長金全 蘭舟

(1.四川國眾發(fā)電設(shè)備有限公司，四川德陽 618100;2.四川大學(xué)工程設(shè)計研究院，四川成都 610041)

1 電站概述及改造歷程

華電云南發(fā)電有限公司綠水河發(fā)電廠地處距離云南省個舊市100km的蔓耗鎮(zhèn)。綠水河二級電站裝機(jī)4臺，1號水輪機(jī)型號為2CJ－W－146/2×15，額定水頭305m，額定流量5.33m3/s，額定轉(zhuǎn)速500r/min，額定出力13MW，發(fā)電機(jī)型號為TSW－286/115－12;2～4號水輪機(jī)型號為HL683-LJ-140，額定水頭305m，額定流量6.02m3/s，額定轉(zhuǎn)速750r/min，額定出力15.63 MW，發(fā)電機(jī)型號為TSW－286/115－12。

綠水河電廠二級站是一座引水式高水頭電站，電站最大水頭331m，最小水頭295m，設(shè)計水頭305m，引用流量23.39m3/s，設(shè)計保證出力16.5MW，裝機(jī)容量 (13+3×15)MW。由于2～4號水輪機(jī)過流部件磨蝕嚴(yán)重，電站進(jìn)行了兩次較大的技術(shù)改造。第一次改造時間為1997年，改造對象為3號機(jī)組，由原來的HL683-LJ-140改為HLD261-LJ-140，發(fā)電機(jī)出力仍為15MW，轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)更換，改造基本實現(xiàn)了預(yù)期效果，特別是導(dǎo)葉磨蝕問題得到有效控制，實現(xiàn)了3年大修的目的。但限于當(dāng)時的技術(shù)水平，水輪機(jī)效率偏低。后來對2號、4號機(jī)進(jìn)行了改造，2號機(jī)改造沿用3號機(jī)組改造方案。4號機(jī)組由原來的HL683-LJ-140改造為HL125-LJ-140，轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)更換，改造基本實現(xiàn)了預(yù)期效果，實現(xiàn)了5年大修的目的。但降低了導(dǎo)葉高度，對蝸殼進(jìn)行了改動，水輪機(jī)出力受到較大限制，發(fā)電機(jī)最大出力為15MW，對電站效益有一定影響，特別是豐水期棄水較多，不能超發(fā)。

本次改造對象為綠水河二級電站4號水輪機(jī)，目的是機(jī)組出力由15MW提高到18MW。首先恢復(fù)原流道，將蝸殼內(nèi)填補(bǔ)物去除，恢復(fù)導(dǎo)葉高度為140mm。更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)、副頂蓋、副底環(huán)、控制環(huán)及其他相關(guān)部件，其他埋入通流部件不變，機(jī)組轉(zhuǎn)速750r/min不變，水輪機(jī)額定點效率不低于91%，同時，保證穩(wěn)定性和抗汽蝕能力不低于改造前水平。

2 改造轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計介紹

2.1 背景分析

HL683轉(zhuǎn)輪是當(dāng)時最高水頭段可以使用的唯一轉(zhuǎn)輪。

(1)HL683轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)如下:

曾用名:HL133;

導(dǎo)葉相對高度 (B0):0.1;

最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速 (n10):61r/min;

限制工況點單位流量:228L/s;

汽蝕系數(shù)σ:0.035(限制工況點);

使用水頭:250～400m;

(2)電站主要參數(shù)如下:

設(shè)計水頭 (Hp):305m;

額定轉(zhuǎn)速 (n):750r/min;

水輪機(jī)額定出力 (N水):15630kW;

吸出高度 (Hs):－1m;

汽蝕安全系數(shù)(K):1.024。從上述數(shù)據(jù)可以看出3號機(jī)組水輪機(jī)選型基本不合理，單位轉(zhuǎn)速略偏低，汽蝕安全余量嚴(yán)重不足，按現(xiàn)在技術(shù)要求，汽蝕安全系數(shù)應(yīng)大于1.5，故綠水河電站4號水輪機(jī)汽蝕嚴(yán)重在預(yù)料之中。

