張樹(shù)存,謝麗華

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310002)

1 電站概況

巖石嶺水庫(kù)一級(jí)水電站位于富陽(yáng)市胥口鎮(zhèn)上練村,為壩后式電站。電站始建于1979年,總裝機(jī)容量1 500 kW,電站廠房?jī)?nèi)共裝有3臺(tái)500 kW的立式軸流定槳式水輪發(fā)電機(jī)組。1992年2號(hào)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行改造時(shí),由500 kW擴(kuò)容至580 kW,使得電站總裝機(jī)容量增加至1 580 kW。2010年電站再次增效擴(kuò)容,將原電站2臺(tái)500 kW立軸軸流定槳式水輪發(fā)電機(jī)組及1臺(tái)580 kW立軸軸流定槳式水輪發(fā)電機(jī)組,改造為3臺(tái)630 kW立軸軸流定槳式水輪發(fā)電機(jī)組。電站主要參數(shù):最大水頭 Hmax為 15.81 m,額定水頭 Hr為11.0 m,最小水頭 Hmin為9.0 m;裝機(jī)容量為3×630 kW,多年平均發(fā)電量為365萬(wàn)kW·h。

2 水輪發(fā)電機(jī)組增效擴(kuò)容改造方案

2.1 增效擴(kuò)容改造原則

巖石嶺水庫(kù)一級(jí)水電站是在不改變其主要水工建筑物以及設(shè)備埋設(shè)部件的情況下,進(jìn)行水輪發(fā)電機(jī)組增效擴(kuò)容改造,需要設(shè)計(jì)人員較深入地了解電站老機(jī)組的運(yùn)行情況,到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行細(xì)致地查勘,并且需要具有法定資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具的機(jī)組設(shè)備鑒定證書以及原電站老機(jī)組的設(shè)計(jì)圖紙資料。

(1)掌握電站老機(jī)組的現(xiàn)狀是做好機(jī)組改造的重要條件,只有掌握了老機(jī)組的現(xiàn)狀才能對(duì)機(jī)組設(shè)備的改造方案提供可靠的依據(jù)。

(2)了解廠家提供的老機(jī)組的設(shè)計(jì)圖紙,讓設(shè)計(jì)人員清楚地知道機(jī)組設(shè)備的結(jié)構(gòu)情況,了解機(jī)組設(shè)備哪些部件是可以拆出檢修或更換,哪些是無(wú)法拆出的,這是確定改造方案的基礎(chǔ)。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)了解及第三方出具的機(jī)組 《安全檢測(cè)報(bào)告》發(fā)現(xiàn):各主要設(shè)備均有不同程度的老化、磨損和銹蝕;主要電器設(shè)備的絕緣明顯不符合安全運(yùn)行要求;導(dǎo)水機(jī)構(gòu)及機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)等部件銹蝕、磨損、滲漏嚴(yán)重。每年必須全面維護(hù)檢修方可勉強(qiáng)繼續(xù)運(yùn)行。

2.2 原機(jī)組存在的主要問(wèn)題[1]

根據(jù)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀況分析,電站水輪發(fā)電機(jī)組主要存在以下隱患和問(wèn)題:

2.2.1 發(fā)電機(jī)部分

3臺(tái)發(fā)電機(jī)的定子線圈均為B級(jí)瀝青絕緣,耐溫低、絕緣水平差。經(jīng)過(guò)30 a的運(yùn)行,由于熱、電和材料自身的老化等因素,線圈出現(xiàn)不同程度絕緣層裂紋、剝落,絕緣明顯不符合要求。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈為B級(jí)瀝青絕緣,老化也比較嚴(yán)重,停機(jī)時(shí)間超過(guò)48 h后,定、轉(zhuǎn)子絕緣就無(wú)法滿足正常開(kāi)機(jī)并網(wǎng)要求,須空載烘干幾小時(shí)才能并網(wǎng)發(fā)電。從檢測(cè)結(jié)果分析,絕大部分技術(shù)資料都不符合要求。

2.2.2 水輪機(jī)部分

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪因氣蝕、磨損都經(jīng)過(guò)不同程度的補(bǔ)焊,轉(zhuǎn)輪的平衡度和葉片的表面光潔度都很差,導(dǎo)致水機(jī)構(gòu)銹蝕、磨損嚴(yán)重。水輪機(jī)的導(dǎo)葉立面間隙較大,并呈逐年增加趨勢(shì),且導(dǎo)葉漏水嚴(yán)重致使機(jī)組停機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),造成推力軸瓦及鏡板過(guò)度磨損,給機(jī)組安全運(yùn)行造成隱患。

