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        五一橋水電站機(jī)組水輪機(jī)技術(shù)改造探析

        2022-03-17 11:18:18金懂性
        黑龍江水利科技 2022年2期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)葉轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)

        金懂性

        (廣西水利電業(yè)集團(tuán)新疆克州水利發(fā)電有限公司,新疆 阿克陶 845550)

        1 工程概況

        五一橋水電站位于雅礱江下游一級支流九龍河上,與九龍縣城相距45km,與九龍河龍頭水庫溪古電站廠房相距20.5km。五一橋水電站樞紐工程由水電站、供水發(fā)電涵洞、導(dǎo)流泄洪洞、溢洪道等建筑物構(gòu)成,大壩壩型采用碾壓式均值土石壩型式。水輪機(jī)機(jī)組為臥式,裝機(jī)3×44MW,機(jī)組轉(zhuǎn)速500r/min。五一橋水電站所處流域干流為山區(qū)性河流,泥沙含量較大,年平均泥沙含量達(dá)0.594kg/m3。水電站在建設(shè)過程中所配備的水輪發(fā)電機(jī)組高水頭,大容量,并主要采用HLD74-LJ-390型水輪機(jī)設(shè)備??紤]到該水電站建站期間方案設(shè)計以及主要設(shè)備安裝方面均缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),技術(shù)水平較低,造成水輪機(jī)在運(yùn)行過程中泥沙含量較高,機(jī)組運(yùn)行過程中頻繁出現(xiàn)振動,轉(zhuǎn)輪以及導(dǎo)葉等主要運(yùn)行部件空蝕,過流元件嚴(yán)重磨蝕,軸承與導(dǎo)葉密封不嚴(yán)進(jìn)而引發(fā)十分嚴(yán)重的漏水問題,2005-2010年多次進(jìn)行的停機(jī)檢修也未能使水輪機(jī)機(jī)組達(dá)到安全可靠運(yùn)行的要求。

        根據(jù)HLD74-LJ-390型水輪機(jī)特性曲線,設(shè)備額定工效為85.8%,為進(jìn)行水輪機(jī)擴(kuò)容,必須進(jìn)行效率修正,但水電站HLD74-LJ-390型水輪機(jī)加工水平不高,出于尺寸效應(yīng)、工藝水平等所限,其效率修正幾乎是難以實(shí)現(xiàn)的(原水輪機(jī)參數(shù)情況詳見表1)。HLD74-LJ-390型水輪機(jī)單位設(shè)計流量過大(1.42m3/s),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出4%的出力限制,所以,水電站實(shí)際運(yùn)行很難達(dá)到設(shè)計要求的過流流量,水輪機(jī)機(jī)組長期運(yùn)行于低負(fù)荷區(qū)域,難以充分發(fā)揮水能,嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行安全和水電站經(jīng)濟(jì)效益的順利發(fā)揮,為此必須進(jìn)行五一橋水電站機(jī)組水輪機(jī)技術(shù)改造。

        表1 原水輪機(jī)參數(shù)情況匯總

        按照設(shè)計要求,在進(jìn)行五一橋水電站擴(kuò)容改造時,主要對水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速器等埋入部件以外的主體部件進(jìn)行全部更換,在此過程中,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計至關(guān)重要。

