楊萬群，楊德軍

(黃龍灘水力發(fā)電廠，湖北 十堰 442000)

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黃龍灘電廠1號水輪機轉(zhuǎn)輪改造可行性分析

楊萬群，楊德軍

(黃龍灘水力發(fā)電廠，湖北 十堰 442000)

黃龍灘電廠1號水輪機轉(zhuǎn)輪經(jīng)多年運行，氣蝕及裂紋日益嚴(yán)重，葉片變形，振動擺度超標(biāo)，運行振動區(qū)范圍明顯增加，已嚴(yán)重影響了機組安全穩(wěn)定運行和經(jīng)濟效益的發(fā)揮。在對其改造效能與成本進(jìn)行分析后，結(jié)合改造的有利條件，將對其進(jìn)行改造。圖8幅，表4個。

水輪機；轉(zhuǎn)輪改造；分析

1 概 述

黃龍灘水力發(fā)電廠為湖北省電力系統(tǒng)的大型骨干企業(yè)，在系統(tǒng)中的主要作用為調(diào)峰、調(diào)頻及承擔(dān)系統(tǒng)事故備用容量，是一項以發(fā)電為主，結(jié)合防汛、灌溉等綜合利用的水利工程。1號機組投產(chǎn)近42年來創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，但同時由于設(shè)備利用率高，運行時間長，目前機組主要部件明顯老化：水輪機轉(zhuǎn)輪氣蝕損壞嚴(yán)重、葉片變形等現(xiàn)象日趨加劇。加上受當(dāng)時的設(shè)計制造水平和技術(shù)條件的限制，機組的水力性能和發(fā)電潛力也沒有得到充分發(fā)揮，尤其是水輪機水能利用效率低下、轉(zhuǎn)輪氣蝕及裂紋日益嚴(yán)重、葉片變形、振動擺度超標(biāo)、運行振動區(qū)范圍明顯增加，這些已嚴(yán)重影響了機組安全穩(wěn)定運行和經(jīng)濟效益的發(fā)揮。

2 基本參數(shù)及運行現(xiàn)狀

黃龍灘電廠的水能參數(shù)如下所示(見表1)，其水輪機型號為HL009—LJ—410，設(shè)計水頭73 m，最大水頭84.3 m，最小水頭58 m，設(shè)計流量123 m3/s，額定出力79.9 MW，轉(zhuǎn)輪直徑4.1 m，轉(zhuǎn)速150 r/min，比轉(zhuǎn)速214 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速290 r/min。水輪機葉片14個，導(dǎo)葉高度820 mm，俯視順時針的旋轉(zhuǎn)方向，吸出高度0 m，效率≥91.5%，耗水率5.16 m3/kW·h，轉(zhuǎn)輪重量40 000 kg。

發(fā)電機型號為TS—854/156—40，額定容量100.0 MVA，額定電壓13.8 kV，額定電流4.183 7 kA，額定功率85.0 MW，額定轉(zhuǎn)速150 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速290 r/min，額定功率因數(shù)0.85，效率95%，制造時間1971年，投運時間1974年5月，增容后投運時間1994年1月。

表1 黃龍灘水力發(fā)電廠水能參數(shù)

3 項目的必要性

3.1 安全性分析

黃龍灘電廠現(xiàn)運行的1號水輪發(fā)電機組是哈爾濱電機廠20世紀(jì)70年代初期產(chǎn)品，已運行多年，平均每臺機已大修10多次(見表2)。

表2 1983年以來1號水輪發(fā)電機組大修統(tǒng)計

注：水輪機的檢修內(nèi)容基本上都是轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水葉的氣蝕補焊修復(fù)

從表2可以看出，1983年以來，1號機大修13次，可明顯發(fā)現(xiàn)檢修周期越來越短。雖然每次大修都有不同的針對性，但是每次都必須對水輪機轉(zhuǎn)輪氣蝕破壞進(jìn)行處理。由于轉(zhuǎn)輪葉片經(jīng)過多次補焊，水輪機葉片型線明顯偏離了設(shè)計狀況，水輪機氣蝕及尾水管氣蝕嚴(yán)重，頂蓋、尾水管振動超過國家標(biāo)準(zhǔn)，檢修工作量大大增加，已嚴(yán)重影響了水輪機的可靠性和效率。水輪機金屬結(jié)構(gòu)老化、效率指標(biāo)低下，氣蝕裂紋嚴(yán)重、運行振動加劇等已經(jīng)成為嚴(yán)重影響機組安全穩(wěn)定運行的隱患。

