解再益

（湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南長(zhǎng)沙410100）

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湖北石廟子電站增容改造

解再益

（湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南長(zhǎng)沙410100）

湖北石廟子電站的增容技改方案：保留水輪機(jī)尾水彎管及進(jìn)水彎管，更換蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪，更換主軸、軸承。用新型轉(zhuǎn)輪代替HL160轉(zhuǎn)輪，并增加轉(zhuǎn)輪直徑，提高機(jī)組過流能力，同時(shí)提高水輪機(jī)的效率，較大幅度地提高了水輪機(jī)的出力。發(fā)電機(jī)部分則將定子、轉(zhuǎn)子返廠，更改定子線圈與轉(zhuǎn)子線圈。經(jīng)改造后，電站出力增加，效率提高，運(yùn)行穩(wěn)定，且更方便電站的檢修和維護(hù)，得到了用戶的肯定。此次技改的成功，為今后國(guó)內(nèi)眾多同類型電站的技改提供借鑒。

增容改造；混流式水輪機(jī)；高效；轉(zhuǎn)輪；軸承

1　湖北石廟子電站基本情況

1.1電站概況

湖北石廟子電站位于湖北竹溪縣。原設(shè)計(jì)水頭為113.3m，單機(jī)發(fā)電引用流量為2.2m3/s，裝機(jī)容量為3×2 000 kW，廠房?jī)?nèi)安裝三臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組。電站修建時(shí)基于當(dāng)時(shí)的水平及所處的時(shí)代，選型只能“套用”相近轉(zhuǎn)輪HL160，因而機(jī)組運(yùn)行偏離最優(yōu)工況區(qū)。

1.2增容改造前機(jī)組參數(shù)

1.2.1水輪機(jī)參數(shù)（見表1）

表1　水輪機(jī)主要參數(shù)

1.2.2原轉(zhuǎn)輪運(yùn)行范圍

從原水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)間圖（見圖1）可以看出，機(jī)組運(yùn)行區(qū)嚴(yán)重偏離模型曲線的高效區(qū)，而且水輪機(jī)的運(yùn)行區(qū)間在一個(gè)不穩(wěn)定的區(qū)域，效率低，但在當(dāng)時(shí)建設(shè)電站的年代，應(yīng)該還是可以接受的方案，電站運(yùn)行多年也證明了這一點(diǎn)。

圖1　HL160-WJ-60運(yùn)行區(qū)間圖

2　電站技改目標(biāo)和要求

2.1電站技改目標(biāo)

合同規(guī)定改造3臺(tái)臥式水輪發(fā)電機(jī)，在額定水頭113.3m，額定流量2.57m3/s的條件下：

（1）將機(jī)組出力從2 000 kW提高至2 500 kW；（2）將水輪機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善機(jī)組維護(hù)性能。

2.2電站技改要求

基本保留原機(jī)組廠房的基礎(chǔ)，尾水彎管，發(fā)電機(jī)底板，利用原水輪機(jī)飛輪、飛輪罩，其余部分更換，發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子返廠進(jìn)行線圈改造升級(jí)，調(diào)速器不做改動(dòng)。

本次電站技改是機(jī)電更換工程，土建基本不動(dòng)。

3　增容技改的內(nèi)容

湖北石廟子電站增容技改的關(guān)鍵問題有二個(gè)：一是轉(zhuǎn)輪的選擇，一個(gè)最合適于該電站的轉(zhuǎn)輪是技改成功的前提；二是結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從電站舊結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)其弊端，在新結(jié)構(gòu)中如何優(yōu)化，以及新舊結(jié)構(gòu)的結(jié)合，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，也是技改成功的有力保證。另外由于廠房地基不動(dòng)，要保整機(jī)組能夠順利發(fā)電，對(duì)機(jī)組的制造與安裝也是一個(gè)考驗(yàn)。下面我就從這二個(gè)方面分別介紹此次技改的設(shè)計(jì)過程。

3.1轉(zhuǎn)輪的改造

機(jī)組從2 000 kW增容到2 500 kW，對(duì)新機(jī)組的過流能力，轉(zhuǎn)輪效率，空化性能及飛逸轉(zhuǎn)速等幾個(gè)方面都有較高要求，因此對(duì)于新轉(zhuǎn)輪必須具備的性能條件是模型效率高，過流能力大，氣蝕性能好。

針對(duì)石廟子電站的具體要求，結(jié)合混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的選擇經(jīng)驗(yàn)，以及電站安裝高程已固定的現(xiàn)實(shí)，分別篩選了HLA678和HLJF2053D，HLD307轉(zhuǎn)輪。

其模型資料的參數(shù)見表2和表3。

對(duì)比三種轉(zhuǎn)輪模型，HLD307效率最高，但限制工況過流量能力小，無法滿足增容要求。最終確定HLJF2053D轉(zhuǎn)輪為技改機(jī)型。真機(jī)HLJF2053D-WJ -65和HL160-WJ-60的各工況技術(shù)參數(shù)見表4

通過二種機(jī)型的真機(jī)參數(shù)對(duì)照，HLJF2053D轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)點(diǎn)效率高，其它參數(shù)都能滿足電站的實(shí)際要求，HLJF2053D轉(zhuǎn)輪系北京水科院研制的轉(zhuǎn)輪。模型最優(yōu)效率93.8%,最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速67.5 r/min。該轉(zhuǎn)輪模型效率高，氣蝕性能好，穩(wěn)定性優(yōu)越，我公司已在多個(gè)電站應(yīng)用，性能優(yōu)秀。此次技改的轉(zhuǎn)輪就是采用HLJF2053D轉(zhuǎn)輪。

