劉建波,董云豐,毛軍麗、付萬(wàn)珊,武金輝
(海委引灤工程管理局大黑汀水庫(kù)管理處,河北 唐山064300)
大黑汀水電站包括渠首電站和河床電站,其中渠首電站位于引灤總干渠渠首,安裝天津發(fā)電設(shè)備廠生產(chǎn)的4 臺(tái)(1~4 號(hào)機(jī)組)單機(jī)容量為3 200 kW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組,向天津、唐山兩大城市供水時(shí)發(fā)電。水輪機(jī)型號(hào)為ZZ560-LH-250,發(fā)電機(jī)型號(hào)為T(mén)S425-32/32。2014 年通過(guò)電站增效擴(kuò)容改造工程,將2 號(hào)和4 號(hào)機(jī)組由軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組更新改造為軸流定槳式機(jī)組,更新了新型軸流定槳式轉(zhuǎn)輪,機(jī)組容量由3 200 kW 增容至3 500 kW。
1號(hào)機(jī)組是天津發(fā)電設(shè)備廠1975年制造的產(chǎn)品。
水輪機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù):型號(hào)ZZ560-LH-250,額定出力3 370 kW,設(shè)計(jì)水頭11 m,最大水頭14 m,最小水頭6 m,額定流量37 m3/s,額定轉(zhuǎn)速187.5 r/min,飛逸轉(zhuǎn)速437 r/min。
發(fā)電機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù):型號(hào)TS425/32-32,額定功率3 200 kW,額定電壓6 300 V,額定電流366.6 A,額定頻率50 Hz,功率因數(shù)0.8,額定勵(lì)磁電壓100 V,額定勵(lì)磁電流447 A,額定轉(zhuǎn)速187.5 r/min。
2019 年5 月12 日20:35,1 號(hào)機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中,出現(xiàn)滑環(huán)處甩油現(xiàn)象,20:45 機(jī)組停機(jī)。檢查后綜合分析確認(rèn),發(fā)電機(jī)組的主軸內(nèi)操作油管路發(fā)生嚴(yán)重串油現(xiàn)象,機(jī)組已無(wú)法正常運(yùn)行。
當(dāng)時(shí)正值供水發(fā)電期間,機(jī)組停運(yùn)可能造成棄水,損失經(jīng)濟(jì)效益。正常檢修相當(dāng)于機(jī)組擴(kuò)修,費(fèi)工費(fèi)時(shí),錯(cuò)過(guò)放水發(fā)電時(shí)機(jī)。經(jīng)綜合研究決定對(duì)機(jī)組進(jìn)行搶修處理。
電站采取在不擴(kuò)修的情況下,現(xiàn)場(chǎng)機(jī)坑內(nèi)將轉(zhuǎn)輪由轉(zhuǎn)槳改為定槳運(yùn)行,即斷開(kāi)了轉(zhuǎn)輪槳葉操作油源,又解決了轉(zhuǎn)輪漏油問(wèn)題。具體做法:將槳葉和轉(zhuǎn)輪體焊死,同時(shí)對(duì)調(diào)速器和測(cè)速裝置進(jìn)行相應(yīng)改造,在原轉(zhuǎn)輪的基礎(chǔ)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施,盡快恢復(fù)機(jī)組正常運(yùn)行。
此前2 號(hào)、4 號(hào)機(jī)組已經(jīng)由軸流轉(zhuǎn)槳改為軸流定槳,額定水頭12.5 m,運(yùn)行穩(wěn)定。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,大黑汀水庫(kù)春、秋供水期,庫(kù)水位在130.0~132.5 m區(qū)間概率較大,在11 m 水頭下,設(shè)計(jì)1 號(hào)機(jī)組軸流定槳轉(zhuǎn)輪槳葉角度,可以滿足渠電機(jī)組在不同水頭下正常運(yùn)行。
由于大黑汀水庫(kù)是由上游潘家口水庫(kù)進(jìn)行水位調(diào)節(jié),供水期間水庫(kù)水位變化不大。電站可以由1臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組和3 臺(tái)軸流定槳機(jī)組組合運(yùn)行。運(yùn)行時(shí)將定槳機(jī)組和轉(zhuǎn)槳機(jī)組優(yōu)化組合,合理運(yùn)用,可以收到較好的經(jīng)濟(jì)效益。
我們采用水輪機(jī)通用的計(jì)算公式如下:
目前2 號(hào)、4 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪型號(hào)為ZDJP502-LH-250,額定水頭12.5 m,最大水頭14.5 m。
根據(jù)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的運(yùn)行模式,在不同水頭H及過(guò)流量Q情況下,水輪機(jī)應(yīng)按照某一給定的最優(yōu)規(guī)律曲線運(yùn)行,轉(zhuǎn)輪葉片的安放角β與活動(dòng)導(dǎo)葉的開(kāi)度α隨工況變化來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié),是實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)行規(guī)律的必要條件和手段。
