BYT水電站水輪機(jī)改造工程優(yōu)化設(shè)計(jì)

黎宗亮

(湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 40100)

1 概 述

1.1 電站概況

BYT水電站位于湖南省衡陽(yáng)市東北部耒水下游，距耒水入湘江口15 km，系耒水梯級(jí)開(kāi)發(fā)的最后一級(jí)，工程以發(fā)電為主，兼管航運(yùn)。壩址以上流域面積11 170 km2，多年平均流量310 m3/s，多年平均徑流量97.76億m3。水庫(kù)正常蓄水位58.00 m(高程為吳淞高程)，汛期限制水位58.00 m，死水位57.00 m，設(shè)計(jì)洪水位64.36 m，校核洪水位65.95 m；正常蓄水位以下庫(kù)容為0.36億m3，有效庫(kù)容0.1億m3，總庫(kù)容2.65億m3，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)。電站總裝機(jī)容量14.4 MW，多年平均發(fā)電量0.62億kW·h。水庫(kù)投入運(yùn)行以來(lái)，由于泥沙不斷淤積，現(xiàn)在正常蓄水位時(shí)庫(kù)容只有0.312 9億m3，有效庫(kù)容0.08億m3，總庫(kù)容減為2.60億m3。

1.2 電站存在的隱患和問(wèn)題

(1) BYT水電站8臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳水輪發(fā)電機(jī)組于1960—1995年先后投產(chǎn)，其中有多臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)接近或超過(guò)40 a的壽命期限，存在較大的安全隱患，危及電站和機(jī)組設(shè)備的安全穩(wěn)定。

(2)2000年以后，湘江大源渡電站在其下游建成并投運(yùn)，BYT水電站下游水位大幅提高，發(fā)電水頭進(jìn)一步降低，嚴(yán)重影響其水輪機(jī)的發(fā)電效率和電站的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)電站局部老舊結(jié)構(gòu)及易損結(jié)構(gòu)部件可靠性降低，部分功能失效。

1.3 增容改造的內(nèi)容和目標(biāo)

本次BYT水電站改造1～7號(hào)機(jī)組的主機(jī)及輔助設(shè)備，增容改造工程以提高電站水力資源利用率、提高電站設(shè)備的可靠性、增加發(fā)電量和降低運(yùn)行成本為目的，以機(jī)電設(shè)備更新改造為主；其次是對(duì)水工建筑物進(jìn)行維修改造等。

2 電站改造前、后的技術(shù)參數(shù)

2.1 改造前技術(shù)參數(shù)

改造前機(jī)組分別由不同時(shí)期的不同廠家完成(見(jiàn)表1)。

表1 改造前技術(shù)參數(shù)

2.2 改造后技術(shù)參數(shù)

由于新建電站的影響導(dǎo)致本電站水頭和出力下降，所以改造后水輪機(jī)型號(hào)為ZZYJ03T—LH—330，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF2200—48/4250，額定出力Nr=2 316 kW，額定水頭Hr= 4.7 m，最大水頭Hmax=7.7 m，最小水頭Hmin=3.0 m，平均水頭Hav=5.2 m，設(shè)計(jì)流量Qp= 57.1 m3/s，額定轉(zhuǎn)速nr=125 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速nP=350 r/min，允許吸出高Hs=+3.5 m，軸向水推力Ps=58 t。

3 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)改造優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)作為BYT水電站此次改造工程的重點(diǎn)部分，其改造后的效果直接影響著電站的經(jīng)濟(jì)效益。由于電站埋入部件不作改造，本次的轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)必須與原流道匹配，且滿(mǎn)足高效率和空化性能等要求。轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括CFD技術(shù)分析葉片模型和新轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1.1 轉(zhuǎn)輪葉片模型CFD分析

(1)計(jì)算在模型轉(zhuǎn)輪上采用定常計(jì)算進(jìn)行，計(jì)算中考慮了重力場(chǎng)的影響。進(jìn)口條件：采用壓力進(jìn)口條件，即在蝸殼進(jìn)口處，根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行水頭給定隨位置變化的進(jìn)口總壓，速度的方向垂直蝸殼入口截面，進(jìn)口總壓考慮了重力的影響(見(jiàn)圖1)。

圖1 考慮重力之后的進(jìn)出口壓力分布

(2)水輪機(jī)運(yùn)行工況的空化流動(dòng)分析模型。在這種計(jì)算方法中采用單流體模型計(jì)算氣—液兩相流，假設(shè)氣體的速度和液體的速度相同，認(rèn)為空化流場(chǎng)中流動(dòng)介質(zhì)是一種氣—液混合物，其在所選取的微元控制體內(nèi)是一種完全均勻的流動(dòng)介質(zhì)，其密度是由流場(chǎng)中的氣—液兩相線性組合。空泡相是稀薄相，不考慮氣泡的凝聚和破碎效應(yīng)，考慮流體和氣泡之間的相互作用導(dǎo)致的兩相間的雙向耦合。

