農(nóng)云峰

那岸水電站增效擴容改造工程機組組要參數(shù)選擇

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文章結(jié)合那岸水電站增效擴容改造工程，介紹合理選擇機組的單機容量、額定水頭、額定轉(zhuǎn)速等機組主要參數(shù)，確定其改造方案。

增效擴容；機組；主要參數(shù)選擇

一、電站概述

那岸水電站位于大新縣雷平鎮(zhèn)那岸村王孟屯，黑水河上游，距大新縣城約46公里，水庫處于石灰?guī)r狹谷地帶，庫區(qū)四周為高山，壩址以上控制集雨面積3180km2，壩址多年平均流量81.3 m3/s，年徑流量23.8億m3，攔河壩為大頭溢流式，溢流壩段高47m，非溢流壩段高57m，總庫容2915萬m3，有效庫容844萬m3，設(shè)計洪水流量2600m3/s。電站為壩后式，電站原裝機容量4×3200kW，設(shè)計保證出電2600kW，多年平均發(fā)電量7003萬kWh，年利用小時4377h。那岸電站于1970年元月破土動工，1974年4月，1#機組試機運行，1977年4月，4臺機組全部投產(chǎn)。那岸電站于2000年對1～4#機組進行了一次技術(shù)改造，受當(dāng)時經(jīng)濟技術(shù)條件所限，僅對發(fā)電機進行了技術(shù)改造，將發(fā)電機單機容量由3200kW擴容至4000kW，水輪機未進行技術(shù)改造。根據(jù)多年運行情況及水文水能觀測，電站尚有富余的流量可利用，具備增容擴建的條件。為充分利用水力資源，擬將電站1～4#機組可擴容至4× 4200kW。

二、電站基本參數(shù)

水庫和電站主要技術(shù)參數(shù)如下表1。

（一）水輪發(fā)電機組現(xiàn)狀

1.水輪發(fā)電機組現(xiàn)狀主要技術(shù)參數(shù)

那岸水電站現(xiàn)有1～4#機組為混流式水輪發(fā)電機組，水輪發(fā)電機組的參數(shù)如下表2。

表1 電站基本參數(shù)表

表2 水輪發(fā)電機組現(xiàn)狀主要技術(shù)參數(shù)表

2.機組現(xiàn)存問題及技術(shù)改造必要性

那岸水電站水輪發(fā)電機組經(jīng)過多年的運行，設(shè)施設(shè)備已經(jīng)老化，主要存在以下問題：

（1）水輪機存在的問題

現(xiàn)有1～4#水輪機經(jīng)過近四十年運行，機組設(shè)備老化、性能下降、嚴(yán)重影響了機組的安全穩(wěn)定運行。水輪機轉(zhuǎn)輪體、葉片過流表面磨蝕嚴(yán)重，轉(zhuǎn)輪間隙大，耗水量大，水輪機效率下降；頂蓋、底環(huán)等磨損嚴(yán)重，致使水輪機漏水量加大；軸承軸瓦間隙大，機組震動大、噪音偏大；導(dǎo)葉軸套磨損，導(dǎo)葉間隙偏大致使漏水量大。水輪機存在的以上問題雖經(jīng)多次修繕，但仍不能從根本上解決，導(dǎo)致水輪機整體效率下降，浪費水資源。

