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        HZ-YTJS新型調(diào)槳系統(tǒng)的研究與應用

        2021-07-08 23:27:26張開學張龍龍鄧東紅周松萍劉軍
        人民黃河 2021年5期

        張開學 張龍龍 鄧東紅 周松萍 劉軍

        摘?要:受地形、機組空間布置、投資和增容手續(xù)審批等因素制約,擴建生態(tài)小機組難以實施。目前,國內(nèi)低水頭水電站受技術條件限制,轉(zhuǎn)輪直徑1.8 m以下的水輪機組均采用定槳機組,難以實現(xiàn)小流量發(fā)電。河南河口二級水電站采用華自科技股份有限公司研制的HZ-YTJS新型調(diào)槳系統(tǒng),將直徑1.0 m定槳機組改為轉(zhuǎn)槳機組,實現(xiàn)了對原機組改造后小流量發(fā)電,解決了生態(tài)基流發(fā)電問題,經(jīng)濟效益明顯,屬國內(nèi)首創(chuàng)。

        關鍵詞:生態(tài)基流;小流量;水輪機;軸流;定槳;轉(zhuǎn)槳

        中圖分類號:TV734.4?文獻標志碼:A

        doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.023

        Abstract: Restricted by terrain, unit space layout, investment and approval of capacity expansion formalities, it is difficult to implement expansion of small ecological units. At present, domestic low-water-head hydropower stations are restricted by technical conditions and the fixed paddle units are adopted for all turbine units with a runner diameter less than 1.8 m. It is difficult to achieve small-flow power generation. HZ-YTJS novel paddle adjusting system of HNAC Technology Co., Ltd. was adopted for Hekou Second-Stage Hydropower Station in Henan. The fixed paddle unit with a diameter of 1.0m was changed as the rotary paddle unit in this system, which realized reconstruction of small-flow power generation on the original unit and solved the issue of power generation with ecological basic flow. It had obvious effects and was domestic initiative.

        Key words: ecological basic flow; small flow; hydraulic turbine; axial flow; fixed paddle; rotary paddle

        2016年水利部印發(fā)《農(nóng)村水電增效擴容改造河流生態(tài)修復指導意見》中強調(diào),河流生態(tài)修復應遵循“尊重自然,保護優(yōu)先”和“以自然修復為主,人工修復為輔”的原則。農(nóng)村水電站應設置“生態(tài)小機組”并長期運行,承擔生態(tài)流量泄放任務和基荷發(fā)電任務,通過發(fā)電下泄確保生態(tài)流量,生產(chǎn)運行時保證生態(tài)基流下泄的最低要求。生態(tài)基流相對水電站設計流量較小,在原機組上利用生態(tài)基流發(fā)電效率較低,而受地形、機組空間布置、投資和增容手續(xù)審批等因素制約,擴建生態(tài)小機組難以實施。怎樣既保護河道生態(tài)又兼顧企業(yè)發(fā)電效益,是當前的一項新課題。目前,國內(nèi)低水頭水電站受技術條件限制,轉(zhuǎn)輪直徑1.8 m以下的水輪機組均采用定槳機組,難以實現(xiàn)小流量發(fā)電[1-5]。HZ-YTJS新型調(diào)槳系統(tǒng)在河南河口二級水電站的成功應用為解決這一問題提供了成功案例。

        1?河口二級水電站改造的背景

        河口二級水電站位于河南省濟源市克井鎮(zhèn)河口村,引沁河口水電站以下2.3 km處,屬于梯級水電開發(fā)項目,發(fā)電水源主要為引沁河口水電站尾水。河口二級水電站原裝機為3×400 kW軸流定槳式水輪機,水輪機型號為ZD560B-LH-100,發(fā)電機型號為SF400-14/1730軸流低壓機組,電站設計水頭11 m,最大水頭12.4 m,最小水頭10.8 m,設計流量13.65 m3/s(3×4.55 m3/s),配有常規(guī)調(diào)速器,設備投產(chǎn)于2009年。

        河口二級水電站以沁河為水源。沁河是黃河三門峽至花園口區(qū)間兩大支流之一,發(fā)源于山西省長治市沁源縣霍山南麓的二郎神溝,自北向南流經(jīng)山西省的沁源、安澤、沁水、陽城、高平、晉城和河南省的濟源、沁陽、武陟等縣(市),于武陟縣方陵村匯入黃河。如何科學利用生態(tài)基流、保護河流生態(tài),成為流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的新課題。

