常小平

(宣城市宣州區(qū)水利局，安徽 宣城 242000)

0 引 言

一些河床式低水頭電站經(jīng)過多年的運行，由于河道變遷等原因，其運行水頭發(fā)生明顯變化，機組運行工況較大偏離設計工作點，導致水輪機效率低下。分析電站運行情況并有針對性地實施增效節(jié)能技術(shù)改造，將大幅提高電站發(fā)電效率，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益。

1 工程概況

1.1 佟公壩樞紐

佟公壩水利樞紐位于水陽江干流上游與中游交界處，上游46.9 km處建有港口灣水庫，控制面積1 120 km2，總庫容9.41億m3，下游21.2 km處建有宣城水文站。該水利樞紐為有壩引水灌溉工程，攔河壩壩體形式為曲線型實用堰，平面布置形式為“Ω”形迷宮堰，壩高3 m，壩長330 m，灌區(qū)受益面積10萬畝，人口6萬人。

1.2 佟公壩水電站

佟公壩水電站興建于本世紀初，為徑流式水電站，依托佟公壩樞紐形成的落差，利用灌溉富余水量發(fā)電。佟公壩上游來水面積3 100 km2，電站總裝機容量4×800 kW，設計最大水頭4.0 m，最小水頭2.5 m，額定水頭3.0 m，設計發(fā)電流量135.2 m3/s，年發(fā)電量1 120萬kW·h。

佟公壩水電站共安裝4臺水輪發(fā)電機組，水輪機型號為GD008—WZ—260φ25°，額定轉(zhuǎn)速119 r/min；轉(zhuǎn)輪模型GD008—φ25°，葉片安裝角為25°；發(fā)電機型號為SFW800—8/1180，額定轉(zhuǎn)速750 r/min。水輪機與發(fā)電機間采用行星齒輪增速器連接，增速比1∶6.3。

2 電站設計條件與運行現(xiàn)狀

根據(jù)《宣城市佟公壩水電站工程初步設計報告》，水電站設計運行水位由佟公壩灌溉樞紐運行條件擬定，佟公壩壩頂高程25.00 m(吳淞高程系，下同)，水電站設計運行水位采用24.50 m。設計尾水位由尾水渠參數(shù)及匯入河道處水位分析計算確定，尾水渠設計底寬60 m，縱比降1/3 000，渠首底高程19.50 m(見圖1)。

圖1 尾水渠首H～Q曲線

佟公壩水電站于2004年5月建成發(fā)電，運行初期由于運行管理不善等原因，一度發(fā)電量不足1 000萬kW·h。2008年后逐步達到設計水平，目前由于發(fā)電水頭增加，年發(fā)電量可達1 200～1 300萬kW·h。

近年來，水陽江流域水土保持工作不斷加強，加之河道采沙影響，河床下切，發(fā)電尾水位顯著降低。經(jīng)2019年3月實測，電站1～4臺機組滿負荷運行尾水位分別為19.00、19.50、19.90 m和20.30 m，平均下降約1.2 m。電站投入運行初期，機組滿負荷運行時水輪機導葉開度為80%左右，目前機組出力800 kW狀態(tài)下導葉開度僅50%。根據(jù)電站目前實際運行水頭，按水輪機相似理論計算單位參數(shù)查水輪機轉(zhuǎn)輪模型特性曲線，水輪機運行工況明顯偏離設計工作點，運行效率大幅下降，造成較大的水能資源浪費。經(jīng)分析認為，電站具備增效潛力，對其進行技術(shù)改造將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

3 設備技改方案

3.1 技改范圍

由于電站運行尾水位下降，發(fā)電水頭加大，水能蘊藏量增加，技改首先分析電站增容的合理性及必要性。

電站設計總裝機容量3 200 kW，年均發(fā)電量1 120萬kW·h，相應設備年利用小時3 500 h，初步設計總裝機容量相對充裕。另外，目前正在實施的國家重點項目港口灣水庫灌區(qū)工程將增加用水量19.8 m3/s，占佟公壩多年平均來水流量的25%，電站可用水量(富余水量)相應減少。

綜合分析認為，電站總裝機容量基本滿足水能開發(fā)利用要求，增容必要性不足，本次技改暫不采取增容措施，僅對水輪機及相關(guān)輔助設備進行增效節(jié)能技術(shù)改造。

3.2 技改措施

電站水輪機型號為GD008—WZ—260φ25°，轉(zhuǎn)速119 r/min，額定水頭3.0 m，流量33.8 m3/s，效率84%，額定功率855 kW(見圖2)。根據(jù)實測尾水位數(shù)據(jù)計算，目前實際運行平均凈水頭4.2 m，導葉開度50%左右即達額定輸出。

圖2 GD008—φ25°轉(zhuǎn)輪特性曲線

根據(jù)水輪機相似理論計算，水輪機轉(zhuǎn)輪初步設計工況單位轉(zhuǎn)速179 r/min，單位流量2.85 m3/s，效率84%；技術(shù)改造前實際運行工況單位轉(zhuǎn)速151 r/min，單位流量2.02 m3/s，效率約73%。

