晏峻峰
(喀什地區(qū)水利水電勘測設(shè)計院,新疆喀什844000)
新疆疏附縣吾庫沙克水電站始建于1976年,至今已運行了26 a。是利用下游灌溉用水進行發(fā)電的徑流式水電站,原設(shè)計電站引用流量為26 m3/s,設(shè)計水頭14.5 m,安裝容量3×800 kW,目前實際安裝2×800 kW,安裝在2#、3#機坑內(nèi),1#機坑目前空缺。廠房內(nèi)安裝 2臺 ZD661—LH—120、TS215/21—14型水輪發(fā)電機組。建站26 a來,由于ZD661型水輪機國家已淘汰,生產(chǎn)廠家不再生產(chǎn),過流部件經(jīng)多次大修已無法恢復(fù)到原有的流線形和安裝尺寸,造成機組出力下降,檢修周期縮短,單機出力由原設(shè)計出力800 kW下降到600 kW,最大單機出力為675 kW,過機流量則遠遠大于原設(shè)計流量,使電站的水能得不到充分利用,給電站帶來不應(yīng)有的經(jīng)濟損失。為使吾庫沙克水電站走出困境,重新煥發(fā)青春活力,必須對機組進行增容改造,利用目前國內(nèi)新研制的新技術(shù)和新機型機組替代原有機組,才能有效得達到增容增效的目的。
根據(jù)目前電站的實際情況,機組改造必須在原有得基礎(chǔ)上進行改造,水輪機混凝土蝸殼、尾水管尺寸、引用流量、同步轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)輪直徑一定的條件下,增容改造分二步進行:
第一步將空缺著的1#機坑內(nèi)裝設(shè)新的水輪機,同時對原拆除的容量為800 kW的1#水輪發(fā)電機進行改造。發(fā)電機進行更換定子、轉(zhuǎn)子線圈,使發(fā)電機提高效率和功率,保證在增容后發(fā)電機長期運轉(zhuǎn)的安全、可靠。為便于機組改造后,電站實現(xiàn)微機自動化系統(tǒng)管理,調(diào)速器選用可編程脈沖調(diào)速器,調(diào)速機構(gòu)由內(nèi)調(diào)節(jié)改為外調(diào)節(jié)。
第二步當安裝的1#水輪發(fā)電機組出力達到設(shè)計要求時,改造2#、3#水輪機,原水輪機整個拆除,更換高效率,低汽蝕轉(zhuǎn)輪的新選擇的水輪機,只保留混凝土蝸殼、尾水管等,同時改造2#、3#水輪發(fā)電機,發(fā)電機進行更換定子線圈磁極,使發(fā)電機提高效率和功率,保證在增容后發(fā)電機長期運轉(zhuǎn)的安全、可靠。為便于機組改造后,電站實現(xiàn)微機自動化系統(tǒng)管理,調(diào)速器選用可編程脈沖調(diào)速器,調(diào)速機構(gòu)由內(nèi)調(diào)節(jié)改為外調(diào)節(jié)。
但改造時應(yīng)保證3臺機增容后總引用流量在26 m3/s之內(nèi),此時單機最大引用流量Q=8.67 m3/s,按此流量計算實際裝機容量,提高機組出力。
機組增容改造是在原有機組的基礎(chǔ)上進行改造,水輪機混凝土蝸殼、尾水管尺寸、同步轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)輪直徑一定的條件下進行增容改造。新選擇轉(zhuǎn)輪機型的模型轉(zhuǎn)輪試驗流道參數(shù)與原機型的實驗流道參數(shù)必須相似或接近,才能達到改造的目的。根據(jù)廠家推薦的機型,模型轉(zhuǎn)輪試驗流道參數(shù)見表1。
表1 模型轉(zhuǎn)輪試驗流道參數(shù)
從表1可以看出,轉(zhuǎn)輪及導葉基本參數(shù)基本相等,滿足改造機組的基本條件,由于沒有同類型機組改造先例,將分別計算各機型的基本參數(shù),從中選出適應(yīng)本電站改造的機型。
