貫流式機(jī)組擴(kuò)容增效改造穩(wěn)定性分析

唐小勇

（中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司水電科學(xué)研究院，廣西 南寧 530000）

百龍灘水電站位于都安瑤族自治縣與馬山縣交界的紅水河中游，為紅水河干流梯級(jí)開發(fā)的第七級(jí)電站，水電站安裝有6臺(tái)單機(jī)容量為32 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組[1，2]，總裝機(jī)容量192 MW。百龍灘水電站建成投產(chǎn)較早，至今已運(yùn)行20多年，由于上游梯級(jí)電站的投入運(yùn)行等情況變化，水電站的運(yùn)行條件發(fā)生了較大變化，最大水頭由原來(lái)的18 m降低為16 m，電站低水頭運(yùn)行工況明顯增多。但機(jī)組在低水頭段運(yùn)行振動(dòng)較大，水頭越低振動(dòng)越大，越難保證安全穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組效率下降，出力嚴(yán)重受限[3-5]。電廠為了機(jī)組的安全運(yùn)行禁止在小于5 m的水頭段運(yùn)行，導(dǎo)致低水頭段大量棄水，發(fā)電量損失嚴(yán)重，電廠經(jīng)濟(jì)效益降低。為保障電廠安全高效生產(chǎn)，將采用新技術(shù)對(duì)3號(hào)機(jī)進(jìn)行擴(kuò)容增效改造[6，7]。

1 機(jī)組改造基本情況

改造對(duì)象主要是轉(zhuǎn)輪及過(guò)流部件。本次改造水輪機(jī)維持轉(zhuǎn)輪尺寸不變，主要變更機(jī)組的轉(zhuǎn)輪室、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、主軸密封、內(nèi)導(dǎo)水環(huán)等部件。通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)輪構(gòu)型，同時(shí)采用VOD 精煉和數(shù)控加工等先進(jìn)技術(shù)，機(jī)組出力由32 MW增至33 MW。改造前后水輪機(jī)各參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 新舊水輪機(jī)參數(shù)對(duì)比表

新轉(zhuǎn)輪由槳葉、輪轂體、操作機(jī)構(gòu)和泄水錐組成。輪轂比由0.428縮小為0.38，轉(zhuǎn)輪有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受任何可能產(chǎn)生的作用在轉(zhuǎn)輪上的最大水壓力、離心力和壓力脈動(dòng)，在本電站運(yùn)行條件下，不出現(xiàn)葉片卡阻、進(jìn)水、超標(biāo)漏油或其它任何不正常現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)輪室采用厚壁結(jié)構(gòu),有足夠的剛度和強(qiáng)度，并根據(jù)運(yùn)輸條件決定分瓣，內(nèi)表面型線與驗(yàn)收的模型相似，為避免間隙空蝕，轉(zhuǎn)輪室過(guò)流面采用06Cr19Ni10不銹鋼板制造。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)除導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)外，其余采用原部件。導(dǎo)葉內(nèi)環(huán)球面采用鋼板模壓成型、數(shù)控加工。上游和下游側(cè)均采用法蘭連接，設(shè)有可靠的止漏裝置。

新主軸密封由檢修密封和工作密封組成。該主軸密封結(jié)構(gòu)型式采用電廠原使用的工作可靠的唇邊密封型式，檢修密封采用加壓式實(shí)心空氣圍帶結(jié)構(gòu)。

2 機(jī)組改造后穩(wěn)定性分析

為全面分析機(jī)組擴(kuò)容增效改造前后穩(wěn)定性指標(biāo)性能，分別在改造前后進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn)（變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、變勵(lì)磁試驗(yàn)、變負(fù)荷試驗(yàn)），驗(yàn)證改造后的各項(xiàng)性能參數(shù)是否符合國(guó)家行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和合同保證值，為后續(xù)相似機(jī)組的擴(kuò)容增效改造提供技術(shù)支持。

2.1 試驗(yàn)參數(shù)

表2 試驗(yàn)參數(shù)

2.2 穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

穩(wěn)定性試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)的擺度振動(dòng)幅值數(shù)據(jù)和變化趨勢(shì)圖分析對(duì)比表明：

（1）如表3~表5所示，擴(kuò)容增效改造后的穩(wěn)定性試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)、擺度數(shù)值較小，表明機(jī)組對(duì)中及質(zhì)量分布情況良好，沒(méi)有電磁不平衡現(xiàn)象，水力性能也良好。改造后機(jī)組的各項(xiàng)穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)都在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，且各項(xiàng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明新機(jī)組穩(wěn)定性能良好。

表3 改造前后機(jī)組變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)擺度振動(dòng)數(shù)值

