胡安江·居努斯

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊830001）

1 概述

在新疆水能資源分布中，中、小河流的小水電資源占有相當?shù)谋戎?，水電作為可再生、無污染的環(huán)保性能源，有它的自身優(yōu)越性。

有相當一部分中、小型水電站由于先天不足，水文資料不全，設計和施工的水平殘差不齊，主要設計參數(shù)和實際參數(shù)偏差較大，導致水電站的出力不足或棄水量大。中、小型水電站的技術改造也因它的工程量小、投資少、見效快、經(jīng)濟效益明顯、社會效益巨大等一系列優(yōu)點正逐步被廣泛推廣。

改造工作要從實際出發(fā)，因地制宜，充分利用水電站原有的設備設施，對改造部分做到技術先進，經(jīng)濟合理，質(zhì)量優(yōu)良。技術改造應采用新技術、新工藝、新材料和先進設備，提高設備和設施的技術性、先進性，改善運行條件，盡量恢復和增大水電站的發(fā)電能力，保證發(fā)電系統(tǒng)、引水系統(tǒng)及水工建筑物的安全可靠性。

2 SK水電站技術改造

SK水電站工程主要承擔發(fā)電任務，其次是反調(diào)節(jié)任務。水庫總庫容1.21億m3，裝機容量3×47 MW，多年平均年發(fā)電量5.7億kW·h，保證出力40 MW，電站水輪發(fā)電機組由哈爾濱電機廠有限責任公司生產(chǎn)，3臺機組已經(jīng)于2010年投入運行，截至目前運行狀況良好。

2.1 增容問題的提出

根據(jù)SK水電站工程近4年上、下游水位分布情況的統(tǒng)計和電站棄水量的分析，可得出SK水電站在每年的6、7、8月份棄水較嚴重，為減少電站棄水量，同時提高汛期發(fā)電量，適當提高水輪機額定出力是十分必要的。

為充分發(fā)揮SK水電站的發(fā)電效益，挖掘現(xiàn)有水輪發(fā)電機組的潛在容量，依據(jù)電站運行管理單位意見，進行相應的可行性研究并提出復核設計意見。

2.2 增容技術改造原則

（1）水電站技術改造應遵循的原則

1）水輪機的技術改造應優(yōu)先選用能量指標先進、空化特性優(yōu)良、運行穩(wěn)定性好的轉(zhuǎn)輪，以保證技術改造的先進性。

2）改造方案選定的水輪機主要參數(shù)（設計水頭、標稱直徑、額定轉(zhuǎn)速和輸出功率等），既要考慮到水電站的引水系統(tǒng)和水輪機流道尺寸及發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速等限制條件，又應將水輪機調(diào)整到最優(yōu)工況區(qū)域運行，以保證技術改造的合理性。

3）改造方案應能改善水輪機的運行工況，提高效率，增加年發(fā)電量，以保證技術改造的經(jīng)濟性。

4）發(fā)電機的技術改造應考慮與水輪機在容量上的相互匹配，根據(jù)原設備的實際情況與制造商家研究協(xié)商，采用新材料、新結(jié)構和新工藝，確定合理的改造方案和改造范圍。

（2）SK水電站增容技術改造原則

SK水電站增容的基本原則是在不改變現(xiàn)有發(fā)電引水系統(tǒng)及主要機電設備的前提下，充分挖掘水輪發(fā)電機組的潛力，在水輪機能量指標、空化性能、穩(wěn)定性允許范圍內(nèi)，通過提高水輪機單位流量（額定流量和額定水頭），從而提高水輪發(fā)電機組的額定出力。與此同時，對引水系統(tǒng)、發(fā)電設備及相關設施進行安全性復核。

本次增容要求為：在不更換現(xiàn)有絕大部分設備的前提下，適當提高機組額定水頭和額定流量，使得水輪機額定出力達到53.3 MW（原48.454 MW），發(fā)電機達到51.7 MW（原47 MW），從而達到機組長期超發(fā)10%額定容量的目的。