由于2#、3#水輪機改造時全部拆除,原ZD661機型水輪機只保留混凝土蝸殼及尾水管等,故2#、3#水輪機與1#處于同等條件下。通過我院對吾庫沙克水電站原機組及電站引水尺寸等多項分析,詳細計算,并對國內(nèi)7個廠家進行考察和咨詢,7個廠家向我們推薦了自己認為適應(yīng)該電站的水輪機,從7個廠家推薦的機型匯總結(jié)果共有四種機型即:ZD660、JP502、ZD30,ZDTF03。
7個廠家由于考慮的問題的角度不同,故出現(xiàn)同種機型,在相同工況下出力有大有小的情況,故我們在相同工況下對基本參數(shù)重新核定,使各廠推薦的各機型機組在同一起跑線上,再進行分析,從中選出更適合本電站的機型。
采用新轉(zhuǎn)輪后,與原ZD661型水輪機水流流道及結(jié)構(gòu)型式的不同,對裝入的新轉(zhuǎn)輪的效率、流量、汽蝕影響的進行分析如下:
根據(jù)理論分析及我們(包括國內(nèi)外有名的廠家、研究所及高等院校)的多年實踐經(jīng)驗證實,采用水輪機轉(zhuǎn)輪使用在與原水輪機流道中,尺寸的不同(包括結(jié)構(gòu)型式不同)將帶來很大的影響(尤其是比轉(zhuǎn)速高的定漿軸流式機組)。依據(jù)多年的經(jīng)驗、教訓實踐及有關(guān)文獻、設(shè)計手冊和規(guī)范進行分析及計算,可使我們通過論證的參數(shù)與實際相符合,使機組出力、效率、流量達到預(yù)期值。而不能采用為保出力而盲目的不進行認真分析地加大轉(zhuǎn)輪葉片角度而造成流量、效率及汽蝕的損失及變壞,不能充分利用水能資源,從而損害電站的效益。
4.1.1 轉(zhuǎn)漿式轉(zhuǎn)輪改為定漿式轉(zhuǎn)輪的影響
由于轉(zhuǎn)漿式水輪機輪轂為球形,轉(zhuǎn)輪室為半球形,當改為定漿式后,輪轂改為錐形狀,轉(zhuǎn)輪室改為柱形狀,輪葉外園也為柱形狀,因其容量損失減小,效率將提高,過流面積加大,汽蝕系數(shù)減小,但單位轉(zhuǎn)速降低,單位流量增加。
故取:Δη1=+0.5% σ=-0.02 Δn1=-3.0r/min
4.1.2 蝸殼進口流道不同,進口流速增加及導葉型線不同
原機組采用“廠”形向下延伸的形式,新型號JP502、ZD30、ZD580A,ZDTF03為“┣”向下延伸的形式,因“廠”形向下延伸的斷面形式對斷面下端的水流進入轉(zhuǎn)輪不利,機組改造后,流量增加,蝸殼的流速也相應(yīng)增大,勢必造成較大的水力損失,原機組的蝸殼進口斷面平均流速為3.7Q1,則蝸殼的流速系數(shù)為0.97Q1,型號轉(zhuǎn)輪蝸殼流速系數(shù)為0.645Q1左右,雖然,新型號轉(zhuǎn)輪蝸殼的流速系數(shù)比原機組小,其減小百分比為33.5%左右。故改造后,新轉(zhuǎn)輪與原機組蝸殼相配,勢必引起蝸殼的流速增加,增大蝸殼的水力損失,同時由于Vu增加,使導水機構(gòu)中水力損失也增加,水輪機的效率下降,新機組導葉葉型為正曲率型,原機型導葉為對稱型取:
4.1.3 尾水管高度降低
原機組ZD661彎肘形尾水管的相對深度h/D1=2.175,而新機型彎肘形尾水管相對深度h/D1=2.75~2.97,兩者相差h/D1=0.575~0.775,無論是能量性能還是汽蝕性能,尾水管的高度高均比低的好。吾庫沙克水電站尾水管已形成不能改變,故造成機組效率降低。
4.1.4 尾水管出口面積降低,出口流量加大,回能系數(shù)降低
4.1.5 綜合分析
效率變化值:
汽蝕系數(shù)修正值:σ=-0.02
單位轉(zhuǎn)速修正值:n11=-3.0r/min
