唐培磊

(山東省臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 臨沂 276000)

水電站技術(shù)

陡山水庫(kù)水電站增效擴(kuò)容水輪機(jī)改造技術(shù)要點(diǎn)分析

唐培磊

(山東省臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 臨沂 276000)

陡山水庫(kù)水電站已運(yùn)行近30多年，金屬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)老化，機(jī)組出力明顯下降，機(jī)組設(shè)備故障頻出，影響了水電站的正常運(yùn)行。本文通過(guò)介紹增效擴(kuò)容改造過(guò)程，對(duì)其水輪機(jī)組改造更新技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了探討，供參考。

水電站；增效擴(kuò)容；分析

我國(guó)非化石能源的比重占總消耗能源的比重較小，僅為8.3%，為了實(shí)現(xiàn)2020年單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～45%、非化石能源占一次能源消費(fèi)15%左右的總體目標(biāo)，發(fā)展可再生能源是重中之重。農(nóng)村水電增容擴(kuò)效，可使水能資源利用效率平均提高40%，農(nóng)村水電增效擴(kuò)容的優(yōu)勢(shì)在于移民、環(huán)境支出成本遠(yuǎn)低于同類(lèi)可再生能源。農(nóng)村水電在應(yīng)急救災(zāi)中發(fā)揮著重要作用，2008年南方災(zāi)害，農(nóng)村水電保障了200多個(gè)縣城、2000多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)春節(jié)期間的供電，2010玉樹(shù)地震，拉貢水電站作為災(zāi)后玉樹(shù)電網(wǎng)的唯一電源在玉樹(shù)抗震救災(zāi)中發(fā)揮了不可替代的作用。

1 工程概況

陡山水庫(kù)水電站是一座有壓引水式水電站，位于山東省莒南縣境內(nèi)。陡山水庫(kù)水電站始建于1977年，設(shè)計(jì)水位122.90m，下游正常尾水位103.40m，為灌溉引水式水電站，工程為V等工程，電站為小(2)型電站。電站共4臺(tái)機(jī)組，水輪機(jī)組型號(hào)為ZD661-LH-120，30年來(lái)累積發(fā)電1.12億kW·h，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。經(jīng)過(guò)近30年運(yùn)行，機(jī)組出力明顯下降，機(jī)組設(shè)備故障頻出，需要更換老化的電氣機(jī)械設(shè)備。與此同時(shí)，經(jīng)過(guò)1987年水庫(kù)除險(xiǎn)加固后，與電站原設(shè)計(jì)水位120.00m相比，有4.5m左右水頭未被充分利用，存在較大的增效擴(kuò)容空間。此次改建，單機(jī)容量擬由800kW擴(kuò)容到1000kW，總裝機(jī)容量由3200kW擴(kuò)容到4000kW。電站改建主要項(xiàng)目為改造發(fā)電機(jī)組、水輪機(jī)組，更新調(diào)速系統(tǒng)、電氣設(shè)備、變電設(shè)備，維修吊車(chē)、蝶閥，維修加固電站主副廠(chǎng)房，改建變電站等[3]。

2 靜水頭確定與水輪機(jī)選型

2.1 靜水頭確定

水電站原設(shè)計(jì)水頭15.5m，根據(jù)近30年水庫(kù)水位運(yùn)行記錄計(jì)算，水電站實(shí)際利用平均水頭為19.5m，靜水頭為19.0m。

2.2 水輪機(jī)選型

2.2.1 水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速計(jì)算

水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的高效中心區(qū)域，原設(shè)計(jì)選型ZD661-LH-120，4臺(tái)水輪機(jī)安放角(φ)分別為+5°、+10°、+10°、+15°水輪出力為700～900kW，設(shè)計(jì)點(diǎn)效率為79%(機(jī)組無(wú)座環(huán)效率修正-2.0%)。下頁(yè)圖為JP502模型轉(zhuǎn)輪的綜合特性曲線(xiàn)，對(duì)原設(shè)計(jì)工況點(diǎn)校核分析該機(jī)型效率較低(80%～82%)，原設(shè)計(jì)水頭19.0m。

水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速計(jì)算值為

式中H——靜水頭值；n11——水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速；N——水輪機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速：D——水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑。

