榮桓電站改造分析

孫江 周學(xué)均 馬恩君

摘 要：文章通過(guò)對(duì)榮桓電站改造的說(shuō)明，提出了僅改造水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及相關(guān)件來(lái)提高機(jī)組過(guò)流能力、增加電站效益的改造思路，闡明了貫流式水電站水輪機(jī)改造的方法，對(duì)同等條件及類型的電站改造提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電站改造；貫流式電站；水輪機(jī)

榮桓水電站是以羅榮桓元帥名字命名的中型徑流式水電站，位于湘江一級(jí)支流—— 水的高湖渡口，由于目前上游電站的設(shè)計(jì)流量大于榮桓電站流量，在上游電站額定運(yùn)行時(shí)，榮桓電站需要棄水，導(dǎo)致資源浪費(fèi)，因此，需要對(duì)電站進(jìn)行增容改造，以提高機(jī)組的過(guò)流能力，減少棄水，進(jìn)一步提高電站效益。

榮桓電站機(jī)組部分改造方案初步確定為將轉(zhuǎn)輪更換，發(fā)電機(jī)定子及轉(zhuǎn)子更換，調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)速，并對(duì)其余部件進(jìn)行適當(dāng)修復(fù)，從而保證整體匹配，在改造后實(shí)現(xiàn)增容的目標(biāo)。

1 改造前后對(duì)比

1.1 選型參數(shù)對(duì)比

榮桓電站原轉(zhuǎn)輪為天津發(fā)電設(shè)備總廠的TF08轉(zhuǎn)輪，研制于上世紀(jì)80年代，綜合效率尚可，但是機(jī)組在大流量時(shí)震動(dòng)較大，目前改造時(shí)采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的TF08C轉(zhuǎn)輪，兩轉(zhuǎn)輪對(duì)比參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 原轉(zhuǎn)輪與新轉(zhuǎn)輪相關(guān)參數(shù)對(duì)比表

由表1可以看出，相對(duì)于老轉(zhuǎn)輪，新轉(zhuǎn)輪輪轂比較小，導(dǎo)葉高度較原轉(zhuǎn)輪小，但是相差不大，選用新轉(zhuǎn)輪后，機(jī)組過(guò)流能力加大，從而保證能夠有較大的機(jī)組出力。

1.2 流道對(duì)比

原流道與新轉(zhuǎn)輪流道相比（均按3.3m轉(zhuǎn)輪直徑設(shè)計(jì)），新轉(zhuǎn)輪外緣按照3.35m設(shè)計(jì)。

表2 兩轉(zhuǎn)輪按模型流道換算后流道對(duì)比

從表2看出，兩個(gè)模型轉(zhuǎn)輪換算的流道進(jìn)口尺寸基本一致，流道出口尺寸有一定差別，新轉(zhuǎn)輪流道出口尺寸大，從理論上說(shuō)回能性能更好。

1.3 導(dǎo)葉至槳葉段對(duì)比

由于新轉(zhuǎn)輪槳葉輪轂比小，因此，對(duì)槳葉至導(dǎo)葉段內(nèi)側(cè)流道進(jìn)行了修改，對(duì)比如圖1所示。

圖1中粗線為原流道，細(xì)線為改造后流道。

1.4 導(dǎo)葉對(duì)比

改造時(shí)沒(méi)有對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行修改，從對(duì)比上看，導(dǎo)葉尾部翼型相差不大，頭部有一定出入，對(duì)比圖如圖2所示。

圖2 改造前后導(dǎo)葉型線對(duì)比

圖2中A區(qū)域?yàn)樵瓕?dǎo)葉，B區(qū)域?yàn)樾罗D(zhuǎn)輪導(dǎo)葉，對(duì)比可以看出，新導(dǎo)葉頭部短，并且相對(duì)曲率小。

1.5 流道漸變段比較

相對(duì)于新轉(zhuǎn)輪，原轉(zhuǎn)輪在流道漸變段有兩個(gè)拐點(diǎn)，而新轉(zhuǎn)輪流道只有一個(gè)拐點(diǎn)（見(jiàn)圖3），從理論上說(shuō)，原流道突變量小，流動(dòng)應(yīng)更加平滑。也就是說(shuō)，原流道在漸變點(diǎn)的處理上更加先進(jìn)，但是就是現(xiàn)場(chǎng)施工相對(duì)較困難。

圖3 新舊轉(zhuǎn)輪流道漸變段對(duì)比

圖3中粗實(shí)線為原漸變位置流道，細(xì)實(shí)線為新轉(zhuǎn)輪漸變位置流道。

從流道對(duì)比可以看出，進(jìn)口段流道尺寸相差不大，包括在漸變位置，其相差都不大，但是在出口位置，新流道的出口擴(kuò)散角大，同時(shí)出口斷面比原流道大，因此，在相同流量下，如果采用新轉(zhuǎn)輪安裝于原流道上，可能會(huì)出現(xiàn)因?yàn)槌隹诹魉俑叨鴮?dǎo)致的機(jī)組回能系數(shù)不足，機(jī)組效率下降，但是在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，出口流速為2.5m/s，與現(xiàn)在通用的設(shè)計(jì)參數(shù)相比比較切合，可以滿足要求。綜合上述，從理論上分析，新的改造可以滿足要求。

2 改造實(shí)際實(shí)施措施

由于文章僅討論水輪機(jī)改造，發(fā)電機(jī)改造相關(guān)內(nèi)容文章不做描述。根據(jù)初步方案，制定詳細(xì)的改造措施如下。

2.1 轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪是水輪發(fā)電機(jī)組的核心部件，其作用是將水力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并通過(guò)主軸傳遞給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，最后轉(zhuǎn)換成電能。

