沙河抽水蓄能電站1號機轉輪國產(chǎn)化改造

王以軍,孫成玲

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

1 前言

沙河抽水蓄能電站安裝2臺50 MW水泵水輪機-發(fā)電電動機組，其主要特征參數(shù)：上水庫正常蓄水位136 m，正常消落水位120 m，死水位116 m；下水庫最高水位19.5 m，最低水位15 m，正常水位17.5～19.0 m；水輪機工況運行最大毛水頭121 m，正常情況下運行最小毛水頭100.5 m，極端運行最小毛水頭96.5 m，額定凈水頭97.7 m；水泵工況運行最大毛揚程為121 m，正常情況下最小毛揚程100.5 m，非常情況下最小毛揚程96.5 m。

轉輪由原法國阿爾斯通提供，該轉輪主要由上冠、下環(huán)、葉片及泄水錐等部件組成，材質為馬氏體不銹鋼，標稱直徑為3.32 m。2009年，原法國阿爾斯通提供的轉輪均出現(xiàn)了裂紋、孔洞、空蝕（圖1）等問題。為防止裂紋進一步擴展，影響機組安全運行，2009年～2017年每年停機兩次對轉輪問題進行跟蹤監(jiān)測、維修。多次維修情況表明，通過維修不能有效消除轉輪裂紋隱患[1]。

圖1 轉輪上的裂紋、孔洞、空蝕

2 改造過程

2.1 確定制造單位

為有效消除轉輪裂紋隱患，2018年，沙河抽水蓄能電站就1、2號機組轉輪改造項目從安全、經(jīng)濟、技術、進度等方面進行了可行性研究，經(jīng)投資決策咨詢委員會及投資決策工作委員會等專家組的評審論證，一致認為沙河抽水蓄能電站轉輪改造安全上是迫切的，技術上是可行的，經(jīng)濟上可產(chǎn)生一定的效益。為了確定合格的轉輪制造單位，沙河抽水蓄能電站委托某招標公司進行公開招標，經(jīng)技術經(jīng)濟比較，最終確定哈爾濱電機廠有限責任公司中標。

2.2 新轉輪研發(fā)制造

舊轉輪裂紋、孔洞、空蝕等問題主要由于原法國阿爾斯通水力設計存在缺陷以及制造工藝控制不嚴造成，其中設計缺陷是首要因素。為此制造廠組建經(jīng)驗豐富的研發(fā)、設計團隊，從舊轉輪裂紋、孔洞、空蝕產(chǎn)生的原因入手，結合沙河抽水蓄能電站特征水頭變化（下水庫最低水位由13 m調整為15 m）、運行權重調整、上下水庫庫容、機組容量、輸水系統(tǒng)特性以及2臺機組近10年（2010年～2019年）的運行數(shù)

收稿日期：2022-01-05

作者簡介：王以軍（1975-），男，高級工程師，從事抽水蓄能電站生產(chǎn)管理工作。據(jù)等，進行“量體裁衣”式水力研發(fā)工作，運用現(xiàn)場測繪、CFD優(yōu)化分析、模型試驗[2]等多個環(huán)節(jié)，先后投入3個模型轉輪，于2019年10月獲得了綜合性能優(yōu)于原法國阿爾斯通模型轉輪的A1555模型轉輪[3]，其抗空化特性和穩(wěn)定性指標得到顯著改善。

2019年11月～2021年4月，根據(jù)模型轉輪、水泵水輪機軸、頂蓋、座環(huán)、尾水管等特征參數(shù)，設計制造新轉輪（圖2）。（1）將模型轉輪等比例放大8.3倍轉化為新轉輪，優(yōu)選轉輪材料、轉輪D2/D1值等幾何參數(shù)，新轉輪重量為14.847 t，較舊轉輪增加1.55 t，加強了葉片剛強度。新轉輪上冠、下環(huán)、葉片、泄水錐均采用抗空蝕、抗磨蝕并具有良好焊接性能的超低碳優(yōu)質不銹鋼材料ZG04Cr13Ni5Mo(VOD)，較舊轉輪（0Cr13Ni4Mo）增加了Ni的成分，增強了不銹鋼鈍化膜的穩(wěn)定性。（2）對新轉輪與水機軸的裝配方式進行了優(yōu)化，改為軸傳扭、銷定位、螺栓緊固的方式，并對原水機軸進行配加工。（3）新轉輪外形尺寸與舊轉輪尺寸保持一致，即最大外形尺寸仍為Φ3 360 mm×1 310 mm。同時，活動導葉未作更換，僅對下固定止漏環(huán)進行更換，采用不銹鍛鋼0Cr18Ni9,硬度低于轉輪對應的位置40 HB以上，接口尺寸與現(xiàn)有結構完全一致。

圖2 新轉輪結構圖

2.3 新轉輪安裝試驗

2021年4月～6月，1號機新轉輪安裝期間，根據(jù)水泵水輪機安裝技術規(guī)范、制造單位提供的安裝要求，嚴格控制新轉輪中心、水平、聯(lián)軸螺栓預緊力等關鍵節(jié)點，保障了新轉輪與水機軸的同心度、垂直度滿足要求。新轉輪安裝完畢，同時開展了1號機動平衡試驗、新轉輪與調速器協(xié)聯(lián)試驗、穩(wěn)定性試驗、效率試驗等，有效消除了由于轉動部件動不平衡對機組穩(wěn)定性帶來的影響。

