余水發(fā)

（上饒市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院江西上饒334000）

中小型水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)在實(shí)際電站改造中的應(yīng)用

余水發(fā)

（上饒市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院江西上饒334000）

本文以玉山縣七一水電站為例，對(duì)電站的基本情況進(jìn)行了詳細(xì)介紹，結(jié)合水電站的具體情況對(duì)水電站水輪機(jī)的型號(hào)選擇、參數(shù)設(shè)計(jì)等進(jìn)行了分析研究，對(duì)水輪機(jī)設(shè)備的改造和安裝進(jìn)行了探討，水電站經(jīng)過水輪機(jī)改造后運(yùn)行穩(wěn)定，發(fā)電量顯著增加，單位千瓦耗電量顯著降低，達(dá)到了預(yù)期的改造目標(biāo)，以期為類似案例提供借鑒。

中小型水電站；水輪機(jī)選型；電站改造；應(yīng)用

1　工程概況

七一水電站位于玉山縣金沙溪中游的棠梨山右側(cè)，距玉山縣城16km。是一座以灌溉為主結(jié)合發(fā)電的?。ǘ┬碗娬?。七一水電站3#機(jī)系南昌輕工機(jī)械廠（現(xiàn)為江西柴油機(jī)廠）試制產(chǎn)品，于1983年更換為杭州發(fā)電設(shè)備廠制造的水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量改為1250kW；2#機(jī)投運(yùn)后于1994年進(jìn)行了擴(kuò)容改造，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪更換為HLA286型號(hào)，直徑D1=1.33m，發(fā)電機(jī)容量改造為4000kW（只改造定轉(zhuǎn)子線圈轉(zhuǎn)子鐵芯）；1#機(jī)投運(yùn)后1993年進(jìn)行了擴(kuò)容改造，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪更換為HLA244，直徑D1=1.32m，發(fā)電機(jī)容量改造為4000kW（只改造定轉(zhuǎn)子線圈轉(zhuǎn)子鐵芯）。3臺(tái)機(jī)勵(lì)磁分別于1993年～1994年改為靜止可控硅勵(lì)磁（模擬電路）。由于電站3臺(tái)機(jī)投入運(yùn)行時(shí)間間隔較大，本電站設(shè)計(jì)了3臺(tái)變壓器，采用單機(jī)單變升壓至35kV與系統(tǒng)并網(wǎng)送電至下游5km的雙明35kV變電站。6.3kV母線又有2臺(tái)近區(qū)變壓器升壓至10kV供近區(qū)負(fù)荷，形成了七一供電區(qū)。電站的6.3kV母線為單母線分段接線，其母線為硬鋁母線35kV電壓等級(jí)為單母線接線。

2　玉山縣七一水電站基本狀況分析

玉山縣七一水電站中的1#機(jī)經(jīng)過了40年的發(fā)展歷程，1994年進(jìn)行水電站改造時(shí)將型號(hào)為HLA263-LJ-134的水機(jī)轉(zhuǎn)變成HL286-LJ-132型號(hào)，并更換了水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪與發(fā)電子的定子線圈，轉(zhuǎn)子的速度也從原來的273rmp提升至333rmp，機(jī)組工作的功率從3000kW提升至4000kW，現(xiàn)階段通過檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)大軸的主軸密封處磨損大約有7mm～8mm，磨損現(xiàn)象較為嚴(yán)重。該設(shè)備的2#機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過了50年。另外在1993年對(duì)同時(shí)運(yùn)行的1#機(jī)組也進(jìn)行了改進(jìn)，提升了機(jī)組自身轉(zhuǎn)速和機(jī)組容量。但由于機(jī)組運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)，仍存在鐵心損壞，冷卻器堵塞以及軸承溫度過高等一系列問題。其中大部分設(shè)備已經(jīng)超過報(bào)廢期限，因此本次改造應(yīng)當(dāng)更加全面，除了對(duì)埋入部分進(jìn)行整體性更換之外，還應(yīng)當(dāng)對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行更換，對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和發(fā)電機(jī)進(jìn)行整體更換。

3#機(jī)組已經(jīng)于1981年進(jìn)行了全面更換，但是由于安裝高程較低，環(huán)境潮濕，使得設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生了嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，軸承的溫度更超過了其所能夠承受的極限，因此設(shè)備當(dāng)前基本處于報(bào)廢狀態(tài)，需要在本次改造過程中進(jìn)行全面更換。本電站的3#機(jī)組的調(diào)速器全部為機(jī)械調(diào)速器，自身調(diào)節(jié)品質(zhì)較差，大部分零件都已經(jīng)停止生產(chǎn)，設(shè)備已經(jīng)到了報(bào)廢期，須進(jìn)行更換［1］。該機(jī)組所使用的勵(lì)磁是傳統(tǒng)的相復(fù)勵(lì)模擬電路，須進(jìn)行整體改造。此外，該設(shè)備的進(jìn)水閥門采取空氣圍帶進(jìn)行密封，由于已超出使用年限，存在極為嚴(yán)重的漏水現(xiàn)象，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行整體改造。