針對本電站具體情況，水輪機技術(shù)改造的核心是改變轉(zhuǎn)輪葉片安裝角，同時通過改變增速器增速比調(diào)整水輪機轉(zhuǎn)速，使水輪機在現(xiàn)狀水頭下高效運行，以增加電站發(fā)電量。

3.2.1 技改參數(shù)

(1)水輪機葉輪特性參數(shù)

GD008—WZ—260φ25°水輪機轉(zhuǎn)輪模型為定槳式轉(zhuǎn)輪，欲改變其葉片安裝角，性能參數(shù)只能參照GZ008轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線(見圖3)。依據(jù)實測尾水位及設計發(fā)電水位數(shù)據(jù)，擬定水輪機技改參數(shù)為額定水頭4.2 m，額定功率855 kW。在擬定的額定參數(shù)工況條件下，通過相似理論換算，選擇葉輪最佳工作點，是水輪機增效節(jié)能技改的技術(shù)核心。查圖3，滿足出力要求的最高效率理論上可達88.8%，單位流量1.69 m3/s，單位轉(zhuǎn)速180 r/min，葉片安裝角10°，由出力公式、相似理論計算，水輪機額定流量23.4 m3/s，額定轉(zhuǎn)速142 r/min。

圖3 GZ008轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線

(2)推力軸承復核

由于設計水頭增加，技改后葉輪水推力將由156 kN增大到218 kN，原推力軸承不能滿足技改后工況運行要求，須更換推力軸承；或者優(yōu)化推力軸承運行參數(shù)，提升軸承承載力。

水輪機推力軸承為平面滑動推力瓦結(jié)構(gòu)，系流體動力潤滑軸承，其承載力為：

F=ηωCp/ψ2=η2πnCp/ψ2

式中，F(xiàn)為承載力；η為潤滑油粘度；n為轉(zhuǎn)速；Cp為承載量系數(shù)；ψ為相對間隙。

提高轉(zhuǎn)速可增大軸承承載力。技改前水輪機轉(zhuǎn)速119 r/min，技改后轉(zhuǎn)速166 r/min，可滿足推力軸承承載力要求。由出力公式、相似理論計算，該工況點單位流量1.71 m3/s，單位轉(zhuǎn)速211 r/min；查圖3得，對應葉片安裝角8°，效率87.7%。

(3)增速器參數(shù)

技改前水輪機轉(zhuǎn)速119 r/min，增速器增速比1∶6.3。因水輪機轉(zhuǎn)速改變，為匹配發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速，須改變增速器增速比。發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速為750 r/min，對應水輪機轉(zhuǎn)速166 r/min，增速器增速比為1∶4.5。

(4)抗氣蝕性能復核

由于尾水位下降，葉片安裝角度調(diào)整以及轉(zhuǎn)速改變，致使葉輪氣蝕余量發(fā)生變化，須對水輪機技改后抗氣蝕條件進行復核?？箽馕g性能復核是根據(jù)水輪機的安裝高程復核水輪機的吸出高度，與葉輪氣蝕系數(shù)、大氣壓力、氣溫和設計水頭有關(guān)。根據(jù)GD008轉(zhuǎn)輪氣蝕系數(shù)及相關(guān)工作參數(shù)計算，最大吸出高度為2.8 m。查電站竣工圖資料,水輪機安裝高程為19.60 m，對應現(xiàn)狀最低運行尾水位,吸出高度為0.7 m，本技改方案抗氣蝕性能完全滿足要求。

3.2.2 技改措施

佟公壩水電站為軸伸貫流定槳式水輪機，轉(zhuǎn)輪葉片與輪轂之間為電焊連接，推力軸承為獨立軸承箱結(jié)構(gòu)，水輪機與發(fā)電機間由增速器連接。此類水輪發(fā)電不增容技改措施一般為更換葉輪、推力軸承及增速器。

(1)技改措施分析

葉輪改造是本次增效節(jié)能技改的核心。技改參數(shù)分析顯示，葉輪葉片安裝角可選擇10°或8°，前者效率更高，后者對推力軸承工況有利。

軸伸貫流式水輪機推力軸承及軸承箱為獨立結(jié)構(gòu)，預埋件澆筑在廠房電機層混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，總體結(jié)構(gòu)價格較高，安裝調(diào)試施工難度較大；并且二次澆注混凝土周期長，技改設備購置、安裝費用高且施工期發(fā)電損失大。根據(jù)前文中的分析計算，選擇水輪機額定轉(zhuǎn)速166 r/min，可以不更換推力軸承。該方案葉片安裝角8°，效率較安裝角10°略低，年均少發(fā)電約18萬kW·h；但可減少推力軸承設備采購、安裝費及施工期發(fā)電損失共110萬元。經(jīng)經(jīng)濟技術(shù)方案比選，確定不更換推力軸承；與該方案匹配的增速器增速比為1∶4.5。