3 改造效果

轉輪改造后近7個月的運行數(shù)據(jù)及試驗結果表明，沙河抽水蓄能電站1號機轉輪國產(chǎn)化改造項目取得安全、經(jīng)濟雙豐收。

3.1 改善轉輪空化性能

沙河抽水蓄能電站轉輪裂紋問題主要是在水泵工況運行時產(chǎn)生的，如圖3所示。原法國阿爾斯通提供的轉輪的初生空化（如圖3帶三角虛線所示）結果和臨界空化（如圖3帶方框虛線所示）結果部分水頭范圍內(nèi)進入機組運行區(qū)域，新轉輪在全部運行水頭范圍內(nèi)（最小毛揚程96.5 m-最大毛揚程121 m），均不存在初生空化（如圖3帶三角實線所示）和臨界空化（如圖3帶方框實線所示）現(xiàn)象，即有效消除轉輪裂紋隱患。

圖3 新舊轉輪空化性能

另外，模型水力試驗測得水泵初生空化系數(shù)(σi)和臨界空化系數(shù)(σ0.5)均低于沙河抽水蓄能電站空化系數(shù)(σpl)，且具有較大安全裕量（見表1），滿足電站空化特性指標要求，能夠保證轉輪無空化運行。

表1 水泵空化試驗結果

3.2 提升機組穩(wěn)定性

新轉輪安裝期間，采取控制金剛砂噴涂質量、上機架水平、推力頭與發(fā)電機軸頭同心、彈性盤車、動平衡配置等系列措施，致使機組振動、擺度等主要運行參數(shù)得到了大幅改善，滿足DL/T 507-2002《水輪發(fā)電機組啟動試驗規(guī)程》要求，達到ISO7919-5標準的A區(qū)水平（即最優(yōu)水平，機組可不加限制地運行）。投產(chǎn)初期、首輪A修前后、轉輪改造前后各項試驗數(shù)據(jù)表明：1號機轉輪改造后機組穩(wěn)定性得到了較大的改善，綜合運行水平優(yōu)于投產(chǎn)初期及上一輪A修后的水平，達歷史最優(yōu)（見表2）。

表2 1號機振擺參數(shù)變化情況

轉輪改造后，額定負荷下，發(fā)電穩(wěn)定工況：上導擺度下降68%，下導擺度下降57%，水導X軸擺度持平，Y軸擺度略有下降，上機架X軸水平振動下降85%，下機架X軸水平振動下降68%，頂蓋X軸水平振動下降65%；抽水穩(wěn)定工況：上導擺度下降60%左右，下導X軸擺度下降30%，水導X軸擺度下降20%，下導及水導Y軸擺度數(shù)值持平，上機架X軸振動下降82%，下機架X軸水平振動下降43%；頂蓋X軸水平振動下降65%。

3.3 增加機組效率

3.3.1 機組能量轉換效率提升約1.29%

為了使1號機轉輪改造前后機組運行條件相同，沙河抽水蓄能電站于2021年6月12日～8月8日特向調度部門申請與改造前具有可比性的運行模式：即每天完成上水庫一池水（上水庫▽120～▽136庫容為205.55萬m3）的抽發(fā)過程，通過測試1號機轉輪改造后機組能量轉換效率提升約1.29%，每年可增加收益106萬元（按年發(fā)電量1.82億kW·h、能量轉換效率增加1.29%、每kW·h電費0.45元計算）。

表3 全廠能量轉換效率統(tǒng)計

3.3.2 水輪機工況效率平均提升約1.33%

轉輪改造前后機組效率試驗數(shù)據(jù)表明：1號機轉輪改造后，其整個發(fā)電工況下的效率均有不同程度的提升。其中高水頭提升約1.15%；中水頭提升約1.74%；低水頭提升約1.11%。

經(jīng)模型機組試驗數(shù)據(jù)換算到原型機組：運行范圍內(nèi)水輪機工況原型最高效率為93.00%，滿足合同值不低于92.83%的要求；水輪機工況原型加權平均效率為91.28%，高出合同保證值0.28%。

圖4 新舊轉輪水輪機工況效率對比

3.3.3 水泵工況效率提升約1.18%

轉輪改造前后機組效率試驗數(shù)據(jù)表明：1號機整個抽水工況下的效率均比轉輪改造前有明顯提高，其效率較轉輪改造前提升約1.18%。

經(jīng)模型機組試驗數(shù)據(jù)換算到原型機組：原型水泵最高效率為93.45%，滿足合同值不低于93.44%的要求；原型水泵加權平均效率為93.21%，高出合同保證值0.19%。

圖5 新舊轉輪泵工況效率對比

3.4 泵工況駝峰裕度3.6%

1號機轉輪改造后，其水泵工況駝峰安全裕度[5]為3.6%，滿足合同規(guī)定的駝峰裕度不小于2%的要求。

4 結論

沙河抽水蓄能電站轉輪改造項目是通過公開招投標方式確定新轉輪研發(fā)、制造單位，是真正意義上的國內(nèi)制造廠對進口抽水蓄能機組轉輪的國產(chǎn)化改造，該項目的成功完成，說明國內(nèi)抽水蓄能機組設計、制造水平已從“跟跑”轉向“并跑”，其中某些領域甚至達到“領跑”水平，如低水頭“S”特性、無葉區(qū)壓力脈動等。在未來幾年國內(nèi)抽水蓄能電站建設大發(fā)展的推動下，“中國制造-抽蓄”將成為世界上認知度最高的標簽之一。