3.2 水輪機能量狀況惡化、效率降低

1號水輪機轉(zhuǎn)輪設(shè)計制造于70年代，水力設(shè)計是前蘇聯(lián)的技術(shù)，原水輪機設(shè)計效率92%，經(jīng)過多年運行，1號機的氣蝕磨損都十分嚴(yán)重。經(jīng)過10多次大修，葉片形狀已無法恢復(fù)到原廠家的設(shè)計形狀，加之設(shè)備的磨損、老化，機組效率大幅度下降。1984年省公司電科院對1號機組進(jìn)行了效率測試，在74 m水頭(額定水頭73 m)，機組最高效率87 %，與廠家提供的設(shè)計值89.5 %的機組效率比較約降低了2.5個百分點。2009年省公司電科院再次對電廠1號機組進(jìn)行了相對效率試驗，測得機組的最高效率為83.34%，與廠家提供的設(shè)計值比較約降低了6.16個百分點，與1984年測量值比較效率也降低了3.6個百分點。按從2005年1月份進(jìn)行統(tǒng)計，截止到2010年12月31日，1號機組年平均發(fā)電量49 085萬kW·h來計算, 1號機每年因效率下降而損失電量3 023萬kW·h左右(見圖1)。

圖1 機組效率曲線比較

3.3 轉(zhuǎn)輪葉片氣蝕嚴(yán)重

經(jīng)過多年的運行，水輪機的氣蝕磨損都十分嚴(yán)重，轉(zhuǎn)輪焊縫出現(xiàn)裂紋，減壓板焊縫開裂，尾水管錐管鋼襯焊縫開裂。轉(zhuǎn)輪葉片表面幾乎全部被不銹鋼焊條補焊過，但是水輪機轉(zhuǎn)輪的氣蝕情況并沒有明顯改善。在2006年12月26日～2007年1月30日1號機組大修期間，對水輪機轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了仔細(xì)的檢查和記錄。1號機組大修工期36 d，其中刨除氣蝕損壞部位耗60臺班，氣蝕部位補焊4個焊槍共計耗200臺班。水輪機轉(zhuǎn)輪氣蝕主要部位是在轉(zhuǎn)輪上冠減壓孔附近、葉片出水邊背面、葉片進(jìn)水邊正面和背面、轉(zhuǎn)輪下環(huán)以及尾水管等部位。損壞最嚴(yán)重的有1 號轉(zhuǎn)輪的2、3、4、7號葉片，最大的部位900 mm×120 mm，多個葉片出現(xiàn)大面積的氣蝕蜂窩狀，在補焊的不銹鋼和葉片基材背后已被氣蝕掏空。氣蝕處理周期由運行當(dāng)初的每四五年1次到現(xiàn)在的每兩三年必須進(jìn)行1次，1臺轉(zhuǎn)輪的氣蝕處理需使用的不銹鋼焊條也由10多kg到2007年檢修時的400多kg。2006年水輪機氣蝕處理面積達(dá)到7 m2，最大氣蝕破壞深度超過20 mm，個別部位蝕穿(該部位設(shè)計厚度11 mm)。2010年年底對1號機組進(jìn)行了大修，檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪氣蝕更加嚴(yán)重，每臺轉(zhuǎn)輪使用的不銹鋼焊條都超過了400 kg，氣蝕穿孔部位增多，出現(xiàn)大面積的氣蝕掏空情況。轉(zhuǎn)輪的葉片經(jīng)過多次氣蝕處理，葉片型線明顯偏離了設(shè)計狀況，也導(dǎo)致機組運行穩(wěn)定性的降低(見圖2～圖5)。

圖2 1號水輪機轉(zhuǎn)輪泄水錐

圖3 1號水輪機葉片上冠部位仰視圖

圖4 1號水輪機葉片背面的深洞

圖5 水輪機葉片氣蝕

2010年大修1號轉(zhuǎn)輪氣蝕處理如下所示(見圖6～圖8)

圖6 水輪機葉片氣蝕掏空

圖7 水輪機葉片大面積氣蝕

圖8 水輪機葉片氣蝕深度

3.4 機組振動加劇，振動區(qū)范圍逐漸擴大

由于水輪機受當(dāng)時設(shè)計、制造水平限制，以及多次的空蝕補焊打磨改變了轉(zhuǎn)輪葉片原有的型線結(jié)構(gòu)，使得機組的頂蓋和水導(dǎo)軸承處振動幅值逐年加大，水輪機抗振動性能變差。