本電站設(shè)計水頭Hp=14.24 m,最大運行水頭Hmax=14.85 m,經(jīng)綜合分析,本電站裝機容量由原設(shè)計裝機容量3×800 kW增至3×1000 kW,為保證電站正常運行和冬季充分利用上游水進行發(fā)電,減少備用容量,根據(jù)保證出力N保=1 231.56 kW,本電站安裝3臺單機容量Nf=1 000 kW的水輪發(fā)電機組為宜。從而保證機組在冬季充分利用上游水,水輪機在高效率區(qū)運行,從而達到多發(fā)電發(fā)好電的目的。
根據(jù)以上參數(shù),廠家推薦機型,結(jié)合地處海拔高程(1301.82 m),上游來水含沙量大(多年平均5.95 kg/m3)。計算 ZD660、JP502、ZD30、ZD580A、ZDTF03 共 5 種機型與ZD661機型的基本參數(shù)。
經(jīng)計算可知,除JP502(φ=0°)型達不到本電站機組設(shè)計出力,其余4種機型6種水輪機均能滿足本電站水輪機的設(shè)計出力。從校核出力點可以看出,在最優(yōu)工況點(即葉片安放角度線處),水輪機出力最大的為JP502(φ=10°)型,其次為 JP502(φ=5°)型、ZD660 型(φ=28°)、ZDTF03(φ=7.5°)型、ZD660型(φ=26°),最小為 ZD30 型(φ=0°),但在原設(shè)計流量Q=7.76 m3/s時,效率最低為 JP502(φ=10°)型,僅為73.9%,最高的為ZD660型(φ=26°)為88.9%,ZD660型(φ=28°)為88.7%,JP502(φ=5°)型為 79.7%。從以上參數(shù)可以看出,JP502(φ=5°、φ=10°)型水輪機運行區(qū)域中高效率區(qū)較窄,按設(shè)定流量運行不能在高效率區(qū)內(nèi)運行,即水輪機不能在最優(yōu)工況下運行。
ZD30型(φ=0°)水輪機在出力限制線以外很遠才滿足設(shè)計出力,即不在最優(yōu)工況下運行,另外ZDTF03型(φ=7.5°)水輪機效率也較低。
從以上分析比較來看,ZD660—LH—120(φ=26°)及(φ=28°)型水輪機更適合本電站。水輪機在高效率區(qū)運行。故本電站可選用 ZD660—LH—120(φ=28°)及(φ=26°)型水輪機做為吾庫沙克水電站增容改造水輪機的首選機型。
在分析完出力后,需進行汽蝕性能分析,以最終確定適合本電站的最佳機型。由轉(zhuǎn)漿式水輪機模型實驗出的汽蝕曲線,對定漿式水輪機,僅在單角角度線上其汽蝕系數(shù)不會改變,偏高此單角角度線之外,導葉開度的變化使固定漿葉的流態(tài)(水流對葉片進口部的充角)變壞,除效率下降很快外,其汽蝕情況也將會惡化。因此,對定漿式水輪機計算汽蝕時應(yīng)加一個系數(shù),取K=1.05。
汽蝕曲線為初生汽蝕曲線,在清水河流中可直接選用,但吾庫沙克水電站引用水中含沙量大,且硬度較高,在采用不銹鋼葉片的同時,取K=1.43,此時汽蝕安全系數(shù)K=K1×K2=1.50,吸出高度計算公式為:
原機組安裝高程為 -2.09 m,而 JP502HS=-3.42 m,ZD660HS=-1.03 m,ZD30HS=-0.595 m。從中可看出,除JP502型不能滿足原安裝高程要求外,其余ZD660、ZDTF03、ZD30型水輪機均可滿足要求。
ZD660型與原ZD661型轉(zhuǎn)輪葉片均為4葉片,其水推力系數(shù)K均為0.85,但新轉(zhuǎn)輪葉片角度較大,實際水推力將較小,新轉(zhuǎn)輪的重量與原轉(zhuǎn)輪重量相當,因此水輪機軸向水推力可視為不變,原發(fā)電機推力軸承負荷不變。而JP502為5葉片,其水推力系數(shù)K值遠大于原水輪發(fā)電機組的推力軸承的軸向水推力計算值,故本電站從軸向水推力計算值上講,不宜選用JP502機型。