表2　模型轉(zhuǎn)輪基本參數(shù)表

表3　模型轉(zhuǎn)輪流道參數(shù)表

表4　原型水輪機(jī)主要參數(shù)

3.2技改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1原機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)說明

湖北石廟子電站水輪機(jī)由于當(dāng)時(shí)條件限制，水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采用的是當(dāng)時(shí)全國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，水輪機(jī)結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖2，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保守，材料使用較多，安裝檢修困難，其特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

（1）控制環(huán)前置

湖北石廟子電站原來的水輪機(jī)主要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：水輪機(jī)控制環(huán)置于水輪機(jī)頂蓋上，小耳環(huán)外布置，電站更換剪斷銷困難。特別是控制環(huán)底部的剪斷銷，剪斷后更換困難，有時(shí)無法更換。

（2）平板密封

水輪機(jī)主軸密封為平板密封，但把密封轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)安裝在轉(zhuǎn)輪上，這樣在拆轉(zhuǎn)輪時(shí)，必須將密封轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)拆后才能拆去轉(zhuǎn)輪，安裝過程也是這樣，因此機(jī)組的可維護(hù)性較差。

3.2.2技改后結(jié)構(gòu)說明

（1）技改后水輪機(jī)的蝸殼設(shè)計(jì)

技改后水輪機(jī)蝸殼改為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，這對(duì)技改的設(shè)計(jì)意義就是座環(huán)結(jié)構(gòu)的更改。原鑄造結(jié)構(gòu)的座環(huán)是帶蝶形邊的，而焊接蝸殼的座環(huán)為平行板結(jié)構(gòu)，這樣在水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口及中心距保持不變的情況下，能夠放大機(jī)組的固定導(dǎo)葉內(nèi)外徑，更方便水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的布置，這也是此次技改后的轉(zhuǎn)輪直徑能夠從φ60 cm加大到φ65 cm的主要原因。

（2）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的改造

益生素屬于活微生物制劑，可以作為飼料添加劑提升飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，有效促進(jìn)動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育，增強(qiáng)動(dòng)物機(jī)體的免疫功能，新型添加劑無毒且無任何副作用。其中膽汁酸是膽汁的主要活性成分，在動(dòng)物脂肪代謝中起重要作用，具有促進(jìn)脂肪消化和吸收、保肝利膽、抑菌、促進(jìn)免疫功能等作用。生豬日糧中同時(shí)添加膽汁酸和益生素，有效提升飼料利用率，降低飼養(yǎng)成本，同時(shí)還可以減輕環(huán)境中的氨味、臭味，減少疾病的發(fā)生幾率，增加生豬養(yǎng)殖者的經(jīng)濟(jì)收入[1]。日糧中同時(shí)添加膽汁酸和益生素與不添加任何生物制劑的對(duì)照組進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明飼料中加入膽汁酸與益生素可有效提升生豬的生產(chǎn)性能，效果非常明顯，每頭參試生豬能增加經(jīng)濟(jì)收入193.37元。

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)就是將控制環(huán)后置，將其安裝在底環(huán)上，方便檢修。同時(shí)改變導(dǎo)葉，導(dǎo)葉密封設(shè)計(jì)，將導(dǎo)葉中軸徑與下軸徑設(shè)計(jì)為同一尺寸，前后蓋導(dǎo)葉軸孔導(dǎo)通，將導(dǎo)葉的軸向水推力平衡，導(dǎo)葉采用雙O密封。改造后的水輪機(jī)總圖見圖3。

（3）軸承改造

電站能否正常運(yùn)行，瓦溫是個(gè)相當(dāng)重要的參數(shù)。機(jī)組出力從2 000 kW提升到2 500 kW,水推力從8.4 t提升到9.8 t，為了確保電站一次性成功，將水機(jī)軸直徑從φ200加大到φ250。軸承地基不動(dòng)，因此根據(jù)電站原地基，重新設(shè)計(jì)了軸承、軸承座，軸承蓋用鋼板焊接而成。

（4）密封改造

圖2　原水輪機(jī)結(jié)構(gòu)總剖面圖

圖3　技改后的水輪機(jī)總剖面圖

4　改造后的效果

改造后的水輪發(fā)電機(jī)組，不論從結(jié)構(gòu)方面，還是出力方面，都進(jìn)行了大幅度地優(yōu)化，使得機(jī)組的結(jié)構(gòu)更加合理，檢修更方便；出力增加了25%，達(dá)到技改合同的規(guī)定。

5　結(jié)束語(yǔ)

湖北石廟子電站的改造，將整個(gè)水輪機(jī)蝸殼換新，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了較大的改變，其新舊部分的接口是不容易同時(shí)保證的。

經(jīng)過努力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，充分考慮安裝的便利性和可靠性，采用按彈性裝配的關(guān)系設(shè)計(jì)，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得更為合理，從而保證了機(jī)組安裝時(shí)能一步到位。這樣即保證了安裝質(zhì)量，又為安裝單位贏得了時(shí)間。

改造后取得了令業(yè)主滿意的效果，機(jī)組出力達(dá)2 500 kW，比改造前的2 000 kW增加了500 kW，增容25%，運(yùn)行也非常穩(wěn)定，達(dá)到了技改預(yù)期的目的。

[1]張屹峰.馬頸坳水電站6號(hào)水輪機(jī)的增容改造[C]//第十八次中國(guó)水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，2011.11.

TV734

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1672-5387（2016）02-0012-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.02.004

2015-04-15

解再益（1975-），男，工程師，從事水輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。