電站2號、3號機(jī)組改造時采用D261轉(zhuǎn)輪，汽蝕系數(shù)為0.025，汽蝕安全系數(shù)為1.98，完全滿足電站安裝高程。

本次改造任務(wù)技術(shù)要求出力由15MW增容到18MW，在電站水頭不變情況下，流量增加20%，流速基本增加20%，同時，需滿足汽蝕性能不下降和流道基本不變的要求。由于導(dǎo)葉高度和轉(zhuǎn)輪出口尺寸不能改變，能量指標(biāo)、汽蝕性能和穩(wěn)定性同時滿足要求的現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪基本不存在，只能在各項指標(biāo)接近的轉(zhuǎn)輪基礎(chǔ)上設(shè)計新轉(zhuǎn)輪。高水頭機(jī)組水力損失有50%左右由導(dǎo)水機(jī)構(gòu)產(chǎn)生，為此，本次設(shè)計充分考慮了導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪的匹配問題，對改造后的水輪機(jī)進(jìn)行了CFD仿真計算。

2.2 葉片設(shè)計

2.2.1 參數(shù)確定

設(shè)計水頭:Hp=305m;

額定轉(zhuǎn)速:n=750r/min;

水輪機(jī)出力:N水=18000kW/η發(fā)=18000/0.95=18947kW;

最優(yōu)點流量:Q優(yōu)=QP/1.15=6.96/1.15=6.05m3/s;

尾水管進(jìn)口直徑:D=951mm;

轉(zhuǎn)輪出口直徑確定:D2=945mm;

為設(shè)計方便，將轉(zhuǎn)輪直徑D1調(diào)整為1420mm。

導(dǎo)葉高度:B0=140mm;

轉(zhuǎn)輪直徑:D1=1420mm;

根據(jù)歐拉公式:

假設(shè)轉(zhuǎn)輪最優(yōu)效率為96%，且cu2=0，則

轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處旋轉(zhuǎn)速度:U1=nD1π/60=750×1.42×3.1415926/60=55.76m/s;

圓周方向無量綱速度分量:cu1=0.48/u1=0.66591;

汽蝕性能初步校核:

上述參數(shù)基本滿足汽蝕要求。

2.2.2 CFD仿真計算

在確定了轉(zhuǎn)輪上述參數(shù)后，進(jìn)行轉(zhuǎn)輪CFD仿真優(yōu)化設(shè)計，圖1為最終計算成果。

為使設(shè)計樣機(jī)盡可能與真機(jī)工況接近，在進(jìn)行CFD仿真計算時將導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了聯(lián)合仿真計算，分別計算了導(dǎo)葉開度在8°、10°、13°、15°、20°的5種工況，導(dǎo)葉在小開度8°、10°時，葉片進(jìn)水邊低壓產(chǎn)生，同時，從圖2中可以清晰看出不同開度下水流出流狀況，在個工況下葉片壓力分布合理，機(jī)組的出力和額定點效率完全可以保證。

3 改造部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

綠水河電站為高水頭電站，水輪機(jī)為兩段軸型式中拆結(jié)構(gòu)，在檢修水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪時，不用拆發(fā)電機(jī)，在水機(jī)層，拆除中段軸、副頂蓋、軸承、控制環(huán)等后就可以直接取出水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。

本次改造轉(zhuǎn)輪與原轉(zhuǎn)輪在結(jié)構(gòu)尺寸中略有變化，主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪最大外徑和轉(zhuǎn)輪出口到底環(huán)平面距離增加。為在結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡量按原結(jié)構(gòu)設(shè)計，將局部尺寸進(jìn)行了修改，保證在不拆除頂蓋的情況下可以取出水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。將原下密封梳齒結(jié)構(gòu)改為臺階密封結(jié)構(gòu)，這樣可以防止發(fā)生密封處自激現(xiàn)象，原尾水管未改動。

在解決頂蓋變形方面電站積累了豐富經(jīng)驗，將最初的鑄件頂蓋改為實心鑄件頂蓋，將套筒結(jié)構(gòu)改為無套筒結(jié)構(gòu)，將頂蓋法蘭由原來85mm加厚為135mm。經(jīng)過改造，頂蓋變形量由2mm左右減小到接近0mm，克服了導(dǎo)葉運行中發(fā)卡現(xiàn)象，頂蓋變形問題得到解決，保證了軸承和密封的安全可靠運行。本次改造沿用該方案。