經(jīng)計(jì)算，n11=116r/min。

擬定選用高效轉(zhuǎn)輪JP502，在發(fā)電機(jī)不改變極數(shù)、轉(zhuǎn)速不變的條件下，JP502單位轉(zhuǎn)速為116r/min，滿(mǎn)足19.0m水頭模型機(jī)在高效區(qū)內(nèi)單位轉(zhuǎn)速選擇。

2.2.2 水輪機(jī)單位流量選擇

其中，F(xiàn)y為發(fā)電機(jī)效率；Sy為水輪機(jī)效率；H為凈水頭；Q為設(shè)計(jì)流量。

陡山水庫(kù)水電站設(shè)計(jì)出力、設(shè)計(jì)總流量主要指標(biāo)如下：

設(shè)計(jì)出力：1053×2+1170×2=4446kW；

設(shè)計(jì)總流量：6.5×2+7.3×2=27.6m3/s。

表明，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組適應(yīng)較高水頭應(yīng)用，3號(hào)、4號(hào)機(jī)組適應(yīng)較低水頭應(yīng)用(下頁(yè)表為ZD661、JP502轉(zhuǎn)輪的基本參數(shù))。

從轉(zhuǎn)輪的綜合特性曲線(xiàn)(見(jiàn)下頁(yè)圖)分析，JP502，ψ最優(yōu)效率為92.5%，比ZD661，ψ=+0°最優(yōu)效率82%高10.50%。在全部運(yùn)行范圍內(nèi)，原型水輪機(jī)最高效率保證值不低于89%，模型水輪機(jī)最高效率保證值不低于92%(機(jī)組無(wú)座環(huán)效率修正-2.0%，改造后機(jī)組增設(shè)座環(huán))；機(jī)組出力、工況效率都能滿(mǎn)足實(shí)際要求。

JP502模型轉(zhuǎn)輪的綜合特性曲線(xiàn)圖

ZD661、JP502轉(zhuǎn)輪的基本參數(shù)表

2.2.3 軸向水推力

轉(zhuǎn)輪最大軸向水推力系數(shù)為0.87，最大水推力為14.80tf，原機(jī)組ZD661轉(zhuǎn)輪最大軸向水推力系數(shù)為0.71，最大水推力為12tf，改造后水推力增加2.80tf，與機(jī)組軸向力比較增加率小，對(duì)推力軸承溫升增加小。因此，根據(jù)上述校核計(jì)算，JP502轉(zhuǎn)輪適合對(duì)原ZD661機(jī)組的增效擴(kuò)容改造，電站原廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)布置可保持不變[3]。

3 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)改造技術(shù)要求

舊水輪機(jī)主軸進(jìn)行修復(fù)加工時(shí)，原盤(pán)根封水加粗部位軸徑為210mm，加工至200mm，加工的同時(shí)留出平板封水結(jié)構(gòu)的定位環(huán)。導(dǎo)葉控制環(huán)布置在頂蓋上，采用外調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)葉數(shù)量由16個(gè)增加至18個(gè)。主軸采用平板密封，要延長(zhǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)密封板與軸固定件。為了避免平板密封板損壞后漏水，固定靜板下方聯(lián)體加裝與主軸密封的減壓套管，主軸密封的托、壓板均采用不銹鋼材料加工。水導(dǎo)軸承采用畢托管上油的筒式軸承，軸承安裝高程高出主軸密封漏水水面以上，對(duì)主軸密封的滲漏水設(shè)置自流排水管路，排水管高度達(dá)到里襯中部位置，水導(dǎo)軸承密封水位高度與排水位高度差應(yīng)不小于100mm[4]。

主軸密封的滲漏水，由水輪機(jī)設(shè)置的DN65管排出，排水口上方設(shè)有安全水位，主軸密封的滲漏水順利排入集水井后，主軸密封的滲漏水排水，應(yīng)同時(shí)設(shè)置自控泵排水系統(tǒng)，選用自動(dòng)控制排水，其啟動(dòng)壽命指標(biāo)大于100萬(wàn)次。