從水輪機出力分析、汽蝕性能和軸向水推力分析中可以看出,既滿足運行工況好,又滿足汽蝕性能好,不改變原水輪發(fā)電機組的軸向水推力計算值的機型為ZD660—LH—120型(φ=26°)及(φ=28°),而且從水輪發(fā)電機組技術(shù)匯總表中可以看出該機型年發(fā)電量最大,年利用小時最高。再考慮該電站為徑流式水電站,為適應(yīng)豐水期大河來水量大,故2#、3#機轉(zhuǎn)輪葉片安放角度確定為φ=28°,另外為適應(yīng)冬季大河來水流量小,機組仍在高效率區(qū)運行,故電站1#水輪機選用ZD660—LH—120型(φ=26°)。
在2#、3#水輪機增容改造成功的基礎(chǔ)上,為保證水輪發(fā)電機組安全正常運行,并能適應(yīng)增容改造后的水輪機設(shè)計出力,必須對發(fā)電機的增容改造。
發(fā)電機的增容改造,是通過改造發(fā)電機的電磁載體,核算發(fā)電機的剛度和強度,并在必要時采取相應(yīng)的改造措施。使已運行了26 a的發(fā)電機在新的增大容量下安全可靠運行。同時使發(fā)電機的運行溫度、電氣參數(shù)、效率等主要參數(shù)處于合理的新水平上。
根據(jù)水輪機改造選定的方案,結(jié)合電站提供的發(fā)電機資料,進行設(shè)計分析,對應(yīng)提出發(fā)電機的改造方案。
在發(fā)電機出口電壓6.3 kV不變的基礎(chǔ)上,重新設(shè)計并制造定子線圈、槽契、槽內(nèi)墊條等,在電站進行新的定子線圈的嵌線工作,考慮到定子線圈可能存在的銹蝕和松動,必須由電站同生產(chǎn)廠家及設(shè)計單位共同進行定子鐵芯的檢查和鐵損試驗,如試驗合格則進行重新壓緊,若試驗不合格,則必須進行必要的處理(如更換不合格的定子扇形片等)。
用重新設(shè)計制作的磁極更換原有的磁極線圈,以滿足在額定功率因數(shù)COSφ=0.80條件下,勵磁容量增加的要求。
線圈絕緣結(jié)構(gòu):
1)定子線圈與磁極線圈均采用F級絕緣。
2)定子線圈絕緣材料選用滌綸玻璃絲包扁銅線。采用模壓制造工藝,線圈直線部分和端部采用一次模壓固化成型。定子下線采用不吊把下線方式,以減少吊把而引起的絕緣損傷。定子線圈表面必須根據(jù)原電機的特點進行防電暈處理。從而保證線圈質(zhì)量達到規(guī)定標準。
3)磁極線圈采用新型的F級材料,適應(yīng)增強角部絕緣處理,并將磁極線圈托板與磁極線圈整體熱壓成型。
吾庫沙克水電站通過本次增容改造,可將現(xiàn)有裝機容量2×800 kW增至3×1000 kW,充分利用了現(xiàn)有的水利資源。機組增容改造后,年發(fā)電量可達到1 275.55 kW·h,年利用小時數(shù)為4 252 h,保證出力1 231.56 kW,每年比原設(shè)計裝機容量2×800 kW可多發(fā)795.55萬kW·h電,按現(xiàn)有疏附縣上網(wǎng)電價0.344元/kW·h計算,每年多收入273.67萬元,如與現(xiàn)實際裝機容量比較,則年發(fā)電量增加量就更可觀了。
本次吾庫沙克水電站增容改造比現(xiàn)裝機容量多增1 400 kW,總投資481.07萬元,平均新增容量單位千瓦投資為0.3436萬元,比修建一個相同容量的水電站便宜的多,而對現(xiàn)有電站進行改造,可達到投資少,增效大,起到立桿見影的效果。
[1]趙鳳濱,李炤.葛州壩電站水輪機增容改造空化性能及穩(wěn)定性研究[J]. 黑龍江水利科技,2005,33(4):14 -15.