近年來，隨著電網(wǎng)對機組運行的要求越來越高，AGC和一次調(diào)頻的投入，機組在小負(fù)荷運行時間越來越多。水輪機經(jīng)常在20%～50%負(fù)荷區(qū)域運行，導(dǎo)致機組振動加劇， 從1號機組振擺試驗數(shù)據(jù)(見表3)與國家技術(shù)規(guī)范(見表4)比較分析可以看出：在機組負(fù)荷10～50 MW區(qū)間，水輪機頂蓋垂直振動最大為0.15 mm, 國家標(biāo)準(zhǔn)為0.09 mm,超出國家標(biāo)準(zhǔn)0.06 mm,超標(biāo)67%；上機架水平振動最大為0.13 mm, 超出國家標(biāo)準(zhǔn)0.04 mm, 國家標(biāo)準(zhǔn)為0.09 mm,超標(biāo)45%；機組的各處擺度也超出技術(shù)規(guī)范要求。

因振動加劇剪斷銷剪斷的次數(shù)增多，危及到機組安全運行，嚴(yán)重影響水輪機的可靠性。對水輪機及轉(zhuǎn)輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計可以提高水輪機組的運行可靠性，更好地響應(yīng)系統(tǒng)對電能質(zhì)量的要求，確保系統(tǒng)安全，安全效益和社會效益也十分明顯。

表3 1號機組各軸承及機架部位的振動擺度值

表4 水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范振動標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 8564—2003)

3.5 效能與成本分析

3.5.1 機組經(jīng)濟效益分析

水輪機轉(zhuǎn)輪改造可消除轉(zhuǎn)輪及設(shè)備存在的重大隱患，提高機組運行可靠性和運行穩(wěn)定性。另外，轉(zhuǎn)輪改造還可帶來如下經(jīng)濟效益：由于水輪機運行效率的提高，可以增發(fā)電量；由于水輪機出力與發(fā)電機容量相匹配，提高了水輪機出力，可以提高電廠的調(diào)峰調(diào)頻能力，在目前系統(tǒng)峰谷電量差越來越大的今天顯得尤為有效；延長機組檢修周期，降低機組檢修成本。

3.5.2 提高效率增加年發(fā)電量

經(jīng)省公司電科院多次效率試驗，目前測得1號機組的最高效率為83.34%，機組能量指標(biāo)很低。征詢制造廠家論證比較，水輪機轉(zhuǎn)輪技術(shù)改造后，水輪機效率不低于92%，按機組效率為90%保守估計整個機組效率可以提高6.36個百分點。1號機組年度電量從2005年1月份進(jìn)行統(tǒng)計，截止到2010年12月31日，機組年度平均利用小時數(shù)3 272 h，累計發(fā)電量為294 510萬 kW·h，年平均發(fā)電量49 085萬 kW·h。

年增發(fā)電量為：49 085萬kW·h ×6.36% = 3 121.8萬 kW·h。

1號水輪機通過技術(shù)改造后在現(xiàn)有的運行工況下，每年機組可以多發(fā)3 121.8萬 kW·h 的電量，經(jīng)濟效益十分明顯。

3.5.3 水輪機出力與發(fā)電機容量匹配增加年發(fā)電量

通過技術(shù)改造后，水輪機出力與發(fā)電機容量相匹配，可以充分發(fā)揮發(fā)電機的潛在效能，可以增發(fā)更多的電量。

3.5.4 機組檢修成本降低分析

從1號水輪發(fā)電機組歷年的檢修情況我們可以看到，依據(jù)機組現(xiàn)在的運行工況，每兩三年均要進(jìn)行1次機組大修，大修主要項目之一就是轉(zhuǎn)輪的氣蝕補焊修復(fù)。通過對近幾次轉(zhuǎn)輪的氣蝕補焊修復(fù)消耗的材料和人工成本進(jìn)行統(tǒng)計，每次平均檢修成本約在60萬元左右。

通過對1號水輪機轉(zhuǎn)輪的技術(shù)改造，采用不銹鋼轉(zhuǎn)輪將有效的防止現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)的氣蝕情況，可提高轉(zhuǎn)輪的抗空蝕、抗裂紋性能，設(shè)備健康水平大幅提高，機組的大修周期可從現(xiàn)在兩三年1次延長到6～8 a進(jìn)行1次；不但能降低機組年停運時間，提高了機組備用可調(diào)時間，而且機組的檢修成本也將大幅降低。

4 轉(zhuǎn)輪改造的有利條件

4.1 轉(zhuǎn)輪改造的技術(shù)和市場都已成熟

我國水電建設(shè)的快速發(fā)展對水力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計和科研提出了更高的要求，隨著計算機技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代水輪機設(shè)計制造的技術(shù)也在突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在水輪機研究和設(shè)計方面，計算機輔助應(yīng)用變得越來越重要，特別是隨著計算流體動力學(xué)(CFD)的進(jìn)步和計算機技術(shù)的不斷提高，水輪機紊流的數(shù)值模擬越來越精確，已在水輪機的設(shè)計、優(yōu)化中得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為水輪機設(shè)計開發(fā)的常規(guī)工具，一方面它的應(yīng)用可以節(jié)省試驗費用，另一方面它能夠給出詳細(xì)的流動特性，這些在水輪機的水力設(shè)計中都具有舉足輕重的影響。