（2）發(fā)電機存在的問題

發(fā)電機絕緣老化，空冷器損壞，定子、轉(zhuǎn)子運行溫度高，嚴(yán)重影響機組的安全運行。

2000年技改前，發(fā)電機原定子及轉(zhuǎn)子線圈均為鋁芯線圈，線圈內(nèi)阻大，載流能力低，由于運行年限較長，定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈絕緣老化（原采用的是B級絕緣），絕緣電阻下降，存在較大的安全隱患；2000年將機組由3200kW擴容至4000kW時，僅將定子線圈更換為為銅芯線圈、增加線圈匝數(shù)及提升絕緣等級為F級，定子其他部件未進行改造；而轉(zhuǎn)子則未進行任何改造，轉(zhuǎn)子線圈仍為鋁芯線圈，線圈匝數(shù)也未增加，這樣出現(xiàn)了勵磁電流增大而轉(zhuǎn)子線圈載流能力不足的現(xiàn)象，導(dǎo)致了發(fā)電機運行溫度偏高，個別測點的溫度甚至接近100℃；另外，定子鐵芯高度不足，磁通受限，轉(zhuǎn)子的磁軛疊片的風(fēng)槽面積不足，空冷器熱交換能力下降，也是造成定發(fā)電機運行溫度升高的原因。發(fā)電機長期處于較高的溫度環(huán)境下運行，加速了設(shè)備老化，導(dǎo)致絕緣降低，甚至可能發(fā)生擊穿的危險，危害到了發(fā)電機的安全運行。

（3）機組技術(shù)改造必要性

電站現(xiàn)有機組技術(shù)性能落后，且經(jīng)過多年運行，機組設(shè)備老化嚴(yán)重、各項技術(shù)性能大幅度下降，已嚴(yán)重影響了機組的安全穩(wěn)定運行。為充分利用水資源，確保電站安全穩(wěn)定運行，對電站現(xiàn)有機組進行技術(shù)改造已刻不容緩，勢在必行。

三、水輪發(fā)電機組增效擴容改造方案

（一）水輪機的選擇

1.水輪機額定水頭

水電站壩前正常蓄水位217.0m，正常尾水位180.0m，電站加權(quán)平均水頭為34.3m，本電站水輪機額定水頭取值為33.8m。

2.水輪機機型選擇

機組水輪機運行水頭范圍為25～35m，根據(jù)水電站運行水頭的變幅，適用于本電站水頭范圍的水輪機機型有軸流式水輪機和混流式水輪機。由于原機組為混流式機組，如更新為軸流式機組相應(yīng)的配套部件更改工作量較大，且軸流式水輪機空化系數(shù)較大，機組結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，故在此對軸流式水輪機不做深入的比選。混流式水輪機具有結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝方便、運轉(zhuǎn)可靠，同時具有較高效率、較小的空化系數(shù)，國內(nèi)設(shè)計制造經(jīng)驗成熟，在工程實踐中此水頭段的混流式機組有豐富的運行經(jīng)驗，推薦采用混流式水輪機。

3.單機容量和機組臺數(shù)

電站1～4#機組現(xiàn)有裝機容量為4×4000kW，經(jīng)水文水能專業(yè)分析計算，電站水資源尚未被充分利用，仍有增容改造空間，根據(jù)水能計算成果，1～4#機組可擴容至4×4200kW。為減少擴容改造投資及工程量，擴容改造方案應(yīng)盡可能利用現(xiàn)有水輪機坑和發(fā)電機機座，因此改造后水輪機轉(zhuǎn)輪直徑及額定轉(zhuǎn)速應(yīng)與現(xiàn)機組一致。1～4#機組現(xiàn)有水輪機型號為HL240-LJ-140，轉(zhuǎn)輪直徑1.4m，額定轉(zhuǎn)速300r/min，機組發(fā)4000kW額定出力時，對應(yīng)的水輪機單位流量為1.226 m3/s，而HL240轉(zhuǎn)輪限制工況單位流量為1.24 m3/s，擴容余地非常有限。為充分利用水資源，在不改變轉(zhuǎn)輪直徑、機組轉(zhuǎn)速的條件下將機組單機額定出力擴容至4200kW，需要更換最優(yōu)工況單位轉(zhuǎn)速與原有轉(zhuǎn)輪HL240接近且過流能力更大、效率更高的新型號高性能轉(zhuǎn)輪。新轉(zhuǎn)輪提高了水輪機過流能力，水能利用率提高，但同時機組改造投資也相應(yīng)增大。因此，應(yīng)對4×4000kW（方案一）和4×4200kW（方案二）兩個方案從電站發(fā)電效益、機組改造投資、機組性能參數(shù)、單位電能投資等方面進行綜合分析比較，論證單機容量選擇的合理性，計算分析比較結(jié)果如下表3。