2.3 現(xiàn)狀原機(jī)組的可拆卸方案

2.3.1 發(fā)電機(jī)

通過(guò)廠家提供的老機(jī)組的設(shè)計(jì)圖紙,發(fā)現(xiàn)老機(jī)組發(fā)電機(jī)可以整體拆出返廠檢修。

2.3.2 水輪機(jī)

水輪機(jī)可以拆出部件主要有:①水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分:轉(zhuǎn)輪、主軸、機(jī)導(dǎo)軸承、主軸密封及其它組成部件;②水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)部分:頂蓋、底環(huán)、導(dǎo)葉、導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(包括導(dǎo)葉臂、連桿、連接板)控制環(huán)、頂蓋抗磨板、底環(huán)抗磨板等。

2.4 增效擴(kuò)容改造方案[1]

2.4.1 發(fā)電機(jī)部分

更換3臺(tái)發(fā)電機(jī)的線圈和絕緣、推力軸瓦更新為彈性金屬塑料瓦、制動(dòng)器及所有自動(dòng)化元件。

2.4.2 水輪機(jī)部分

僅保留蝸殼、座環(huán)、尾水管等埋設(shè)部件。更換3臺(tái)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分:水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、水輪機(jī)主軸、水輪機(jī)導(dǎo)軸承、水輪機(jī)主軸密封及其它組成部件;導(dǎo)水機(jī)構(gòu)部分:頂蓋、底環(huán)、導(dǎo)葉、導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(包括導(dǎo)葉臂、連桿、連接板)控制環(huán)、頂蓋抗磨板、底環(huán)抗磨板等;所有自動(dòng)化元件。

為確保導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在電站安裝的順利進(jìn)行,需另制造1套在廠內(nèi)裝配所需的工作座環(huán)。

3 水輪機(jī)機(jī)型的選擇[1-2]

3.1 機(jī)型選擇原則

對(duì)于不改變主要水工建筑物及埋設(shè)部件的增容改造電站,水輪機(jī)機(jī)型選擇的主要原則:①新轉(zhuǎn)輪推薦使用的水頭應(yīng)滿足電站的工作水頭;②新轉(zhuǎn)輪效率應(yīng)明顯高于原轉(zhuǎn)輪,且有較好的過(guò)流能力以滿足增容的要求;③汽蝕性能應(yīng)優(yōu)于或至少等于原轉(zhuǎn)輪,以滿足電站實(shí)際的裝機(jī)吸出高度要求;④新轉(zhuǎn)輪與老轉(zhuǎn)輪尺寸相當(dāng),以滿足水輪機(jī)安裝要求;⑤新轉(zhuǎn)輪的流道尺寸盡可能與老轉(zhuǎn)輪的流道尺寸相近,以滿足水輪機(jī)相似性的要求。

3.2 選型設(shè)計(jì)

3.2.1 模型轉(zhuǎn)輪選擇

該電站原水輪機(jī)型號(hào)為ZD661-LH-120,轉(zhuǎn)輪直徑為1.2 m,水輪機(jī)額定效率為81.5%;發(fā)電機(jī)型號(hào)為TS173/34-16,額定轉(zhuǎn)速為375 r/min。ZD661轉(zhuǎn)輪是20世紀(jì)五六十年代我國(guó)從蘇聯(lián)引進(jìn)的轉(zhuǎn)輪,其最優(yōu)比轉(zhuǎn)速442 m·hp,限制工況比轉(zhuǎn)速651 m·hp,最優(yōu)單位流量0.92 m3/s,最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速128 r/min,最優(yōu)效率87%,限制工況空蝕系數(shù)0.8,抗空蝕性能差。

根據(jù)該電站的水頭范圍,并考慮老機(jī)組轉(zhuǎn)輪的匹配性,以及與水輪發(fā)電機(jī)組制造廠家交流溝通,比較適用的軸流定槳式轉(zhuǎn)輪有ZDJP502、ZD560。