4 水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)改造內(nèi)容

為使陡山水庫(kù)水電站擴(kuò)容后的水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件符合國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，分別對(duì)定子線(xiàn)圈、轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈、制動(dòng)器、測(cè)溫元件、勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了更新汰換。

選用電氣性能優(yōu)良的玻璃絲包薄膜繞包自黏性電磁線(xiàn)，與桐馬環(huán)氧玻璃絲粉云母帶、半導(dǎo)體低阻帶、半導(dǎo)體高阻帶等F級(jí)絕緣材料，經(jīng)模壓成型和真空浸漆制造工藝，進(jìn)行生產(chǎn)，具有電氣性能高、外觀(guān)規(guī)則、散熱性能好等優(yōu)點(diǎn)。原轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈絕緣耐熱為B級(jí)，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行其絕緣都已老化，對(duì)其進(jìn)行F級(jí)絕緣材料處理、模壓和真空浸漆[4]。 過(guò)去發(fā)電機(jī)配的都是單腔彈簧復(fù)位式制動(dòng)器，由于空間因素該結(jié)構(gòu)導(dǎo)向差，加上彈簧受力不均勻，常出現(xiàn)卡死不能復(fù)位現(xiàn)象，因此，將制動(dòng)器改為雙腔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不用彈簧復(fù)位，采用油壓復(fù)位不存在卡死不能復(fù)位現(xiàn)象，制動(dòng)器的更新，機(jī)組的頂轉(zhuǎn)子、剎車(chē)操作可進(jìn)行自動(dòng)化流程控制。 所有測(cè)溫元件都使用鉑熱電阻Pt100，具有較高溫度測(cè)量精度與穩(wěn)定性。舊系列發(fā)電機(jī)多采用直流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁或靜止可控硅勵(lì)磁，改造后配一臺(tái)交流勵(lì)磁機(jī)，采用無(wú)刷勵(lì)磁方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加優(yōu)越，沒(méi)有電刷的機(jī)組少了一份維護(hù)，運(yùn)行可靠性提高，更有利于少人值守管理模式。

5 結(jié) 語(yǔ)

陡山水庫(kù)水電站設(shè)計(jì)出力、設(shè)計(jì)總流量分別為4446kW、27.60m3/s。其中，1號(hào)、2號(hào)機(jī)組適應(yīng)較高水頭應(yīng)用，3號(hào)、4號(hào)機(jī)組適應(yīng)較低水頭應(yīng)用。水輪機(jī)JP502最優(yōu)效率為92.50%，比擴(kuò)容改造前的水輪機(jī)ZD661，ψ=+0°最優(yōu)效率82.00%高10.50%。改造過(guò)程中，分別對(duì)定子線(xiàn)圈、轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈、制動(dòng)器、測(cè)溫元件、勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了更新汰換，使陡山水庫(kù)水電站擴(kuò)容后的水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件符合國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1] 時(shí)文東，李傳娜，劉璐.陡山水庫(kù)水電站增效擴(kuò)容改造可行性分析[J].山東水利，2015(6)：29，31.

[2] 溫金鋒.橫江水庫(kù)壩后式水電站增效擴(kuò)容改造綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古水利，2015(2)：152-153.

[3] 劉世軍.外度水電站增效擴(kuò)容改造設(shè)計(jì)[J].水利科技，2014(1)：23-24，27.

[4] 易玉華，熊杰.張王廟水電站增效擴(kuò)容改造設(shè)計(jì)[J].小水電，2014(1)：37-38.

Analysis on Technical Points of Efficiency Improvement and Capacity Expansion of Turbine in Doushan Reservoir Hydropower Station

TANG Peilei

(SurveyandDesignInstituteofWaterConservancyinLinyiCityofShandongProvince,Linyi276000,China)

Doushan Reservoir Hydropower Station has been running for nearly 30 years. Metal structure has been aging, the unit output has been significantly reduced, and the unit equipment failure is frequency which affects the normal operation of the hydropower station. In this paper, through introducing the revamping process of efficiency improvement and capacity expansion, the technical aspects of the renovation of the turbine unit are discussed for reference.

hydropower station; efficiency improvement and capacity expansion; analysis

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.05.016

TV72

B

1673-8241(2017)05- 0042- 04