在電站水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行中,調(diào)速機(jī)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的安放角β和活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度α均是按最大值的百分比來(lái)顯示(即相對(duì)開(kāi)度)。為了能相對(duì)比較準(zhǔn)確的確定水輪機(jī)額定工況(H=11 m、Nr=3 370 kW)條件下,轉(zhuǎn)輪葉片的安放角βr值,我們根據(jù)ZZ560-46水輪機(jī)模型綜合特性曲線進(jìn)行計(jì)算,可得到表1 能量數(shù)據(jù)。
從圖1 可以查得,在電站設(shè)計(jì)額定水頭Hr=11 m(額定點(diǎn)單位轉(zhuǎn)速nr11=141.33 r/min)、水輪機(jī)發(fā)額定出力Nr=3 370 kW 情況下,水輪機(jī)額定點(diǎn)效率為ηrh=85.55%(本計(jì)算中暫不進(jìn)行效率修正),計(jì)算額定點(diǎn)流量為Qr=36.58 m3/s(額定點(diǎn)單位流量Qr11=1.765 m3/s),從而查得額定工況點(diǎn)水輪機(jī)槳葉實(shí)際位置度為βr≈14°,此時(shí)活動(dòng)導(dǎo)葉的絕對(duì)開(kāi)口為T(mén)r≈170 mm(模型與真機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)均為24 片),根據(jù)圖紙查出,電站實(shí)際活動(dòng)導(dǎo)葉的最大絕對(duì)開(kāi)口為217 mm。依此推算:額定工況對(duì)應(yīng)儀表顯示100%的活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度αr≈80%。則:
額定工況槳葉實(shí)際位置度為βr≈+14°;
額定工況活動(dòng)導(dǎo)葉相對(duì)開(kāi)度為αr≈80%。
表1 額定水頭Hr=11 m 時(shí)能量指標(biāo)計(jì)算
圖1 H=11 m 水輪機(jī)能量曲線
2011 年12 月13 日由汀管處、北京中水科工程總公司、天津發(fā)電設(shè)備總廠科技開(kāi)發(fā)中心聯(lián)合進(jìn)行的2 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)槳改定槳真機(jī)試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)一步驗(yàn)證了理論計(jì)算確定的槳葉角度為14°(H=11 m)時(shí),機(jī)組運(yùn)行出力和運(yùn)行工況是比較合適的。
2011 年12 月13 日上午開(kāi)始正式試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)電站上游水位為131.43 m,下游水位為119.1 m,毛水頭約H毛=12.33 m,在試驗(yàn)過(guò)程中毛水頭H毛在12.0~12.5 m之間變化。根據(jù)大黑汀機(jī)組過(guò)流通道損失計(jì)算,機(jī)組在額定工況發(fā)電時(shí),計(jì)算工作水頭約為Hg=10.9~11.2 m 范圍,為方便我們?nèi)」ぷ魉^Hg=11 m 做比較分析,按2 號(hào)機(jī)組現(xiàn)設(shè)定的協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)行,機(jī)組帶負(fù)荷至3 200 kW 時(shí),槳葉開(kāi)度βr≈14°(與計(jì)算結(jié)果基本吻合),根據(jù)此結(jié)果確定試驗(yàn)漿葉β≈15.5°、14°、13.5°、12°這4 個(gè)角度下進(jìn)行定槳試驗(yàn),能量試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
表2 不同槳葉角度能量試驗(yàn)數(shù)據(jù)
定槳啟動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度α≈33~35°范圍,機(jī)組改為定槳運(yùn)行后,機(jī)組啟動(dòng)開(kāi)度會(huì)相應(yīng)增大2%~3%左右。
機(jī)組定槳運(yùn)行時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度50%范圍附近有不穩(wěn)定工況出現(xiàn),在55%~60%時(shí)消失。
本次轉(zhuǎn)槳改定槳的基本要求是保持現(xiàn)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)以及葉片不變,在原有軸流轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪基礎(chǔ)上進(jìn)行。
根據(jù)水力計(jì)算分析以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定的轉(zhuǎn)槳改定槳葉片角度,該角度的定位是根據(jù)改造前試驗(yàn)測(cè)量的接力器活塞位置與采用測(cè)量工具來(lái)確定葉片的這一角度。然后采用U 型定位塊將葉片和轉(zhuǎn)輪體焊接在一起的方法固定(見(jiàn)圖2 中“1”),使葉片在設(shè)計(jì)給定的角度下定槳運(yùn)行。
圖2 定槳葉片角度焊接固定示意圖
