郜曉輝,魏常喜

(1.邯鄲市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,河北 邯鄲 056004;2.承德供電寬城分公司,河北 承德 067600)

1 基本情況

東武仕水電站位于河北省邯鄲市磁縣東武仕水庫(kù),是利用水庫(kù)灌溉和城市供水的壩后式水電站。1974年建成并網(wǎng)發(fā)電,裝機(jī)容量 2×3200kW。采用 HL240型水輪機(jī),其模型水輪機(jī)主要參數(shù)為:轉(zhuǎn)輪直徑 D1=460 mm,轉(zhuǎn)輪葉片數(shù) Z=14,導(dǎo)葉相對(duì)高度 b0/D1=0.365,最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速 n′10=72 r/min,最大單位流量 Q′1=1.24 m3/s,模型氣蝕系數(shù) σ=0.2[1]。 1#機(jī)型號(hào)為HL240-LJ-140,其特性參數(shù)見(jiàn)表 1。

表1 HL240-L J-140型水輪機(jī)特性參數(shù)

電站 1#機(jī)運(yùn)行情況:最高水頭 29.77 m,最低水頭 24 m,加權(quán)平均水頭 27.78 m,最大流量 13 m3/s,最小流量 9.0 m3/s。

2 改造原因

東武仕水電站自 1974年建站以來(lái),1#發(fā)電機(jī)負(fù)荷最高 2700kW,從未達(dá)到 3200kW。其原因主要是:東武仕水電站 1#機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)水頭為30.5 m,由于建站時(shí)尾水渠沒(méi)有開(kāi)挖到設(shè)計(jì)高程而導(dǎo)致尾水位抬高 1.5 m,使在設(shè)計(jì)流量 12.6 m3/s時(shí),實(shí)際運(yùn)行水頭為29 m,達(dá)不到 30.5 m;更重要的是水輪機(jī)組已運(yùn)行了 30多年,機(jī)組振動(dòng)大,氣蝕嚴(yán)重,效率非常低。因此達(dá)不到額定出力。根據(jù)多年運(yùn)行資料分析,轉(zhuǎn)輪效率僅為0.78～0.82,詳見(jiàn)表2。

表2 兩種型號(hào)模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)比較表

3 改造選型

考慮到電站現(xiàn)有設(shè)備的實(shí)際情況以及土建工程等因素,改造主要是在保持水輪機(jī)輸水流道尺寸及機(jī)組轉(zhuǎn)速不變的前提下,優(yōu)先選用能量指標(biāo)先進(jìn),空蝕特性優(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。

根據(jù)東武仕水電站具體水力條件,采用由哈爾濱大電機(jī)研究所研制的當(dāng)前較為先進(jìn)的轉(zhuǎn)輪模型HLA551C進(jìn)行技術(shù)改造。

4 改造目的

2008年10月,對(duì) 1#機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行技術(shù)改造,根據(jù)實(shí)際情況將設(shè)計(jì)水頭定為29 m、設(shè)計(jì)流量 12.6 m3/s不變,選用了新型的高科技、高效率 HLA551C轉(zhuǎn)輪,其與 HL240模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)比較見(jiàn)表2。

通過(guò)表2的比較,我們可以看出,HLA551C模型轉(zhuǎn)輪的各種參數(shù)與 HL240模型轉(zhuǎn)輪的參數(shù)比較接近,證明在保持過(guò)水流道尺寸及轉(zhuǎn)速不變的前提下,改造具有可行性。且具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)單位轉(zhuǎn)速和單位流量。本電站水輪發(fā)電機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速和水輪機(jī)直徑都已確定,因此在額定水頭29 m時(shí),水輪機(jī)的單位轉(zhuǎn)速為77.9 r/min,單位流量為1.13 m3/s。由表3可見(jiàn) HLA551C模型轉(zhuǎn)輪最優(yōu)工況參數(shù)都略高于該值,根據(jù)現(xiàn)代水電站的選型設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和水輪機(jī)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),HLA551C轉(zhuǎn)輪更適合本電站。