(2)技改方案實施

需要改造的部件為葉輪與增速器兩部分，經(jīng)與水輪機制造廠溝通，更換葉輪造價高、工期長。結(jié)合本電站現(xiàn)場技術(shù)條件和經(jīng)濟狀況，為進一步節(jié)約費用且縮短工期，最終采取現(xiàn)場直接更改葉片安裝角的實施方案。水輪機葉輪共有3片葉片，葉片、輪轂分別為不銹鋼、碳鋼材質(zhì)，兩者之間為電焊連接。施工時先將欲調(diào)整的葉片旋轉(zhuǎn)至向上位置，在葉片外緣中心(葉片軸線位置)焊接1個轉(zhuǎn)軸，利用套管和支架將轉(zhuǎn)軸固定在水輪機導水喉管上；然后用等離子切割機將葉片與輪轂之間的電焊切開。根據(jù)葉片幾何尺寸計算調(diào)整角度參數(shù)，并精確定位后，再用二氧化碳保護焊機將葉片與輪轂焊接牢固，將焊點表面打磨光滑、葉片外圓修整平順，完成1片葉片角度調(diào)整。用同樣的方法分別調(diào)整另外2片葉片，即完成葉輪技改。

增速器改造，施工難點是安裝調(diào)試。經(jīng)與原設備制造廠溝通，確定的設備技改方案為：重新設計、制造內(nèi)部齒輪和軸承，通過更新傳動零件參數(shù)改變增速比，外殼和相關(guān)連接部件仍用原件。此方案下設備外觀尺寸和安裝參數(shù)維持不變，安裝調(diào)試過程極大簡化。

4 技改后實際運行效果

先對1、2號機組進行技改，經(jīng)與未改造的3、4號機組對比運行，改造后機組效率顯著提高。依據(jù)運行工況分別查GD008—φ25°、GZ008轉(zhuǎn)輪特性曲線，技改前水輪機效率約73%，技改后達88%。經(jīng)現(xiàn)場實測，當進水口水位為24.2 m時，1、2號機組1、2臺滿負荷運行尾水位分別為18.90、19.35 m；3、4號機組1、2臺滿負荷運行時尾水位分別為19.00、19.50 m。在電站上游基本沒有來水的情況下，利用壩前蓄水量發(fā)電，壩前水位24.5 m時，1、2號機組2臺滿負荷運行1.5 h實測壩前水位降低0.26 m；同樣情況3、4號機組運行降低0.31 m。

查尾水渠現(xiàn)狀H～Q曲線，技改后1、2號機組實際單機流量為23 m3/s左右，未技改的3、4號機實際單機流量為28 m3/s左右；技改前后機組運行實測壩前水位的下降速度，也印證了機組流量的變化。技改后機組效率提升20%。

經(jīng)1、2號機組技改完成后1年多的運行觀測，效果完全達到設計要求，運行正?？煽?，檢查葉輪、推力軸承，未發(fā)現(xiàn)氣蝕、不正常磨損等現(xiàn)象。隨后，對3、4號機組進行了技術(shù)改造，技術(shù)參數(shù)和施工方案與1、2號機組相同。

佟公壩水電站技改前、后發(fā)電引用流量分別為112 m3/s與92 m3/s，單位電能耗水量分別為126 m3/kW·h和104 m3/kW·h，年均灌溉富余水量20.4億m3，水量利用率略有降低。技改前、后電站水量利用率分別為77%和75%，但發(fā)電量顯著增加，相應年均發(fā)電量分別為1 247萬kW·h和1 471萬kW·h。

佟公壩水電站節(jié)能增效技改工程葉輪改造人工費和材料費每臺13萬元，增速器材料購買和安裝費12.5萬元，包括其他費用，總計每臺費用28萬元，4臺機組合計112萬元，年均增加發(fā)電量224萬kW·h，技改產(chǎn)生的經(jīng)濟效益十分顯著。

5 結(jié) 語

水輪發(fā)電機組技術(shù)改造涉及水工結(jié)構(gòu)、水能轉(zhuǎn)換、機械動力傳遞、電機電氣等多專業(yè)，技術(shù)復雜施工要求高。每座水電站的實際情況不盡相同，技改方案的擬定應充分考慮電站的結(jié)構(gòu)特點、現(xiàn)場條件和施工水平。

佟公壩水電站水輪機增效節(jié)能技改方案充分考慮了推力軸承工作條件，同時對增速器進行了最為經(jīng)濟可行的配套改造，并仔細復核了推力軸承的溫升和水輪機安裝高程；核心措施為調(diào)整轉(zhuǎn)輪葉片安裝角度，以優(yōu)化水輪機工作點、提高運行效率。改造過程中采用現(xiàn)場加工取代返廠制造的方式，具有造價低、工期短的優(yōu)勢；但需要注意的是該方案施工技術(shù)要求高、重復性差。

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