從上表可以看到，兩個方案相比較，在機組技術(shù)參數(shù)方面兩個方案均能滿足機組安全、穩(wěn)定、可靠運行的要求，方案二在能量效率指標(biāo)、空化性能等方面略優(yōu)。在發(fā)電效益及經(jīng)濟指標(biāo)方面，方案二在水輪機、發(fā)電機改造費用及電站技改總投資方面略高，但多年平均年發(fā)電量及機組總裝機容量較方案一均有所提高，因此，單位千瓦投資、單位電能投資等指標(biāo)較優(yōu)。

表3 機組單機容量分析比較結(jié)果表

經(jīng)綜合比較認(rèn)為，方案二除改造費用有所增加外，機組性能參數(shù)、水能利用率、單位電能投資、電站發(fā)電效益等技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)均優(yōu)于方案一。因此，推薦方案二：4×4200kW擴容改造方案。

4.水輪機模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)選擇

電站1～4#機組裝機容量4×4200kW，采用混流式水輪機，適用的轉(zhuǎn)輪有HL820，JF3642，F(xiàn)12。幾種模型轉(zhuǎn)輪的特性參數(shù)及真機性能參數(shù)如下表4。

表4 水輪機模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)及其適用性分析比較表

經(jīng)過對上表模型轉(zhuǎn)輪技術(shù)參數(shù)的分析比較可知，三個轉(zhuǎn)輪過流能力及效率方面均可滿足機組擴容改造的要求。HL820和F12最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速分別為82 r/min、83.5 r/min，按轉(zhuǎn)輪直徑1.4m計，機組轉(zhuǎn)速為333 r/min，較原機組轉(zhuǎn)速高一級，JF3642最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速為71.63 r/min，對應(yīng)機組轉(zhuǎn)速為300 r/min，與原機組轉(zhuǎn)速相同，無需對發(fā)電機基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)作較大改動，節(jié)約改造成本。因此，推薦JF3642轉(zhuǎn)輪方案。

5.水輪機安裝高程的復(fù)核

電站裝設(shè)四臺立軸混流式水輪機，機組的安裝高程應(yīng)同時滿足在各種可能出現(xiàn)的運行工況下避免空蝕的要求以及尾水管出口最小淹沒深度的要求。電站設(shè)計尾水位按一臺水輪機額定流量對應(yīng)的尾水位180.00m考慮。本電站水輪發(fā)電機組安裝高程：

其中:

▽W(xué)——一臺水輪機額定流量對應(yīng)的下游水位，▽W(xué)=180.00 m

Hs——水輪機吸出高度，Hs≤2.6，空化安全系數(shù)按K=1.5考慮

b0——導(dǎo)葉高度，b0=0.511 m

此次改造利用原水輪機坑，水輪機安裝高程與原機組相同，原安裝高程為181.50m＜182.86m，因此，水輪機安裝高程滿足要求。

（二）水輪發(fā)電機組改造

1.水輪機改造

本次增效擴容改造水輪機主要改造項目為：更換水輪機不銹鋼轉(zhuǎn)輪、水輪機頂蓋、底環(huán)、相應(yīng)的配套部件更換。

2.發(fā)電機改造

本次增效擴容改造發(fā)電機主要改造項目為：更換定子繞組線圈、轉(zhuǎn)子繞組線圈、發(fā)電機空冷器、推力軸承軸瓦。定子、轉(zhuǎn)子繞組線圈繞組采用“F”級絕緣，保證發(fā)電機在額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)0.8（滯后）和發(fā)出額定出力時最大溫升不得超過國標(biāo)GB1029規(guī)定值。

四、增效擴容改造后水輪發(fā)電機組主要技術(shù)參數(shù)

增效擴容改造后水輪發(fā)電機組主要技術(shù)參數(shù)如下表5。

表5 增效擴容改造后水輪發(fā)電機組主要參數(shù)表

[1]水輪機基本技術(shù)條件 GB/T 15468-2006.

[2]水輪發(fā)電技術(shù)條件 GB/T 7894-2009.

農(nóng)云峰，廣西南寧水利電力設(shè)計院工程師，研究方向：水電動力工程及自動化專業(yè)設(shè)計，廣西南寧，530001

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1007-7723（2014）03-0043-0004