3 SK水電站水輪發(fā)電機組的增容

（1）水輪機增容潛力

此次機組增容是在不改變電站發(fā)電引水系統(tǒng)和水輪發(fā)電機組的前提下，充分挖掘現(xiàn)有水輪機轉(zhuǎn)輪特性潛力而實現(xiàn)，包括水輪機轉(zhuǎn)輪直徑、流道和機組轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，改變水輪機兩個主要參數(shù)，即水輪機轉(zhuǎn)輪的單位流Q11或單位轉(zhuǎn)速n11來達到水輪機新的出力，單位流量用Q11=Q/（D12×H0.5）、而單位轉(zhuǎn)速用n11=（n×D1）/H0.5表示，從上式可以分析出當轉(zhuǎn)輪直徑為常數(shù)時，通過額定流量和額定水頭的最佳搭配來達到單位流量的變化，而單位轉(zhuǎn)速是隨額定水頭的變化而變，本階段通過額定流量和額定水頭的不同組合方式在HLA551 C水輪機模型綜合特性曲線上的位置，得出Q11與n11現(xiàn)有條件之下比較合理的搭配方式為Q11=1.39 m3/s、n11=83.56 r/min，在水輪機模型綜合特性曲線上水輪機增容前后額定點位置、增容范圍及運行區(qū)域見圖1。

從圖1可以看出增容前額定點單位流量為1.29 m3/s，增容后達到1.39 m3/s，額定點非常接近水輪機出力限制線，已經(jīng)沒有余量，但水輪機運行區(qū)域仍然在較合理的范圍內(nèi)。

圖1 HLA551 C水輪機模型綜合特性曲線上的額定點位置增容范圍圖

（2）增容后水輪機參數(shù)

經(jīng)反復計算和復核單位轉(zhuǎn)速和單位流量，當水輪機額定水頭達到35.8 m，水輪機額定流量為169.0 m3/s時，水輪機可以發(fā)出53.3 MW的出力，此時水輪機額定水頭小于電站加權平均水頭36.10 m，符合DL/T5186-2004水力發(fā)電廠機電設計規(guī)范的規(guī)定，而且增容后在高水頭運行時，導葉開度不至于過小，對機組安全穩(wěn)定運行有利。

水輪機增容前后的主要技術參數(shù)見表1。

表1 水輪機增容前后的技術參數(shù)

轉(zhuǎn)向：水輪發(fā)電機從發(fā)電機端看為俯視順時針方向旋轉(zhuǎn)。

（3）增容后水輪機運行范圍

增容后水輪機換算到真機運轉(zhuǎn)特性曲線見圖2所示。

（4）增容后水輪機相關參數(shù)的復核說明

1）比轉(zhuǎn)速

比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)是衡量水輪機先進性、經(jīng)濟性的綜合技術指標，其定義為1 m水頭下發(fā)出1 kW出力時的水輪機轉(zhuǎn)速。比轉(zhuǎn)速受水輪機效率水平、空化性能和運行穩(wěn)定性等許多因素的制約，過度提高比轉(zhuǎn)速存在一定的風險。水輪機增容前后是同一個水平段，變化很小，并在合理范圍之內(nèi)，即293 m·kW和295 m·kW。

圖2 增容后水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線

2）導葉開度

水輪機增容10%后，各水頭下的單位流量均有所增加，導葉開口也將相應變大，模型綜合特性曲線上可以看到導葉最大開口為32 mm，相對應的真機導葉最大開口為405 mm，不超過本電站機組設計最大導葉開口415 mm。

3）飛逸轉(zhuǎn)速

根據(jù)A551 C轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線，按照機組增容后水輪機最大可能導葉開口，并考慮預留一定余量，相應的模型單位飛逸轉(zhuǎn)速為148.3 r/min，換算成真機飛逸轉(zhuǎn)速為199.65 r/min ，不超過原合同機組飛逸轉(zhuǎn)速200 r/min的要求。

4）最大水推力

水推力跟轉(zhuǎn)輪的特性，與水輪機轉(zhuǎn)輪直徑、電站最大水頭有關，由于增容前后機組最大水頭、轉(zhuǎn)輪型號及轉(zhuǎn)輪直徑都未發(fā)生變化，嚴格來說水輪機增容后水推力不會有變化。根據(jù)A551 C轉(zhuǎn)輪水推力系數(shù)為0.46，復核計算的水輪機水推力為2 700 kN。

5）空蝕、空化性能

水輪機的空蝕性能直接影響機組運行的安全可靠性和電站的經(jīng)濟性，而且比轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)輪的空化系數(shù)成正比關系。根據(jù)可研、初設階段總結(jié)分析成果，本電站裝置空蝕系數(shù)在0.213～0.3之間比較合適。電站增容后水輪機額定水頭35.8 m、額定轉(zhuǎn)速111.1 r/min，出力53.3 MW、比轉(zhuǎn)速為293 m·kW時，電站的額定點裝置空化系數(shù)小于0.3，在合理范圍內(nèi)。