(3)離散方法取水輪機(jī)整體流道作為計(jì)算域，將計(jì)算域分為蝸殼、導(dǎo)葉段、轉(zhuǎn)輪段以及尾水管段(見(jiàn)圖2)。

圖2 優(yōu)化的水輪機(jī)流道計(jì)算域

(4)CFD模型轉(zhuǎn)輪優(yōu)化結(jié)果。參考分析國(guó)內(nèi)外類(lèi)似電站所公開(kāi)的流道形式，優(yōu)化工況選取水頭4.5 m，活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度52°，槳葉開(kāi)度25°，最終優(yōu)化出了如下所示的葉片形式(見(jiàn)圖3)。

圖3 轉(zhuǎn)輪優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化之后的轉(zhuǎn)輪表面壓力分布趨向于均勻，優(yōu)化前后轉(zhuǎn)輪表面的流速分布基本一致，優(yōu)化之后轉(zhuǎn)輪的零度為原轉(zhuǎn)輪的2.5°。

3.1.2 新轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)輪由輪轂及可轉(zhuǎn)動(dòng)的槳葉、活塞、操作架及連桿機(jī)構(gòu)、泄水錐等組成。槳葉與輪轂間有可靠的密封?；钊安僮鳈C(jī)構(gòu)設(shè)在輪轂內(nèi)。轉(zhuǎn)輪和主軸采用法蘭螺栓聯(lián)接，銷(xiāo)傳傳遞扭矩。轉(zhuǎn)輪運(yùn)行效率的高低、氣蝕性能的好壞以及在所有預(yù)定范圍內(nèi)能否穩(wěn)定運(yùn)行，直接關(guān)系到水電站的經(jīng)濟(jì)效益。本機(jī)改造后轉(zhuǎn)輪型號(hào)為ZZYJ03T(清華大學(xué)針對(duì)電站舊流道及舊轉(zhuǎn)輪模型綜合開(kāi)發(fā)的新轉(zhuǎn)輪)，該型號(hào)轉(zhuǎn)輪是經(jīng)過(guò)能量和氣蝕性能試驗(yàn)比較，并經(jīng)過(guò)CFD全流道分析校驗(yàn)證明，具有較高的效率和良好的氣蝕性能，轉(zhuǎn)輪的公稱(chēng)直徑D1=3 300 mm。

針對(duì)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖4)，利用新的油密封技術(shù)和局部?jī)?yōu)化結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，部位優(yōu)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

圖4 轉(zhuǎn)輪裝配圖

(1)轉(zhuǎn)輪材料ZG0Cr13Ni5Mo具有良好的抗空蝕、抗磨蝕和焊接性能，該材料在常溫下可焊接，不需要進(jìn)行焊接后熱處理，以保證在機(jī)坑內(nèi)能對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行局部補(bǔ)焊。

(2)轉(zhuǎn)輪葉片采用數(shù)控加工，以確保精度。轉(zhuǎn)輪加工完成后，進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)和無(wú)損檢測(cè)。

(3)葉片的內(nèi)端側(cè)加工成與輪轂良好配合的球形，并把輪轂與葉片的間隙減至最小。槳葉密封安裝、拆卸方便，不用拆卸葉片即可更換葉片密封。槳葉密封件采用新型材料K型密封結(jié)構(gòu)(聚氨脂+丁腈橡膠，見(jiàn)圖5)。

圖5 槳葉密封結(jié)構(gòu)

(4)槳葉接力器及驅(qū)動(dòng)葉片同步轉(zhuǎn)動(dòng)的操作架及拐臂位于輪轂內(nèi)，并保證在輪轂內(nèi)充滿(mǎn)油的狀態(tài)下運(yùn)行。接力器活塞采用20SiMn鑄造，并設(shè)有雙向密封圈，由1個(gè)填充聚四氟乙烯的PTFE圈和O形橡膠密封圈組成；O形圈提供彈力，可對(duì)PTFE的磨損起補(bǔ)償作用，具有雙向密封效果，兩側(cè)各有一圈PTFE青銅復(fù)合材料的導(dǎo)向帶。活塞桿及葉片樞軸與輪轂相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)處均有可更換的黃銅軸套。

(5)接力器上下腔設(shè)置排油口，便于機(jī)組檢修時(shí)對(duì)接力器和主軸內(nèi)部的油排空。輪轂底部設(shè)有可與軟管連接的排油旋塞和閥門(mén)以便檢修時(shí)排油，輪轂上部有排氣旋塞。

3.2 導(dǎo)葉接力器改造優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)轉(zhuǎn)輪優(yōu)化分析，改造后的活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度增大，但此次導(dǎo)葉接力器并不在更換部件的清單中。經(jīng)過(guò)對(duì)原始接力器結(jié)構(gòu)的分析，最終決定對(duì)原始接力器進(jìn)行局部改造。