大黑汀電站轉(zhuǎn)輪葉片的材料為ZG1Cr13 鑄鋼,轉(zhuǎn)輪體的材料為ZG25Ⅱ鑄鋼,由于ZG1Cr13 屬于馬氏體型不銹鋼可焊性差,故在U 型定位塊與轉(zhuǎn)輪體和葉片焊接時(shí)分別采用兩種焊條進(jìn)行焊接。U 型定位塊與轉(zhuǎn)輪體的焊接,采用的是E5516 焊條。U 型定位塊與葉片焊接,焊條采用E1-30-9 不銹鋼焊條。
轉(zhuǎn)輪葉片角度確定:將槳葉角度調(diào)至按試驗(yàn)確定的角度(在槳葉上用千斤頂動(dòng)作槳葉至槳葉開(kāi)度14°),然后采用專(zhuān)用測(cè)量工具或組合樣板,準(zhǔn)確調(diào)整槳葉角度至設(shè)計(jì)確定的角度。
首先將不同直徑圓鋼塞焊于槳葉進(jìn)水邊與轉(zhuǎn)輪體之間的空隙,然后沿槳葉周邊把焊接U 型定位塊與轉(zhuǎn)輪體焊接在一起,把槳葉與U 型定位塊焊接在一起。
(1)調(diào)速器改造
為了保證機(jī)組轉(zhuǎn)輪由轉(zhuǎn)槳運(yùn)行改成定漿運(yùn)行,還要適當(dāng)對(duì)調(diào)速器進(jìn)行改造。將雙調(diào)節(jié)調(diào)速器改為單調(diào)節(jié)調(diào)速器,改造部位如下:
液壓隨動(dòng)系統(tǒng)中切斷配壓閥殼體內(nèi)漿葉受油器油路,改造部位:漿葉主配壓閥襯套、輔助活塞等。
(2)測(cè)速裝置改造
操作油管油路切斷后,受油器軸瓦無(wú)油潤(rùn)滑,需要拆除軸瓦。為了防止小軸擺度超標(biāo),拆除永磁機(jī)花鍵,永磁機(jī)無(wú)法提供測(cè)速信號(hào),需要在小軸上安裝1 套齒盤(pán)測(cè)速裝置,用來(lái)測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速,將測(cè)速信號(hào)送入LCU,實(shí)現(xiàn)機(jī)組實(shí)時(shí)監(jiān)控。
2019 年9 月6 日17:30,1號(hào)機(jī)組開(kāi)始往天津供水發(fā)電,9 月9 日16:00 停機(jī),9 月16 日上午9:00開(kāi)機(jī),2019 年10 月10 日10:00 結(jié)束,期間累計(jì)運(yùn)行27 d,累計(jì)發(fā)電158 萬(wàn)kW·h。1 號(hào)機(jī)組結(jié)合往天津供水進(jìn)行帶負(fù)荷發(fā)電,在供水期間機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定,各項(xiàng)參數(shù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)正常。1 號(hào)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)如下:有功:3 100 kW;無(wú)功:1 300 kW;勵(lì)磁電流:390 A;壩前水位:131.92 m;尾水位:119.1 m;導(dǎo)葉開(kāi)度:90%。
1 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)槳改定漿現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施投資共3.6 萬(wàn)元,2019 年9 月6 日至2020 年4 月28 日,已安全運(yùn)行966 h,累計(jì)并網(wǎng)發(fā)電270 萬(wàn)kW·h,按現(xiàn)行的電價(jià)(0.42元/kW·h),共創(chuàng)收113.4萬(wàn)元,取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。
運(yùn)行實(shí)踐證明:大黑汀水電站1 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)槳改定漿是成功的,機(jī)組穩(wěn)定性、效率、出力等均達(dá)到了改造的預(yù)期效果。1 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)槳改定槳成功實(shí)施,即解決了操作油管串腔問(wèn)題,又解決了轉(zhuǎn)輪多年漏油問(wèn)題,短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)了機(jī)組運(yùn)行,投資少,見(jiàn)效快,取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
(1)對(duì)城市生活供水水質(zhì)要求越來(lái)越高,而軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)常因轉(zhuǎn)槳密封機(jī)構(gòu)的磨損或其他故障而漏油,易造成水源污染,對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行軸流轉(zhuǎn)漿改定槳改造是解決漏油問(wèn)題、清除油污染的有效方法。
(2)對(duì)于原設(shè)計(jì)電站由多臺(tái)單一軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組,根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況,通過(guò)機(jī)組改造為由軸流定槳式和軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組混合運(yùn)行方式,可以?xún)?yōu)化電站的運(yùn)行方式,提高效率,減少電站的運(yùn)行維護(hù)成本。