導(dǎo)葉采用表面相對流速較低的帶有偏心的負(fù)曲率導(dǎo)葉，提高導(dǎo)葉本體的抗磨蝕性能。活動導(dǎo)葉選用16只，采用ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼整體鑄造而成?；顒訉?dǎo)葉翼型與一般水輪機(jī)導(dǎo)葉不同，有較大偏心，使負(fù)壓面平順光滑，上、下軸徑的過渡凸肩偏置于正壓面，從而避免凸肩在背壓面誘發(fā)磨蝕。

圖2 計算工況

4 改造部件加工工藝

4.1 轉(zhuǎn)輪加工

轉(zhuǎn)輪采用19個葉片，轉(zhuǎn)輪全不銹鋼材料(ZG06Cr13Ni4Mo)。為保證型線要求，葉片正背面采用數(shù)控設(shè)備加工，上冠、下環(huán)過流面采用數(shù)控車床加工，轉(zhuǎn)輪葉片型線及焊接剖口為三維造型數(shù)控加工，保證了葉片型線與設(shè)計型線完全相符，同時也保證了裝焊轉(zhuǎn)輪時葉片進(jìn)口角度，以及葉片間開口誤差遠(yuǎn)小于設(shè)計手冊要求值。

4.2 導(dǎo)葉加工

導(dǎo)葉數(shù)為16個，材料 ZG06Cr13Ni4Mo，導(dǎo)葉板體型面在數(shù)控加工中心完成，導(dǎo)葉板體型線、軸頸尺寸、密封面完全達(dá)到設(shè)計要求，在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配時一次檢查合格。

4.3 頂蓋加工

本次改造由于頂蓋沒有套筒，軸套為銅基石墨自潤滑，頂蓋導(dǎo)葉孔的加工非常重要。首先，在頂蓋半精加工時需采用數(shù)控設(shè)備，分度圓精度達(dá)到0.03mm/m以內(nèi)，把16個導(dǎo)葉孔加工好，軸套位置的尺寸全部進(jìn)入公差，再將軸套冷凍后放入，保證軸套與軸套孔有一定緊量，防止軸套滑動。

頂蓋抗磨板在軸套裝入后才能裝焊。為防止高壓水進(jìn)入抗磨板和頂蓋的間隙，將每一塊抗磨板和頂蓋焊實，保證高壓水不能進(jìn)入。將每個靠近軸套的抗磨板作為一個環(huán)形部件與頂蓋和抗磨板焊牢。最后將軸套內(nèi)孔在車序完成后，重新找正加工。軸套與導(dǎo)葉軸頸間隙0.06mm左右，以改善導(dǎo)葉受力狀況，銅基石墨自潤滑軸套具有摩擦系數(shù)低、承載能力高等特點，可以減少導(dǎo)葉與軸套配合面的磨損，軸套按十年使用壽命設(shè)計。

4.4 其他改造

頂蓋上原有控制環(huán)導(dǎo)向環(huán)為鑄鐵材料，本次改造更換為銅基石墨自潤滑環(huán)，能減少摩擦阻力，提升產(chǎn)品品質(zhì)。

導(dǎo)葉軸套本次改造更換為銅基石墨自潤滑軸套，為內(nèi)藏式結(jié)構(gòu)，大修時不用更換。

5 實際運行效果

本次更換設(shè)備制造質(zhì)量較好，安裝順利。

機(jī)組在空轉(zhuǎn)24h后，帶負(fù)荷運行，對各個開度進(jìn)行了試驗，沒有發(fā)現(xiàn)振動區(qū)域，機(jī)組出力達(dá)到設(shè)計要求，業(yè)主非常滿意。2012年3月，4號水輪機(jī)改造后投入運行，至今效果良好。

6 總結(jié)

高水頭機(jī)組的選型、水力設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝及安裝要求都非常高，本次改造轉(zhuǎn)輪幾乎是混流式轉(zhuǎn)輪小流量的極限，設(shè)計難度和加工難度比常規(guī)機(jī)組大。通過此次改造，筆者從實際運行維護(hù)中取得了寶貴經(jīng)驗，對高水頭、高轉(zhuǎn)速及中拆結(jié)構(gòu)有了更進(jìn)一步的認(rèn)識。本次改造經(jīng)驗可為同類型電站水輪機(jī)改造所借鑒。