        2 水電站機(jī)組水輪機(jī)技術(shù)改造設(shè)計

        2.1 轉(zhuǎn)輪改造設(shè)計

        2.1.1 轉(zhuǎn)輪長短葉片組合

        借鑒同等規(guī)模水電站轉(zhuǎn)輪改造設(shè)計經(jīng)驗(yàn),低比速長葉片轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口半徑差距較大,在哥氏力的影響下,相鄰葉片間水流流速分布呈現(xiàn)不均勻性,在低荷載運(yùn)行工況下,引發(fā)轉(zhuǎn)輪葉片正面水流流速轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)流速的極端情況的可能性很大,負(fù)流速必然引起渦流,加劇水輪機(jī)振動,使水輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)輪實(shí)際運(yùn)行效率大大降低[1]。按照五一橋水電站機(jī)組水輪機(jī)改造設(shè)計報告,選用型號為ZZ560-LH-500的立軸、蝸殼軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī),并通過在水輪機(jī)相鄰葉片間接近進(jìn)口處添加短葉片的方式確保葉片出口寬度不變的情況下,進(jìn)口處寬度減小,通過長短葉片的組合提高轉(zhuǎn)輪運(yùn)行的穩(wěn)定性和工效。在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造的過程中,若包括蝸殼、座環(huán)及尾水管等在內(nèi)的埋入件不變,則固定導(dǎo)葉的高度也無需調(diào)整,而對于活動導(dǎo)葉,由于其進(jìn)出口之間存在一段增加導(dǎo)葉高度的斜坡,會引起過流面積的擴(kuò)散而增大水力損失。所以,五一橋水電站轉(zhuǎn)輪導(dǎo)葉高度應(yīng)按考慮水頭擴(kuò)散損失的水頭導(dǎo)葉高度設(shè)計[2]。

        為防止短葉片添加后過流量的減小,將五一橋水電站機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪19個葉片改成15個短葉片+15個長葉片,為防止哥氏力作用引起轉(zhuǎn)輪正反面流速不同而增加水力損失(圖1(a)),應(yīng)將短葉片出水邊靠近前部長葉片(圖1(b)),增加出水邊正面水流流速而消除哥氏力作用,同時將標(biāo)準(zhǔn)正曲率半徑導(dǎo)葉改為偏心負(fù)曲率導(dǎo)葉,使其在水力矩的作用下,產(chǎn)生自關(guān)閉傾向,提高導(dǎo)葉運(yùn)行的安全性,增強(qiáng)密封效果??紤]到A351水輪機(jī)在當(dāng)前國內(nèi)水電站常用的高水頭混流式水輪機(jī)中性能優(yōu)良,所以五一橋水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在選用A351的基礎(chǔ)上進(jìn)行改型設(shè)計。按照先長葉片再短葉片的次序設(shè)計,在長葉片翼型的前2/3處厚度相等,后1/3開始逐漸變薄,其翼型與短葉片相同,長度為短葉片的2-3倍。通過流場分析軟件所預(yù)測得轉(zhuǎn)輪直徑500mm,試驗(yàn)水頭25mm的情況下轉(zhuǎn)輪參數(shù)詳見表2。

        (a) (b)

        表2 五一橋水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪參數(shù)

        由表2試驗(yàn)結(jié)果可知,A351轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計后工效可達(dá)94.3%,100%負(fù)荷下水輪機(jī)裝置水頭空蝕系數(shù)0.044,限制工況下流量可達(dá)298L/s,符合五一橋水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計的效率要求。

        2.1.2 擴(kuò)容改造水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪參數(shù)

        根據(jù)五一橋水電站擴(kuò)容改造水輪機(jī)綜合特性,水輪機(jī)額定出力點(diǎn)效率較高,高低水頭之間的出力點(diǎn)設(shè)置在高功效區(qū)域,保證水輪機(jī)加權(quán)平均工效達(dá)到最大。結(jié)合類似機(jī)組規(guī)模水電站的擴(kuò)容改造經(jīng)驗(yàn),為防止水輪機(jī)在不穩(wěn)定區(qū)域運(yùn)行,高低水頭之比應(yīng)控制在1.30以內(nèi),五一橋水電站擴(kuò)容改造后高低水頭之比為11.34∶9.01<1.30,所以選擇ZZ560-LH-500水輪機(jī)滿足五一橋水電站擴(kuò)容增效改造設(shè)計,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪參數(shù)詳見表3。

        表3 擴(kuò)容改造水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪參數(shù)