        近幾年,隨著沁河上游的深度開發(fā),沁河下游河南省境內(nèi)出現(xiàn)小流量的概率明顯增大。要保證生態(tài)基流必須小流量發(fā)電,為此引沁河口一級電站增加一臺生態(tài)小機組發(fā)電,設計流量2 m3/s,發(fā)電流量在0.8~2.0 m3/s范圍之內(nèi),而下游河口二級電站對該區(qū)間流量無法利用,因此計劃新增1臺200 kW小機組,但受地形、機電空間布置、投資、增容審批手續(xù)等影響未實施。當上游電站小機組發(fā)電時,二級電站無法運行,造成綠色能源浪費。因此,決定對原機組進行改造,即將原定槳機組改造為轉(zhuǎn)槳機組。

        轉(zhuǎn)槳機組結構復雜,加工難度大,目前主要應用于轉(zhuǎn)輪直徑1.8 m以上的水輪機,轉(zhuǎn)槳技術在小直徑水輪機上很少使用。經(jīng)與華自科技股份有限公司科技人員共同攻關,將原ZD560B轉(zhuǎn)輪改槳成ZZD471轉(zhuǎn)輪,效益提升明顯,效果良好,既實現(xiàn)了生態(tài)基流發(fā)電又提高了整機運行效率,發(fā)電效率提高30%,填補了國內(nèi)小轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)槳技術的空白。

        2?HZ-YTJS新型調(diào)槳系統(tǒng)技術改造

        2.1?HZ-YTJS新型調(diào)槳系統(tǒng)簡介

        新型調(diào)槳系統(tǒng)主要由集電環(huán)、槳葉受油及控制系統(tǒng)、槳葉開度傳感器系統(tǒng)和高效轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪以及電氣控制柜組成,見圖1。

        轉(zhuǎn)槳控制系統(tǒng)通過建立優(yōu)化調(diào)節(jié)的模糊控制數(shù)字模型,實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)、自動適應導葉開度及水位和手動自動一體無擾動切換。槳葉受油及控制系統(tǒng)環(huán)抱于主軸安裝,實現(xiàn)了集油源、壓力提升、換向控制于一體,安裝簡單、控制可靠。開度傳感器實現(xiàn)了對旋轉(zhuǎn)體非接觸式測量,同時達到安裝簡便和測量準確的效果。轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)通過對轉(zhuǎn)輪參數(shù)優(yōu)化、主軸加工改造和泄水錐改進,實現(xiàn)了轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)性能的提升。

        2.2?技術改造方案

        2.2.1?轉(zhuǎn)輪改造

        水輪機轉(zhuǎn)輪技術更新,采用D471-100轉(zhuǎn)輪葉片。通常慣例,ZD560的升級型號為JP502,而JP502的升級替代型號為D471-100,其效率提高5%,空蝕性能、水推力和穩(wěn)定性都有優(yōu)化。新的轉(zhuǎn)輪直徑與原轉(zhuǎn)輪相同,不需要對機組轉(zhuǎn)輪室進行改造,對原轉(zhuǎn)輪進行現(xiàn)場堆焊修復、打磨、清潔。

        2.2.2?定槳改轉(zhuǎn)槳

        原水輪機結構為軸流定槳結構,通過改進成液壓轉(zhuǎn)槳的方式,在水輪機軸和發(fā)電機軸連接位置增加HZ-YTJS新型調(diào)槳裝置,轉(zhuǎn)輪結構在輪轂內(nèi)部設置接力器,通過水輪機軸的中心通孔將可控壓力油引入接力器,實現(xiàn)機組的自動轉(zhuǎn)槳功能。新的轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪可以在發(fā)電功率為100~530 kW范圍內(nèi)高效穩(wěn)定運行,在發(fā)電功率為100~150 kW運行時效率不低于70%,在發(fā)電功率為150~200 kW運行時效率不低于80%,在發(fā)電功率為200~300 kW運行時效率不低于85%,在發(fā)電功率為300~530 kW運行時效率不低于90%,比原定槳轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定運行范圍(發(fā)電功率為300~410 kW)寬闊得多,不僅能合理利用上游增加的水量,而且在平水期能提高水能利用率。由于原機組設計余量較大,因此轉(zhuǎn)槳的改造不需要改變土建,只需要更換水輪機軸、轉(zhuǎn)輪和增設槳葉控制系統(tǒng),以及更換水導軸承及主軸密封。

        2.2.3?發(fā)電機增容

        由于原發(fā)電機機座較大,發(fā)電機軸承承載能力足夠,因此在原400 kW的機組上加長并更換定子線圈即可滿足500 kW的發(fā)電功率,并可短期達到550 kW。對發(fā)電機絕緣材料進行更換,并對其他部位進行維護,同時增加測溫和油位監(jiān)測點,提高自動化運行水平。改造后的發(fā)電機外形沒有改變,不需要土建施工配合。