表4 改造前后機(jī)組變勵(lì)磁試驗(yàn)擺度振動(dòng)數(shù)值

表5 改造前后機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)擺度振動(dòng)數(shù)值

（2）對(duì)比分析改造前后各測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，改造后機(jī)組的大部分參數(shù)明顯優(yōu)于改造前，結(jié)果如圖1所示。機(jī)組改造前和改造后水導(dǎo)軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)變化明顯，改造前水導(dǎo)振動(dòng)隨負(fù)荷增加而增加，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到30 MW后振動(dòng)超標(biāo)，改造后機(jī)組的振動(dòng)基本不受負(fù)荷變化的影響。

圖1 改造前后穩(wěn)定性曲線對(duì)比圖

由于百龍灘電站3號(hào)機(jī)組已經(jīng)運(yùn)行了20多年，且上下游的水位變化。根據(jù)相關(guān)穩(wěn)定性試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，表明機(jī)組的穩(wěn)定性狀況開始惡化，一部分關(guān)鍵部位參數(shù)已超標(biāo)。按相關(guān)規(guī)程要求，對(duì)改造后的3號(hào)機(jī)組進(jìn)行了驗(yàn)收試驗(yàn)，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)良好，均滿足規(guī)程要求，機(jī)組符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)組試運(yùn)和并網(wǎng)后，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，各部振動(dòng)、擺度、溫度正常。經(jīng)過(guò)擴(kuò)容增效改造后，新機(jī)組能夠良好的適應(yīng)新的水文情況，整體的穩(wěn)定性明顯提升，即使在低水頭、低負(fù)荷的振動(dòng)區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)擺度值也遠(yuǎn)低于國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)值。

3 機(jī)組擴(kuò)容增效改造效果分析

通過(guò)對(duì)百龍灘電站3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造，在未改變流道和轉(zhuǎn)輪室直徑的前提下，增加了機(jī)組的過(guò)流量，使機(jī)組設(shè)計(jì)出力從32 MW提升至33 MW，適應(yīng)了新的水文工況，降低了電站的棄水率，提高了電站的經(jīng)濟(jì)效益，改造效果良好。改造后的機(jī)組水力性能更加優(yōu)秀，降低了尾水壓力變化對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定性的影響，實(shí)現(xiàn)了低水頭工況下機(jī)組擴(kuò)容增效的目的，同時(shí)也優(yōu)化了機(jī)組的整體穩(wěn)定性能，提升了機(jī)組的效率和出力，振動(dòng)擺度參數(shù)值較改造前也明顯改善。

改造后轉(zhuǎn)輪輪轂比由0.428縮小為0.38，增加了過(guò)流面積，使得轉(zhuǎn)輪過(guò)流能力提高約10%~12%，在相同導(dǎo)葉開度下，出力較原機(jī)組增加10%~25%左右，如表6所示。3號(hào)機(jī)組在水頭9.1 m時(shí)，改造后機(jī)組出力達(dá)到26 MW，相比原機(jī)組出力21 MW增加的5 MW，機(jī)組出力提升了23%，效率提升約10%；在水頭7.6 m時(shí)，改造后機(jī)組出力達(dá)到20 MW，相比原機(jī)組出力16 MW增加的4 MW，機(jī)組出力提升了25%，效率提升約11.5%。說(shuō)明改造后機(jī)組不僅出力顯著增加，而且效率明顯提升，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

表6 改造后機(jī)組效率變化數(shù)值

4 結(jié) 論

（1）機(jī)組通過(guò)技術(shù)改造，不僅解決了機(jī)組低水頭振動(dòng)大，達(dá)不到設(shè)計(jì)出力的問(wèn)題，提升機(jī)組的穩(wěn)定性，消除原機(jī)組的安全隱患，使機(jī)組能夠適應(yīng)經(jīng)常性運(yùn)行水頭的變化，特別是低水頭運(yùn)行時(shí)間增多的情況，保障機(jī)組安全、可靠運(yùn)行。

（2）機(jī)組通過(guò)擴(kuò)容增效改造，增加機(jī)組的過(guò)流量，提升機(jī)組出力，實(shí)現(xiàn)機(jī)組低水頭完成出力，機(jī)組效率顯著提升，提升了水力資源的利用率。在9.1 m水頭時(shí)，機(jī)組出力提升23%，效率提升10%；在7.6 m水頭時(shí)，機(jī)組出力提升25%，效率提升11.5%。

百龍灘電廠3號(hào)機(jī)的擴(kuò)容增效改造效果良好，消除了原機(jī)組的安全隱患，適應(yīng)了新的水文情況，提升機(jī)組的穩(wěn)定性，增加了機(jī)組的出力和效率，可為相似的貫流式機(jī)組改造工作提供參考。