3.2.1 原始接力器

原始接力器兩端的活塞和端蓋是直接影響接力器行程的因素，分析圖中結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，接力器的前、后端蓋設(shè)置了排油孔，無(wú)法通過(guò)加工增加行程，故僅剩下加工活塞進(jìn)行增大行程的方式。

3.2.2 改造后接力器

根據(jù)分析，通過(guò)加工活塞的兩側(cè)端面，增大接力器活塞行程(見(jiàn)圖6)。按圖中加工要求對(duì)各部件進(jìn)行加工，技術(shù)要求有以下幾點(diǎn)：

圖6 接力器改造加工示意

(1)此次接力改造目的為將原行程502 mm增加至552 mm。

(2)動(dòng)作試驗(yàn)。接力器試驗(yàn)兩端填料處，當(dāng)油壓為25 kg/cm2，套管在移動(dòng)中，油溫不低于12 ℃時(shí)，允許軟墊處形成點(diǎn)滴漏油。

(3)壓力試驗(yàn)。油壓為40 kg/cm2，采用L—TSA46油，試驗(yàn)24 h，接力器缸與活塞間漏油不大于0.035 kg/s。

(4)接力器套管與缸蓋、活塞、接力器缸、接觸表面不允許磨損，裝配時(shí)用紅丹粉檢查。

(5)重新裝配的接力器不再安裝活塞上的兩圈導(dǎo)向環(huán)，采用孔用方形圈結(jié)構(gòu)。

(6)活塞缺口應(yīng)對(duì)齊接力器缸油槽方向，方便排油。

3.3 受油器改造優(yōu)化設(shè)計(jì)

BYT水電站的7臺(tái)受油器已運(yùn)行了40多年，受油器的漏油量逐漸增大，嚴(yán)重影響了電站的穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)電站的要求，結(jié)合電站原有的結(jié)構(gòu)情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)出如下所示的新型高速旋轉(zhuǎn)接頭受油器結(jié)構(gòu)方式(見(jiàn)圖7、圖8)，主要設(shè)計(jì)思路為：

圖7 改造后的受油器結(jié)構(gòu)示意

圖8 改造后的實(shí)物照片

(1)受油器與發(fā)電機(jī)及其他連接件設(shè)計(jì)了雙層絕緣以防止軸電流。

(2)受油器上、下壓力腔始終保持油壓狀態(tài)，與操作油管相對(duì)活動(dòng)始終浸沒(méi)在油中。優(yōu)化設(shè)計(jì)與原勵(lì)磁機(jī)空殼取消降低了機(jī)組高度后，受油器的結(jié)構(gòu)布置更合理。

(3)受油器外殼采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。其上、下壓力腔之間與上、下排油腔之間的密封導(dǎo)向軸承可自調(diào)整，嚴(yán)格控制漏油量，安裝調(diào)整方便，運(yùn)行可靠。

(4)受油器外殼上設(shè)置了觀察孔，液位計(jì)等裝置便于觀察內(nèi)部的情況。

(5)受油器轉(zhuǎn)動(dòng)部分與固定部分設(shè)計(jì)足夠的抬機(jī)余量，且任何情況下不允許漏油至發(fā)電機(jī)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)BYT水電站改造要求的分析，從轉(zhuǎn)輪模型到部分結(jié)構(gòu)改造上，得出水電站改造工程具有其特殊的環(huán)境條件。

(1)水電站增效改造過(guò)程中關(guān)鍵是使轉(zhuǎn)輪模型與電站原有流道的匹配。通過(guò)此次對(duì)BYT水電站水輪機(jī)全流道CFD關(guān)鍵技術(shù)研究，得到的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪能很好地適應(yīng)電站的水輪機(jī)流道，且全流道的整體和局部區(qū)域的流道模型也使水輪機(jī)具有較高的能量特性。結(jié)合此次CFD轉(zhuǎn)輪流道分析研究結(jié)論和電站實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行比較得到結(jié)果匹配度高，電站運(yùn)行效果好。

(2)舊電站改造時(shí)，由于增效擴(kuò)容等因素，造成了機(jī)組過(guò)流量加大，必須關(guān)注機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度的變化而引起的導(dǎo)葉接力器行程不足的問(wèn)題，否則電站改造將達(dá)不到預(yù)期的效果。

(3)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的受油器是否能安全穩(wěn)定地運(yùn)行，直接影響水電站水輪機(jī)協(xié)聯(lián)工況及電站效益。在改造優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，既要保證與原有的發(fā)電機(jī)配合接口，又要保證受油器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

經(jīng)過(guò)了1 a的運(yùn)行證明，此次BYT水電站改造工程已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的效果，機(jī)組還具備了一定的超發(fā)能力，且電站運(yùn)行振動(dòng)及噪聲均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，從根本上解決了電站的年久失修帶來(lái)的低效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行等問(wèn)題。