2)空化安全系數(shù) K。根據(jù)相應(yīng)公式可算得新轉(zhuǎn)輪的空化安全系數(shù) K可達(dá)到 2.5以上,因此新轉(zhuǎn)輪有很大的汽蝕安全裕量。

3)比轉(zhuǎn)速。HLA551C型水輪機(jī)的最優(yōu)工況比轉(zhuǎn)速較 HL240型高 30%多。在機(jī)組轉(zhuǎn)速、水頭一定的條件下,對(duì)于相同尺寸的機(jī)組,HLA551C的出力將更高。

4)水輪機(jī)效率。提高水輪機(jī)效率是東武仕電站 1#機(jī)轉(zhuǎn)輪改造的主要目的之一。在電站各種條件一定的情況下。達(dá)到增加機(jī)組出力的途徑主要是通過(guò)提高效率和適當(dāng)加大水輪機(jī)過(guò)流量。目前,國(guó)內(nèi)外該水頭的混流式水輪機(jī)的最高效率已達(dá) 93.5%。由于電站機(jī)組埋設(shè)部件不能改變,水輪機(jī)的參數(shù)匹配不太合理,因此,水輪機(jī)的效率提高受到一定制約。按當(dāng)前的設(shè)計(jì)水平,東武仕電站水輪機(jī)額定工況點(diǎn)的效率不低于90%,水輪機(jī)的最高效率不低于92.0%。

5)機(jī)組出力及過(guò)流量。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造后在不同運(yùn)行水頭下的出力、效率及過(guò)流量見(jiàn)表3。如發(fā)電機(jī)效率以 96%計(jì),則在凈水頭 28.34 m,流量 13 m3/s條件下,HLA551C-LJ-140機(jī)組出力可達(dá) 3033.6kW,突破了 3000kW。

表3 東武仕水電站 1#機(jī)轉(zhuǎn)輪改造前后對(duì)比表

5 效益分析

進(jìn)行這項(xiàng)技術(shù)改造,更新一個(gè)普通鑄造轉(zhuǎn)輪,總共投資 21.5萬(wàn)元,增加負(fù)荷 153～378kW,效率增加7%～11%,加權(quán)平均為9%,詳見(jiàn)表3。

經(jīng)統(tǒng)計(jì),從 2008年10月開(kāi)始,到 2009年12月,提高效率 9%后,共增加發(fā)電量 40多萬(wàn)kW·h,按上網(wǎng)電價(jià) 0.33元 /(kW·h)計(jì)算,已產(chǎn)生效益 13.2萬(wàn)元。預(yù)計(jì)到 2010年底,就可收回投資,且每年增加發(fā)電量30多萬(wàn)kW·h,增加效益 10萬(wàn)元。

6 借鑒與結(jié)論

1)東武仕水電站在現(xiàn)有工況下,對(duì) 1#機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行技術(shù)改造,利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù),選用一個(gè)新型、高效轉(zhuǎn)輪,水輪機(jī)最大出力由 2781kW提高到 3160kW。

2)東武仕水電站在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)水頭為30.5 m,而實(shí)際運(yùn)行達(dá)不到,建議在進(jìn)行電站設(shè)計(jì)時(shí),選擇技術(shù)參數(shù)一定要符合實(shí)際。

3)建議在電站施工時(shí),一定要達(dá)到設(shè)計(jì)要求,才能確保達(dá)到額定出力。

[1]JB/T 6310-92,中小型軸流式混流式轉(zhuǎn)輪系列型譜 [S].

[2]SL 193-97,小型水電站技術(shù)改造規(guī)程 [S].

[3]DL/T5186-2004,水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]湖北省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院.小型水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè):水利機(jī)械[M].北京:水利電力出版社,1985:1-61.