        根據(jù)五一橋水電站設(shè)計技術(shù)文件,其水輪機(jī)活動導(dǎo)葉中心安裝高程2150.5m,尾水高程2154.7m,可以按下式確定水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪吸出高程允許值:

        (1)

        式中:Hn為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪吸出高程允許值,m;E為尾水高程,m;K為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪名義吸出高程,m,取K=0.65;σe為額定水頭,m;Hr為轉(zhuǎn)輪直徑,m。計算出水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪吸出高程允許值為-3.29m,ZZ560-LH-500水輪機(jī)擴(kuò)容增效后滿足安裝高程設(shè)計要求,還能適應(yīng)混凝土蝸殼和尾水管擴(kuò)散口的水流流速,實(shí)現(xiàn)動能水頭損失的最小化。

        2.2 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

        該水電站原水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪調(diào)整角度的過程主要借助銷子定位完成,調(diào)整存在很大難度,準(zhǔn)確度和可靠性差,故在水輪機(jī)技術(shù)改造的過程中,提倡使用5葉片轉(zhuǎn)輪并焊接,以確保結(jié)構(gòu)調(diào)整后達(dá)到運(yùn)行準(zhǔn)確度以及可靠性等方面的要求。為保證流道相似,還必須采取相應(yīng)措施使轉(zhuǎn)輪體轉(zhuǎn)變成錐形結(jié)構(gòu)[3]。結(jié)合類似工程優(yōu)化設(shè)計經(jīng)驗(yàn),應(yīng)引入耐空蝕、抗磨蝕屬性和焊接性能優(yōu)異的PK-YBG317 0Cr16Ni5Mo型葉片,同時按照三坐標(biāo)形式加工處理,以優(yōu)化葉片幾何形狀。五一橋水電站機(jī)組水輪機(jī)原軸承主要使用的是浸油筒型式的稀油潤滑軸承,該軸承結(jié)構(gòu)簡單,性能一般,其所配置的主要元件無法為水輪機(jī)運(yùn)行自動化監(jiān)測提供條件,為此,該水電站機(jī)組水輪機(jī)軸承結(jié)構(gòu)在技術(shù)改造時改用便于實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測的稀油潤滑筒式軸承,其結(jié)構(gòu)剖面具體見圖2。

        圖2 水輪機(jī)稀油潤滑筒式軸承結(jié)構(gòu)剖面

        由剖面圖可知,稀油潤滑筒式軸承結(jié)構(gòu)在主軸下部設(shè)置了密封裝置,能有效防止下游水位升高導(dǎo)致軸承進(jìn)水,此外,改進(jìn)后的軸承結(jié)構(gòu)采用的是活塞和空氣圍帶結(jié)合作用型式,有效避免了軸承進(jìn)水和機(jī)組檢修的難題。

        五一橋水電站原機(jī)組并未在尾水椎管設(shè)置補(bǔ)氣裝置,機(jī)組長期運(yùn)行于低負(fù)荷情況下很容易出現(xiàn)氣蝕和振動,在此次技術(shù)改造過程中,于機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中心體位置增設(shè)φ150圓盤形補(bǔ)氣閥裝置(圖2),從而有效解決水輪機(jī)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的氣蝕與振動。

        3 結(jié) 論

        在對五一橋水電站機(jī)組水輪機(jī)擴(kuò)容改造后,水輪機(jī)機(jī)組在投入運(yùn)營后的第一年共運(yùn)行18384.57h,年總發(fā)電量達(dá)54970萬kW,且運(yùn)行穩(wěn)定性顯著提高,機(jī)組軸承擺度值改造后降低至0.25mm,縱向和橫向振動值均保持在0.02mm以內(nèi),尾水管壓力脈動不超過0.05MPA,五一橋水電站機(jī)組水輪機(jī)擴(kuò)容改造的成功實(shí)踐可為類似水電站水輪機(jī)技術(shù)改造提供借鑒參考。

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