        2.3?HZ-YTJS新型調(diào)槳系統(tǒng)特點

        該系統(tǒng)主要具備以下特點:①16 MPa高油壓,具有調(diào)節(jié)力大、調(diào)節(jié)平穩(wěn)的優(yōu)點;②油源內(nèi)置、用油量少,相比傳統(tǒng)槳葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)結構上沒有旋轉(zhuǎn)動態(tài)密封點,可以做到零泄漏、無污染;③安全可靠,油泵通過特殊的機械結構驅(qū)動,取消了油壓電動機,降低了漏電風險;④效率范圍大,適應負荷變化能力強,發(fā)電水頭范圍擴大到設計凈水頭的0.5~1.2倍,出力范圍擴大到額定出力的25%~100%,處于生態(tài)流量時仍然可以發(fā)電;⑤投入成本少,相比常規(guī)擴容方式成本大大降低;⑥改造時間短,120 d內(nèi)完成設計、生產(chǎn)加工、安裝調(diào)試,其中停機影響發(fā)電時間不超過20 d;⑦維護成本低,產(chǎn)品故障點少、安全可靠,常規(guī)維護僅需對剎車片、壓力油等易耗易損件進行檢查維護。

        2.4?改造方案對比

        方案一為原有2臺水輪機定槳改轉(zhuǎn)槳,方案二為新增1臺200 kW機組,按技術改造要求,改造方案對比見表1。

        按技術改造要求,改造成本對比見表2。

        方案比較表明,方案一具有如下優(yōu)點:①改造成本低;②兩臺水輪機的轉(zhuǎn)輪更新后,效率相應提升,并可實現(xiàn)超發(fā),綜合效率提升30%左右,電站能夠取得更大收益;③無土建工程,可簡化行政審批手續(xù),項目改造周期短。

        3?改造效果

        3.1?改造前后數(shù)據(jù)對比

        現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比見圖2。經(jīng)過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比得到:改造前,當上游一級電站小機組發(fā)電功率為1 600 kW(滿負荷)、發(fā)電引水流量為2.0 m3/s時,下游二級電站發(fā)電功率為130 kW,改造后下游二級電站發(fā)電功率為200 kW,較改造前增加發(fā)電功率70 kW;改造前,當上游一級電站發(fā)電功率為1 200 kW、發(fā)電引水流量為1.5 m3/s時,下游二級電站發(fā)電功率為70 kW,改造后下游二級電站發(fā)電功率為150 kW,較改造前增加發(fā)電功率80 kW;改造前,當上游一級電站發(fā)電功率為1 000 kW、發(fā)電引水流量為1.2 m3/s時,下游二級電站停止發(fā)電,改造后下游二級電站發(fā)電功率為90 kW。

        3.2?改造前后效果對比

        (1)實現(xiàn)生態(tài)基流發(fā)電。通過試驗,改造后電站最小發(fā)電流量為0.8 m3/s,上游發(fā)電功率為600 kW時對應下游發(fā)電功率為50 kW。

        (2)轉(zhuǎn)輪效率提升。轉(zhuǎn)輪效率提升,空載開度減小,空載頻率更加穩(wěn)定,并網(wǎng)速度更快。原有轉(zhuǎn)輪葉片角度設定為10°,機組在額定負載時機組效率較高。當偏離額定負載時,流量與葉片角度不匹配,機組效率下降,水輪機無效耗水量大。新轉(zhuǎn)輪采用液壓調(diào)槳轉(zhuǎn)輪,葉片可調(diào)角度范圍為-12°~12°,能根據(jù)當前的流量選擇相匹配的角度運行,維持機組在高效區(qū)運行。機組在空載和低負荷狀態(tài)下同樣能維持高效率運行,耗水量減少,發(fā)電效益明顯得到提升。

        (3)發(fā)電機效率提升。原容量400 kW的發(fā)電機最高發(fā)電功率只能達到420 kW,經(jīng)改造后可達到550 kW,在豐水季節(jié)的效益得到進一步發(fā)揮。原轉(zhuǎn)輪按發(fā)電機400 kW容量設計,葉片角度固定在10°左右,可過流量受限,而新轉(zhuǎn)輪的葉片角度最大可調(diào)整到12°,過流量隨之加大,發(fā)電機可提高發(fā)電效率30%左右。

        3.3?改造前后效益對比

        河南河口二級電站改造前多年平均發(fā)電量500萬kW·h,改造后年平均發(fā)電量提高30%,年發(fā)電量達650萬kW·h,新增發(fā)電效益48萬元,兩年以內(nèi)可收回成本,無土建投資,施工期短,經(jīng)濟效益明顯。

        參考文獻:

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        [3]?陸桂明,龔鈺婷.水輪發(fā)電機組低成本監(jiān)測及優(yōu)化研究[J].人民黃河,2018,40(4):139-142.

        [4]?秦大同,謝里陽.液壓傳動與控制設計[M].北京:化學工業(yè)出版社,2013:33-120.

        [5]?盧明蘭.小水電站技術改造淺析[J].小水電,2007(1):33-35.

        【責任編輯?張華巖】

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