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        淺談甘肅省柳園水電站提升改造

        2020-11-20 08:48:40
        陜西水利 2020年8期
        關(guān)鍵詞:柳園氣蝕轉(zhuǎn)輪

        郭 祥

        (陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001)

        1 基本情況

        1.1 電站概況

        柳園工程樞紐為引水式電站,位于甘肅省文縣境內(nèi)白水江干流上。電站主要由攔河閘(壩),引水建筑物(含進(jìn)水閘)、壓力隧洞(前段低壓管道)、調(diào)壓井、壓力管道、發(fā)電廠房等建筑物組成。主要任務(wù)是發(fā)電,水庫(kù)正常高水位1032.0 m,相應(yīng)庫(kù)容23.8×104m3。電站裝設(shè)兩臺(tái)立軸軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組,單機(jī)容量14 MW,總裝機(jī)容量28 MW,設(shè)計(jì)年發(fā)電量1.5195×108kW·h,年利用小時(shí)5414 h,電站最大水頭34.1 m,最小水頭28.7 m,水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭30 m,設(shè)計(jì)引水流量106.6 m3/s,單機(jī)設(shè)計(jì)流量53.3 m3/s,電站于2012 年建成投產(chǎn)發(fā)電。

        1.2 電站現(xiàn)存問(wèn)題

        轉(zhuǎn)輪葉片材質(zhì)為ZG0Cr13Ni5Mo,活動(dòng)導(dǎo)葉材質(zhì)為ZG20SiMn。由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪一個(gè)槳葉斷裂、其它槳葉有裂紋,電站自2012 年發(fā)電以來(lái)已經(jīng)更換過(guò)一次轉(zhuǎn)輪。更換后的轉(zhuǎn)輪仍存在以下問(wèn)題:轉(zhuǎn)輪槳葉局部有裂紋;轉(zhuǎn)輪槳葉及轉(zhuǎn)輪室氣蝕、磨損嚴(yán)重;尾水錐管氣蝕嚴(yán)重;泄水錐有過(guò)脫落;發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,出現(xiàn)過(guò)燒定子、鏡板裂紋等情況。

        1.3 電站改造的必要性

        由于以上問(wèn)題的存在,使機(jī)組運(yùn)行存在嚴(yán)重的安全隱患,嚴(yán)重影響了電站的發(fā)電效益。因此,為了保證電站能夠長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行,柳園電站改造是非常必要的。

        2 現(xiàn)存問(wèn)題原因分析

        根據(jù)現(xiàn)有電站的引水系統(tǒng)、實(shí)際運(yùn)行條件、機(jī)組尺寸等限定,通過(guò)計(jì)算分析初步判斷,轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)的一系列問(wèn)題是由于機(jī)組安裝高程以及轉(zhuǎn)輪鑄造工藝的原因?qū)е碌?。由于機(jī)組安裝高程不合適,使電站氣蝕條件得不到滿足。且本電站70%的發(fā)電量來(lái)自汛期,汛期的含沙量又很大,在氣蝕條件不滿足的情況下電站出現(xiàn)磨蝕情況,從而加劇對(duì)機(jī)組過(guò)流部件的損壞。

        3 電站改造方案分析

        3.1 水輪機(jī)安裝高程

        根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況,氣蝕比較嚴(yán)重,經(jīng)過(guò)初步復(fù)核計(jì)算,目前機(jī)組水輪機(jī)安裝高程偏高。根據(jù)ZZ550 轉(zhuǎn)輪模型特性曲線,在額定水頭工況下汽蝕系數(shù)σ≈0.53,理論計(jì)算吸出高度-8.6 m~-9.4 m,現(xiàn)狀吸出高度復(fù)核計(jì)算為-8.12 m,差值0.48 m~1.27 m,即要消除水輪機(jī)汽蝕影響,理論上安裝高程最少要降低0.48 m~1.27 m。