3　水輪機(jī)及其附屬設(shè)備

3.1水輪機(jī)型式的選擇

本水電站水頭范圍為24.79m～44m。根據(jù)電站水頭范圍及裝機(jī)容量，本電站適用混流式轉(zhuǎn)輪。本次改造，針對(duì)原有的A244、HLA286兩臺(tái)立式機(jī)組轉(zhuǎn)輪加入HLA551進(jìn)行比較，原有臥式機(jī)組加入F13進(jìn)行比較。適用的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪參數(shù)見表1。

3.2水輪機(jī)基本參數(shù)的選擇

為了保證電站在額定水頭工況下所有機(jī)組能夠滿發(fā)，額定水頭的選擇按機(jī)組滿發(fā)需要的水頭選擇［2］?，F(xiàn)將2臺(tái)立式和1臺(tái)臥式這兩個(gè)容量方案分別進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較列于表2、表3。

從上表中可以看出，其中1#、2#機(jī)組的第一套改進(jìn)方案比第二組改進(jìn)方案投資少了24萬元，而且該種設(shè)備的水機(jī)使用效率可以提升2%，基于此，在實(shí)際改進(jìn)過程中應(yīng)當(dāng)使用方案一。

根據(jù)表2得知，在3號(hào)機(jī)組的改進(jìn)過程中投入的資金數(shù)量相對(duì)于方案一多14.9萬元，而水機(jī)的使用效率雖然和方案一相同，但是分析其綜合使用效率，方案二的總體效率略高。此外考慮到電站改裝成本的重要因素，在本階段的改進(jìn)過程中應(yīng)當(dāng)選擇使用第二套方案。

表1　適用本站混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)表

表2　1#、2#機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

表3　3#機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

3.3對(duì)于水輪機(jī)附屬設(shè)備的改造

（1）調(diào)速器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，發(fā)現(xiàn)在本設(shè)備的1#、2#機(jī)組水輪中應(yīng)當(dāng)配置兩個(gè)微型調(diào)速器，要求其額定油壓為16MPa；而3號(hào)機(jī)組所配備的微型調(diào)速器的額定油壓則應(yīng)當(dāng)為2.5MPa。

（2）進(jìn)水閥裝置的改進(jìn)。對(duì)機(jī)組中原有的水輪機(jī)直流操作進(jìn)水蝶閥進(jìn)行更換，即全部更換為新蝶閥蓄能式的液控蝶閥，該設(shè)備的工作壓力為1.0MPa，內(nèi)徑為1200mm。

3.4水輪機(jī)高程安裝

本電站的1#、2#水輪機(jī)直徑是1.32mm，根據(jù)推算結(jié)果其自身的吸出高度應(yīng)當(dāng)為0.3m，根據(jù)電站尾水的實(shí)際情況分析，水輪機(jī)的安裝高程應(yīng)當(dāng)為116.1m［3］。而3號(hào)機(jī)組的直徑為0.9mm，吸出高度則為3m，水輪機(jī)的安裝高程則為118.8m。

3.5調(diào)節(jié)保證計(jì)算

本電站輸出工程為單回路接線方式，當(dāng)線路故障時(shí)可能出現(xiàn)三臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷。因此需按三臺(tái)機(jī)同時(shí)甩全負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)最大水頭為46m、三臺(tái)機(jī)帶額定負(fù)荷時(shí)（2×4.0 MW+1×1.6MW），發(fā)電流量Q=2× 13.6m3/s+最長(zhǎng)管，ΣLV約為401.76m2/s。導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間為4s，機(jī)組最大速率上升值βmax=30.9%，小于60%。蝸殼最大壓力上升38%，最大水壓值為17.5m，滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算規(guī)范要求。

4　水輪機(jī)改造效果

七一水電站水輪機(jī)按照上述方案進(jìn)行改造設(shè)計(jì)后，運(yùn)行穩(wěn)定。投入運(yùn)行7864h后停機(jī)檢查，機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片光亮，水輪機(jī)未出現(xiàn)氣蝕的情況。在不同水頭情況下，1#、2#、3#水輪機(jī)經(jīng)過改造后發(fā)電量增加了362kW、353kW、367kW。經(jīng)過改造后水輪機(jī)單位千瓦耗電量均比未改造之前低，水輪機(jī)的運(yùn)行效率顯著提升。對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行改造后達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5　結(jié)語

根據(jù)本次七一水電站水輪機(jī)選型工作實(shí)際，提出以下建議：1）對(duì)一些老舊的水電站采用增容改造的措施，不需要建造大壩等多種水工建筑物，這樣可以有效節(jié)省資金的投入，經(jīng)濟(jì)效益顯著；2）在實(shí)際改造過程中，需充分利用現(xiàn)代化的技術(shù)水平，結(jié)合我國(guó)上世紀(jì)八十年代的中小型水電站改造經(jīng)驗(yàn)，對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造，從而確保水輪機(jī)能夠高性能、高質(zhì)量的運(yùn)行。陜西水利

［1］辛喆，吳俊宏，常近時(shí).混流式水輪機(jī)的三維湍流流場(chǎng)分析與性能預(yù)測(cè)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，（03）:49-52.

［2］辛晟，梁興.水輪機(jī)內(nèi)部湍流計(jì)算方法研究［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2009，（09）:96-98.

［3］邵國(guó)輝，賴喜德.基于CFD的混流式水輪機(jī)性能預(yù)估［J］.流體傳動(dòng)與控制，2009，（02）:34-36.

（責(zé)任編輯：暢妮）

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