，仍有較多的未用水量;7-9月份，由于汛期水庫降水位排沙運行，發(fā)電出力受阻，大量的水不能用于發(fā)電，發(fā)電量降低;10-12月份冬季運行，且一臺機組在大修期時，仍有部分未用水量發(fā)生。

經(jīng)過對比分析，在來水相對較豐的年份，電站在現(xiàn)有裝機容量下，在4-6月份，汛期來臨前，無法利用多余的水量，在汛期時出現(xiàn)較大的未用水量，因此，進行機組的增容改造，加大機組的過流能力和發(fā)電能力，充分利用汛期前3個月及汛期的3個月的水量具有可行性。

二、機組發(fā)電運行及檢修分析

電站于2014年全部投產(chǎn)發(fā)電，根據(jù)歷年實測數(shù)據(jù)，下游尾水位明顯降低，對比2014年，在相同過機流量時，2020年下游尾水位約下降了2.5m。受下游水位降低的影響，電站實測最大毛水頭已達到13.27m（2020年3月30日），已經(jīng)遠超過設(shè)計額定水頭（額定水頭8米）。根據(jù)理論估算，電站可能出現(xiàn)的最大凈水頭約13.2m，機組導(dǎo)葉開度有較大余量，具備增容空間。電站建設(shè)至今已經(jīng)6年，需要按照規(guī)范要求逐年開展機組A級檢修，首臺機組大修期間電站出現(xiàn)了未用水量，考慮到其他機組將會陸續(xù)進行A級檢修，因此，進行機組的增容改造，加大機組的過流能力和發(fā)電能力，確保在豐水年的檢修，一臺機組退出運行時，充分水量，盡可能回收電量是可行的。歷年監(jiān)測尾水位流量關(guān)系如下圖

三、改造限制條件分析

（1）水輪機轉(zhuǎn)輪直徑為6.35m，電站整體的土建結(jié)構(gòu)，管型座，導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪室等過流部件均按6.35m這個參數(shù)基值進行設(shè)計，增容改造需要在現(xiàn)有的尺寸下，進行相對有限的調(diào)整。

（2）電站主接線采用擴大單元接線方式，主變壓器容量為63MVA，在現(xiàn)狀條件下，不更換主變壓器的前提下，最大可增容至28.35MW。

四、機組增容改造初步方案

方案1，通過改善發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)，加大導(dǎo)葉開度運行，使得發(fā)電機出力可在最大出力24.75MW下穩(wěn)定運行。根據(jù)發(fā)電機運行的現(xiàn)狀，燈泡體冷卻效果較差。為使得機組能夠達到24.75MW的最大發(fā)電能力，將對發(fā)電機冷卻系統(tǒng)進行改造。改造的主要內(nèi)容為：發(fā)電機內(nèi)部強迫風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)以及空氣冷卻器供水循環(huán)系統(tǒng)。發(fā)電機內(nèi)部強迫風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)的改造，主要優(yōu)化發(fā)電機內(nèi)部的風(fēng)道，加強風(fēng)循環(huán)量等措施。針對冷卻器水循環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)實際情況，有兩種改造方式，一種為對燈泡進行修理改造，通過改造無需對其他部位進行改動，即可恢復(fù)相應(yīng)的功能。

另一種方式為在進水流道內(nèi)增設(shè)外置冷卻器，管路穿過發(fā)電機蓋板后，接入到水泵加壓系統(tǒng)。改造后，可通過增加導(dǎo)葉開度，增加機組的過流量，增加機組的發(fā)電能力。從而可以增加汛期及汛前3個月的發(fā)電量，同時消除發(fā)電機溫升過高的隱患。但是，通過該方案的改造，無法消除水位下降，帶來的水輪機運行工況偏離的問題，以及氣蝕余量不足的問題。

方案2，更換水輪機轉(zhuǎn)輪，改善發(fā)電機冷卻系統(tǒng)，使得發(fā)電機出力穩(wěn)定為24.75MW?？紤]單臺機組在8m額定水頭下發(fā)電時，對應(yīng)的下游水位為1062.4m時，機組的實際吸出高度僅為-5.8m左右，與要求的吸出高度-8.45m相差較大。結(jié)合尾水管出口外露以及過機含沙量較大時，機組運行會有氣蝕的風(fēng)險，機組振動會加劇。電站全部機組在額定水頭8.0m運行時，實際吸出高度為-7.6m，與要求的-8.45m相差0.85m。此時加大出力運行，則會出現(xiàn)氣蝕余量不足的風(fēng)險。因此，針對此情況，考慮到枯水期年份水量較少，電站運行安全運行的要求，盡量小的改動設(shè)備的前提下，僅更換水輪機轉(zhuǎn)輪，由4葉片調(diào)整為空化性能更好的5葉片，轉(zhuǎn)輪采用不銹鋼材質(zhì)，并根據(jù)水力特性，微調(diào)導(dǎo)水機構(gòu);同時恢復(fù)發(fā)電機冷卻系統(tǒng)的能力，使發(fā)電機最大出力穩(wěn)定為24.75MW。根據(jù)水輪機特性，結(jié)合改造后的機組容量，以及現(xiàn)有廠房埋入部件尺寸等諸多因素后，水輪機的額定水頭需要提高至9米以上。改造后可解決電站氣蝕余量不足的問題，恢復(fù)水輪機運行在正常區(qū)域，消除潛在的威脅。

方案3，更換水輪機轉(zhuǎn)輪，增大發(fā)電機容量，使得發(fā)電機出力穩(wěn)定為28MW

更換水輪機轉(zhuǎn)輪，存在電站機組的額定水頭提高，機組過流量降低，在汛期受阻容量增大的情況，可通過增大發(fā)電機容量的方式，來彌補相關(guān)的容量損失。根據(jù)主變壓器的容量，綜合考慮水輪機的性能，轉(zhuǎn)輪直徑的大小，電站實際水頭的范圍，以及發(fā)電機可拓展的容量、額定轉(zhuǎn)速等因素，增加發(fā)電機容量至28MW。同時更換新轉(zhuǎn)輪，采用5葉片不銹鋼材質(zhì)，轉(zhuǎn)輪直徑維持6.35m，額定水頭提升至10米以上。改造后，可以解決電站氣蝕余量不足的問題，恢復(fù)水輪機運行在正常區(qū)域，消除潛在的威脅，同時，相比現(xiàn)狀條件，能夠利用多余的水，發(fā)出更多的電能。但水輪機和發(fā)電機均需要進行改造，投入資金較大。

結(jié)束語：

機組增容改造一般可根據(jù)電站實際情況按階段進行，第一階段可通過改善發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)，使得發(fā)電機出力增加，在較少的投資情況下利用多余的水量增發(fā)電量。第二階段可根據(jù)機組的運行狀態(tài)及經(jīng)濟性分析，更換機組轉(zhuǎn)輪或采取加大發(fā)電機等一次設(shè)備容量的方式，使機組獲得更穩(wěn)定的性能及更大的備用容量。

參考文獻：

[1]DLT 5038-2012 燈泡貫流式水輪發(fā)電機組安裝工藝規(guī)程、GB∕T35709-2017燈泡貫流式水輪發(fā)電機組檢修規(guī)程、《燈泡貫流式水輪發(fā)電機組運行與檢修》劉國選