        對(duì)于降低安裝高程有兩個(gè)方案可供選擇:一是降低安裝高程,這個(gè)方案既要改造壓力管道高程,又要廠房整體改造。施工周期長(zhǎng)、投資大,顯然不合適;二是對(duì)尾水池進(jìn)行改造,即抬高尾水位,相對(duì)降低安裝高程,這樣可滿足汽蝕要求。但是抬高尾水位會(huì)對(duì)柳園水電站這種低水頭電站發(fā)電效益影響嚴(yán)重,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而且尾水最高校核洪水位為1000.92 m,廠房地坪高程為1001.4 m,高程差只有0.48 m,裕量非常小。抬高尾水位有可能會(huì)對(duì)廠房防洪造成威脅。

        因此在安全與經(jīng)濟(jì)因素的綜合考量下,土建方案改造并不適用于柳園水電站的改造。改造方案應(yīng)以機(jī)電設(shè)備改造為主。在土建部分不改變的條件下,為了改善氣蝕性能,改造方案應(yīng)首選更換氣蝕性能更好、效率更高、過(guò)流能力更大的轉(zhuǎn)輪。

        3.2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪選型

        柳園水電站裝設(shè)兩臺(tái)立軸軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)為ZZ550。機(jī)組自2012 年投產(chǎn)運(yùn)行后更換過(guò)一次轉(zhuǎn)輪,更換后的轉(zhuǎn)輪型號(hào)為ZZ550,與原轉(zhuǎn)輪型號(hào)相同。

        柳園水電站水頭范圍為28.7 m~38.3 m,根據(jù)我國(guó)《中小型軸流式、混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪系列型譜》,適合該水頭段的轉(zhuǎn)輪較多。根據(jù)上述情況對(duì)水輪機(jī)的要求,通過(guò)對(duì)模型轉(zhuǎn)輪的分析計(jì)算,選用轉(zhuǎn)輪型號(hào)ZZ660 與原轉(zhuǎn)輪型號(hào)ZZ550 進(jìn)行方案比選。

        在柳園水電站水頭范圍下,ZZ550 與ZZ660 比較,ZZ550運(yùn)行范圍基本包含高效率區(qū),ZZ660 運(yùn)行范圍偏離高效率區(qū),ZZ550 的最優(yōu)效率高于ZZ660。ZZ550 的導(dǎo)葉高稍小于ZZ660,由于導(dǎo)葉高的限制ZZ550 過(guò)流能力稍大,故ZZ550 發(fā)電量更大,經(jīng)濟(jì)效益更好。ZZ550 額定工況點(diǎn)的氣蝕系數(shù)小于ZZ660的額定工況點(diǎn)的氣蝕系數(shù),由于現(xiàn)場(chǎng)安裝高程條件限制,ZZ550空化性能更優(yōu)越,相較于ZZ660 更適合本工程。且經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)四個(gè)中小型水輪機(jī)制造廠調(diào)研和咨詢,目前暫沒(méi)有更合適的轉(zhuǎn)輪可供選擇,四個(gè)機(jī)組廠一致推薦原轉(zhuǎn)輪ZZ550。

        當(dāng)然,研發(fā)新轉(zhuǎn)輪也是一個(gè)方案,但是轉(zhuǎn)輪的研發(fā)周期一般在一年以上,費(fèi)用超過(guò)200 萬(wàn)元,從經(jīng)濟(jì)和工期方面考慮,研發(fā)新轉(zhuǎn)輪方案不能滿足柳園電站的進(jìn)度要求,所以不推薦研發(fā)新轉(zhuǎn)輪方案。綜合比較推薦仍采用原轉(zhuǎn)輪ZZ550,柳園水電站水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

        表1 ZZ550 轉(zhuǎn)輪主要技術(shù)參數(shù)表

        3.3 改造方案及建議

        3.3.1 更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪

        現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪因氣蝕已損傷較為嚴(yán)重,更換轉(zhuǎn)輪是十分必要的。經(jīng)上述分析采用原轉(zhuǎn)輪型號(hào)ZZ550 是可行的,可進(jìn)一步調(diào)研水輪機(jī)廠家,通過(guò)研究轉(zhuǎn)輪材質(zhì)、槳葉材質(zhì)以及表面涂層,以提高轉(zhuǎn)輪的抗磨蝕與氣蝕能力。

        3.3.2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室改造

        由于氣蝕及磨損原因,轉(zhuǎn)輪室損壞比較嚴(yán)重,影響水輪機(jī)效率,因此有必要對(duì)轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行更換。轉(zhuǎn)輪室采用分瓣型式,設(shè)置合縫面,廠內(nèi)定位加工成型,現(xiàn)場(chǎng)組裝螺栓把合,封焊流道面,保證球面精度尺寸。