我國老舊機組的改造工作開展于80年代末期，至今已走過30 a的歷程，許多六七十年代建設(shè)的水電站也逐漸介入了水電站設(shè)備自然壽命的周期，也順其自然的進(jìn)入到了機組更新改造的高峰期。我國的水電站設(shè)備改造從開始單純的追求機組的增容改造，到現(xiàn)在更多考慮到機組的安全經(jīng)濟運行，積累了許多的經(jīng)驗和教訓(xùn)。我國許多大型水電設(shè)備制造公司對這部分的市場都十分重視，相繼也成立了自己單獨的設(shè)備改造部門，也都有成熟的改造經(jīng)驗和良好的業(yè)績。隨著三峽等大型水電站的相繼開工建設(shè)，更多的新型轉(zhuǎn)輪也在開發(fā)研究，給黃龍灘水電廠的技術(shù)改造也帶來了機遇。

4.2 國內(nèi)同類型水電廠水輪機轉(zhuǎn)輪改造的情況

黃龍灘水力發(fā)電廠現(xiàn)在運行的HL009—LJ—410型號水輪機是根據(jù)原蘇聯(lián)50年代的HL662—LJ—410改型設(shè)計而來的。HL009—LJ—410是我國60年代的設(shè)計，與HL662—LJ—410的差別僅在于機組出力從72.5 MW提高到了75 MW。我國七八十年代以前用此類水輪機機型的水電站大約有20余座，許多水電廠因為設(shè)計較早，運行多年后，實際的水文和當(dāng)初的設(shè)計已有了很大的變化；現(xiàn)有的水輪機也因為當(dāng)時的設(shè)計制造技術(shù)以及轉(zhuǎn)輪制造材料的落后無法適應(yīng)變化了的自然條件，所以大多數(shù)水電站的機組都已進(jìn)行了水輪機的換型和技術(shù)改造。具體情況如下：

新安江水電站位于浙江省建德市錢塘江上游新安江上，總裝機容量為662.5 MW，安裝有9臺機組，水輪機型號：HL662—LJ—410 和HL009—LJ—410，設(shè)計水頭73.0 m，最大水頭84.3 m,最小水頭57.8 m。工程于1957年4月開工，1960年4月第一臺機組發(fā)電,1977年10月全部投產(chǎn)，現(xiàn)已全部完成改造。

新豐江水電站位于廣東省河源市東江支流的新豐江下游，總裝機容量302.5 MW。安裝有4臺水輪機，3臺HL662—LJ—410，單機容量為72.5 MW，額定轉(zhuǎn)速150r/min；1臺HL740—LJ—410，容量為85 MW，額定轉(zhuǎn)速136.4 r/min。水輪機轉(zhuǎn)輪直徑均為4.1 m，設(shè)計水頭73.0 m，最大水頭82.5 m,最小水頭56.7 m。工程于1958年7月開工，1960年8月第1臺機組發(fā)電，1976年第4臺機組發(fā)電。1996年開始對3號機進(jìn)行改造，1998年開始對1號機進(jìn)行改造，2008年開始對2號機進(jìn)行改造。

5 結(jié) 論

通過以上分析可以得知，黃龍灘水電廠1號水輪發(fā)電機組投產(chǎn)運行了42 a，現(xiàn)水輪機效率明顯下降、轉(zhuǎn)輪氣蝕裂紋嚴(yán)重、葉片變形、運行振動加劇等問題，已嚴(yán)重影響了機組安全穩(wěn)定運行和經(jīng)濟效益的發(fā)揮。

1號水輪機轉(zhuǎn)輪的改造，保留原有其他主設(shè)備不變，僅換轉(zhuǎn)輪一項，工程比較單一，目的十分明確。轉(zhuǎn)輪用不銹鋼材料制造并采取防氣蝕措施，可以保證6～8 a以上的大修周期。經(jīng)過對制造廠家提供的資料和黃龍灘水電廠多年運行資料的分析研究，水輪機改造后，機組效率平均將提高6.0%以上，年發(fā)電量可增加3 121萬kW·h以上。 因此1號水輪機轉(zhuǎn)輪改造，技術(shù)可行，經(jīng)濟合理，效益明顯，很有必要性。

責(zé)任編輯 吳 昊

2016-09-22

楊萬群(1974-)，男，工程師，主要從事水電廠機組檢修工作。E_mail：249549072@qq.com