根據(jù)A551 C轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線，按照機組增容后水輪機主要工況點臨界、裝置空化系數(shù)見表2所示。

表2 水輪機主要工況點臨界、裝置空化系數(shù)對照表

臨界空化系數(shù)σp與臨界空化系數(shù)σC的比值關系在各特征工況下為：K=σp/σC=2.12～2.45，即空化安全系數(shù)大于2（大于一般清水條件下的1.6～1.8），增容后水輪機空化性能仍較優(yōu)。

6）大流量區(qū)穩(wěn)定性分析

增容后，水輪機額定單位流量已經(jīng)達到1.39 m3/s。根據(jù)A551 C模型轉(zhuǎn)輪壓力脈動試驗結(jié)果，模型轉(zhuǎn)輪單位流量用到1.405 m3/s時，蝸殼進口、導葉后轉(zhuǎn)輪前、錐管、肘管等位置壓力脈動幅值均未發(fā)現(xiàn)陡升趨勢，可以預測增容后轉(zhuǎn)輪在大流量區(qū)運行具備較好的穩(wěn)定性。

7）調(diào)節(jié)保證計算

電站壓力引水系統(tǒng)采用單機單管引水方式，由壓力鋼管、水輪機蝸殼、尾水管等組成。壓力引水管道直徑6.2 m，長度87 m，整個壓力引水系統(tǒng)和最大發(fā)電水頭未發(fā)生變化，增容后3臺機組滿發(fā)時壓力引水系統(tǒng)的總流量（流速）有所增加。

通過增容后復核調(diào)節(jié)保證計算，得出的結(jié)論為：導葉采用一段關閉規(guī)律，導葉關閉時間為Ts′=10s時，蝸殼末端最大壓力上升值不大于54 m水頭（ξmax=49.3%），速率上升不超過額定轉(zhuǎn)速的50%（βmax=49.9%），尾水管進口最大真空值小于8 m水柱。

8）導葉接力器容量復核

SK水電站導葉接力器基本參數(shù)為，導葉接力器活塞桿直徑120 mm，活塞直徑為350 mm，按照經(jīng)驗公式計算，增容后所需要的接力器直徑約285 mm，小于原機組配套的接力器直徑350 mm，故機組接力器在滿足要求的同時還有一定的安全裕量。

（5）增容前后水輪發(fā)電機主要技術參數(shù)

發(fā)電機采用立軸、半傘式結(jié)構，密閉空氣循環(huán)冷卻方式，在不改變發(fā)電機主要部件前提下，增容10%后主要參數(shù)如表3所示。

表3 增容10%前后技術參數(shù)

（6）增容前、后發(fā)電機電磁參數(shù)比較

發(fā)電機增容10%（由47 MW增至51.7 MW）后，發(fā)電機各主要電磁參數(shù)對比結(jié)果見表4。

（7）增容后水輪發(fā)電機電磁參數(shù)和有關部件機械受力情況說明

設備制造商家針對機組增容10%后，原發(fā)電機定子機座、上、下機架的剛、強度計算分析，定位筋、托塊焊縫應力分析，定子鐵心壓緊系統(tǒng)，主軸應力分析，轉(zhuǎn)子支架剛、強度復核計算，磁極、磁軛強度應力分析，推力、導軸承，發(fā)電機基礎受力情況進行了詳細的計算復核，得出發(fā)電機增容10%后，其主要結(jié)構件的剛強度均滿足標準要求。

4 結(jié)束語

SK水電站水輪發(fā)電機組容量由47 MW增容至51.7 MW運行，經(jīng)論證校核，現(xiàn)有機電設備滿足增容要求，可以有效提高電站的發(fā)電效益和水能利用率。

表4 發(fā)電機額定工況和增容10%額定工況運行，各主要電磁參數(shù)對比表

SK水電站已投入運行接近10年，難免有些機電設備，包括有些關鍵電氣設備各部件已經(jīng)老化，建議運行管理單位應結(jié)合實際采取相應的檢測、試驗工作，以便確保機組增容10%后能夠安全、穩(wěn)定運行。