        3.3.3 設(shè)計(jì)復(fù)核

        更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及轉(zhuǎn)輪室的方案不改變機(jī)組引用流量和運(yùn)行水頭,則導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間維持現(xiàn)狀運(yùn)行參數(shù),且原有調(diào)速器調(diào)速功可滿足改造后運(yùn)行要求。建議對(duì)調(diào)速器、油管路、油質(zhì)以及操作機(jī)構(gòu)等進(jìn)行檢查和檢測(cè),排除隱患。發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,出現(xiàn)過(guò)燒定子、鏡板裂紋等情況,加上機(jī)組已經(jīng)運(yùn)行接近十年,因此建議對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況和結(jié)構(gòu)計(jì)算復(fù)核情況,確定發(fā)電機(jī)是否達(dá)到穩(wěn)定安全運(yùn)行的要求。

        3.3.4 對(duì)氣蝕部位修復(fù)

        對(duì)其他過(guò)流部件受氣蝕影響的部位鏟磨后用不銹鋼焊條進(jìn)行補(bǔ)焊,應(yīng)注意焊面必須打磨銜接平順,呈流線型過(guò)渡。通過(guò)對(duì)過(guò)流部件的氣蝕問(wèn)題處理以及更換轉(zhuǎn)輪室,對(duì)機(jī)組的現(xiàn)有效率應(yīng)會(huì)有顯著的提升。

        3.3.5 限制水輪機(jī)運(yùn)行出力

        由于軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)具有較寬的高效率區(qū),因此適當(dāng)?shù)慕档瓦\(yùn)行出力后,水輪機(jī)運(yùn)行效率基本不會(huì)降低。同時(shí),在適當(dāng)降低水輪機(jī)運(yùn)行出力后,水輪機(jī)流量減少,運(yùn)行水頭提高,在相同來(lái)水量的情況下,水電站單位發(fā)電量的耗水量減小,總發(fā)電量還略有提升。水輪機(jī)流量減小也有利于延長(zhǎng)水輪機(jī)等過(guò)流部件的使用壽命。

        3.3.6 加強(qiáng)運(yùn)行管理

        電站運(yùn)行單位未來(lái)應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行情況的跟蹤管理,對(duì)各個(gè)工況的運(yùn)行情況及運(yùn)行數(shù)據(jù)做好記錄。同時(shí)制定系統(tǒng)的檢修計(jì)劃,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理受氣蝕磨蝕影響的部位,以避免水輪機(jī)遭受嚴(yán)重的氣蝕破壞,提高轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行壽命和運(yùn)行質(zhì)量。

        4 結(jié)語(yǔ)

        柳園水電站的問(wèn)題具有代表性。氣蝕在電站水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中普遍存在,而且其危害性極大,直接導(dǎo)致機(jī)組效率下降,水輪機(jī)使用壽命縮短,嚴(yán)重時(shí)危及電站運(yùn)行安全。對(duì)已建成運(yùn)行二三十年的中小型老水電站,一般采取更換性能更優(yōu)異的高效轉(zhuǎn)輪的方法,從根本上處理氣蝕問(wèn)題以提升電站運(yùn)行效益。而對(duì)于柳園水電站這樣相較年輕的電站,轉(zhuǎn)輪性能已經(jīng)為現(xiàn)有研發(fā)轉(zhuǎn)輪中最優(yōu)異的一批,難以通過(guò)更換轉(zhuǎn)輪型號(hào)而對(duì)電站運(yùn)行效益進(jìn)行提升。結(jié)合現(xiàn)實(shí)條件,以科學(xué)合理的理論提出更完善的運(yùn)行方案和監(jiān)測(cè)措施,在不影響電站效益的前提下,嚴(yán)格限制水輪機(jī)運(yùn)行出力,繼續(xù)對(duì)水輪機(jī)的氣蝕情況進(jìn)行觀察和處理,是柳園水電站面對(duì)氣蝕問(wèn)題長(zhǎng)期而有效的應(yīng)對(duì)辦法。

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