根據(jù)該電站機(jī)組改造方案,發(fā)電機(jī)更換定子線圈和轉(zhuǎn)子磁極線圈等,水輪機(jī)埋入部分不動(dòng),轉(zhuǎn)輪直徑1.2 m不變,轉(zhuǎn)速為375 r/min,額定水頭為11 m,發(fā)電機(jī)增容后額定容量為630 kW,以此計(jì)算的轉(zhuǎn)輪額定點(diǎn)比轉(zhuǎn)速約489.53 r/min、單位流量約1.554 m3/s、單位轉(zhuǎn)速135.7 r/min。以此要求看,轉(zhuǎn)輪ZDJP502、ZD560中均有1個(gè)葉片安裝角的單位流量和單位轉(zhuǎn)速 (ZDJP502/0°和ZD560/10°)適合該電站的工況,這2個(gè)模型轉(zhuǎn)輪最優(yōu)工況點(diǎn)性能與ZD661比較見(jiàn)表1。

表1 模型轉(zhuǎn)輪性能比較表

從表1性能參數(shù)可以看出,ZDJP502/0°和ZD560/10°的單位轉(zhuǎn)速與ZD661/0°的單位轉(zhuǎn)速相差不大,而單位流量均較ZD661/0°有大幅提高,使增容得以實(shí)現(xiàn)。其中ZDJP502是中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利機(jī)電研究所研制的,近年來(lái)在小水電站中使用較多,過(guò)流量大,抗汽蝕性能較好,而且效率也明顯高于另外2個(gè)轉(zhuǎn)輪。而ZD560是我國(guó)早期應(yīng)用的轉(zhuǎn)輪,曾用于葛洲壩水電站,高效率區(qū)單位流量的范圍較小,且能量指標(biāo)也不理想。

3.2.2 流道差異的影響

由于水輪機(jī)埋入部分均維持原樣,更換新轉(zhuǎn)輪后,老流道可能不完全與新轉(zhuǎn)輪匹配,對(duì)整體水輪機(jī)的性能會(huì)有某些影響。根據(jù)軸流式水輪機(jī)的特點(diǎn),對(duì)水輪機(jī)性能影響較大的有尾水管的高度、直錐管的錐角、導(dǎo)葉高度和輪轂比。ZD661、ZD560、ZDJP502水輪機(jī)流道的主要區(qū)別見(jiàn)表2。

表2 水輪機(jī)流道參數(shù)比較表

由表2可知,ZDJP502的輪轂比較前2者要小,因此過(guò)流能力較大,導(dǎo)葉數(shù)、導(dǎo)葉高度都與原轉(zhuǎn)輪相同,但ZD560所需的導(dǎo)葉數(shù)較多;導(dǎo)葉分布圓直徑ZD560和ZDJP502相近,而目前水輪機(jī)的導(dǎo)葉分布圓直徑較大;尾水管的高度和錐角對(duì)于水輪機(jī)出口尾水能量的回收有一定影響,ZDJP502要求的尾水管高度較大,而電站目前的尾水管高度較小,對(duì)新轉(zhuǎn)輪的效率有一定的負(fù)面影響。

綜合分析比較以上轉(zhuǎn)輪的性能參數(shù)和流道差異,ZDJP502/0°以效率高、抗氣蝕性能好,明顯優(yōu)于其他方案。

4 選定的水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)

經(jīng)綜合分析比較,選用ZDJP502-LH-120水輪機(jī)(參數(shù)見(jiàn)表3),配SF630-16/1730發(fā)電機(jī)(參數(shù)見(jiàn)表4)更適合此工程。

表3 水輪機(jī)參數(shù)表

表4 發(fā)電機(jī)參數(shù)表

5 結(jié) 語(yǔ)

老電站機(jī)組的增效擴(kuò)容改造工作已在全國(guó)普遍進(jìn)行,水輪發(fā)電機(jī)組增效擴(kuò)容改造方案及水輪機(jī)機(jī)型選擇的合理性,對(duì)改造工作的順利展開(kāi)至關(guān)重要,希望能夠給相關(guān)工作提供一點(diǎn)參考。

[1]謝麗華,張樹(shù)存,潘利國(guó),等.浙江省富陽(yáng)市巖石嶺水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程一級(jí)電站報(bào)廢重建初步設(shè)計(jì)專題報(bào)告 [R].杭州:浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,2010.

[2]青長(zhǎng)庚,吳次光,于明新,等.《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》[M].北京:水利電力出版社,1983.