更換全新轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪型號(hào)GZTF08C，轉(zhuǎn)輪名義直徑φ3.35m。葉片可根據(jù)水頭及負(fù)荷通過(guò)調(diào)速器自動(dòng)調(diào)整并與導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)，以保證在各種工況下均具有最佳效率。新轉(zhuǎn)輪過(guò)流能力明顯提高，所需調(diào)速功也有所增加，為可靠操作槳葉。將調(diào)速器、油壓裝置工作壓力等級(jí)調(diào)升至4.0MPa。新轉(zhuǎn)輪輪轂比為0.3，三葉片，沖壓式結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)輪裝配包括轉(zhuǎn)輪體、葉片、葉片操作系統(tǒng)、泄水錐等。

葉片操作系統(tǒng)采用充壓式——活塞操作架合一的結(jié)構(gòu)，活塞位于轉(zhuǎn)輪體后部用卡環(huán)與活塞桿連接，由受油器的開關(guān)油腔壓力油推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)耳柄、連桿、轉(zhuǎn)臂操縱葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。

改造后的操作系統(tǒng)采用新的密封和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。原葉片操作系統(tǒng)采用活塞配鑄鐵密封環(huán)、配導(dǎo)向鍵的轉(zhuǎn)輪體槳葉操作機(jī)構(gòu)，由于設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行的原因，極易造成活塞與轉(zhuǎn)輪體接力器缸體的間隙過(guò)小，甚至為硬性直接接觸，造成損傷缸體，即所謂拉缸現(xiàn)象。而且這種結(jié)構(gòu)由于三道活塞環(huán)在同方向開口，活塞與導(dǎo)向鍵三面均有一定間隙，也容易造成轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部串油較大。許多電站均不同程度的出現(xiàn)拉缸情況。在每次損傷后的盤車檢查中發(fā)現(xiàn)活塞與轉(zhuǎn)輪體缸體內(nèi)壁底部沒(méi)有間隙。同時(shí)這種損傷均造成轉(zhuǎn)輪體活塞串油嚴(yán)重，油壓裝置油泵啟動(dòng)頻繁，機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定。對(duì)電站運(yùn)行十分不利。

新葉片操作系統(tǒng)活塞密封采用整圈的具有自補(bǔ)償功能的標(biāo)準(zhǔn)孔用方形圈（GSF），配2個(gè)導(dǎo)向環(huán)，使活塞與轉(zhuǎn)輪體不直接接觸，避免了接觸損傷轉(zhuǎn)輪體接力器缸。此結(jié)構(gòu)是液壓行業(yè)成熟結(jié)構(gòu)，密封性能良好。從而徹底解決了由于轉(zhuǎn)輪體接力器缸損傷和由活塞環(huán)導(dǎo)向鍵密封不良造成的漏油和竄油問(wèn)題。大大延長(zhǎng)轉(zhuǎn)輪體接力器缸使用壽命，有效延長(zhǎng)油壓裝置油泵啟動(dòng)時(shí)間。對(duì)機(jī)組檢修和運(yùn)行都十分有利。

2.2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配

根據(jù)新的技術(shù)要求，由于轉(zhuǎn)輪操作油壓調(diào)整，同時(shí)根據(jù)新轉(zhuǎn)輪特性，增加導(dǎo)葉開度，因此采用新接力器，將工作壓力調(diào)升至4.0MPa，以滿足操作力和行程要求。在導(dǎo)葉套筒原件上新加工密封溝槽，采用新型JMF密封件，解決導(dǎo)葉軸頭漏水問(wèn)題。根據(jù)導(dǎo)葉型線對(duì)比，導(dǎo)葉返廠進(jìn)行修型，將導(dǎo)葉型線按照新的導(dǎo)葉型線加工，采用數(shù)控加工，以有效的保證型線精度。

2.3 埋入部分

改造后的轉(zhuǎn)輪裝配轉(zhuǎn)輪直徑為φ3350mm，為滿足轉(zhuǎn)輪流道要求，需要更換新的轉(zhuǎn)輪室，轉(zhuǎn)輪室上方葉片轉(zhuǎn)動(dòng)球面部分，120°范圍內(nèi)采用不銹鋼材料，其余部分材料采用Q235A。

2.4 主軸改造（原件上加工）

改造后的轉(zhuǎn)輪裝配輪轂比由原來(lái)的0.4調(diào)整為0.3，流道明顯加寬，與主軸法蘭配合處直徑由原來(lái)的φ1126調(diào)整為φ996，為適應(yīng)新流道要求，需要在原主軸基礎(chǔ)上進(jìn)行修復(fù)及深加工。

包括：（1）修復(fù)、配車與主軸密封配合段。（2）并按新轉(zhuǎn)輪重新配車法蘭、補(bǔ)孔、鏜孔、配制銷孔需要深加工的部位。

2.5 主軸密封

原密封結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)新轉(zhuǎn)輪過(guò)流能力要求，因此需要改造密封結(jié)構(gòu)。主軸工作密封為戈?duì)柋P根填料式密封，襯套為不銹鋼制造，密封漏水由排水管自流排至集水井，檢修密封為空氣圍帶式，工作壓力為0.7MPa。

3 結(jié)束語(yǔ)

榮桓電站改造首臺(tái)機(jī)組于2012年8月15日并網(wǎng)發(fā)電，經(jīng)過(guò)調(diào)試后，機(jī)組出力相對(duì)原機(jī)組出力增加150～300kw，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，改造成功。

通過(guò)實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，改造后機(jī)組出力明顯大于原出力，同時(shí)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，噪音小于原機(jī)組，改造效果良好。本次改造的成功可以為同類型機(jī)組的改造提供實(shí)際案例。

參考文獻(xiàn)

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