某電廠貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造前后穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)效益研究

黃振宇

（中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司水電科學(xué)研究院，廣西 南寧 530000）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)水利設(shè)施建設(shè)的逐步開發(fā)完成，前期完成建設(shè)的水電站水頭常受新建電站的影響，日常運(yùn)行水頭與設(shè)計(jì)水頭有偏差，不但對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性造成不利影響，同時(shí)也會(huì)降低經(jīng)濟(jì)效益。某電廠位于紅水河流域，為該流域第七級(jí)梯級(jí)電站，總裝機(jī)容量為192 MW，由6 臺(tái)單機(jī)容量建成投產(chǎn)至今已運(yùn)行余年。隨著上、下游新電廠的建設(shè)投運(yùn)，該電廠運(yùn)行條件與設(shè)計(jì)條件有了較大差距：尾水位上漲1.4 m，最低尾水位上漲約4.2 m，最大水頭降低了2 m，枯水期流量增加、下游水位抬高、發(fā)電水頭降低等，電站低水頭運(yùn)行工況明顯增多，此時(shí)機(jī)組振動(dòng)及噪聲大，導(dǎo)致導(dǎo)葉開度只能達(dá)到，達(dá)不到預(yù)想出力， 5 m 及以下水頭運(yùn)行時(shí)機(jī)組穩(wěn)定性差，此外，機(jī)組長(zhǎng)期在較差工況下運(yùn)行還發(fā)生過水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與主軸連接螺栓斷裂、發(fā)電機(jī)定子鐵心端片位移、切割槽底線棒絕緣等問題。由于運(yùn)行工況的改變?cè)斐傻陌踩[患和經(jīng)濟(jì)損失日漸加劇，水輪機(jī)的改造迫在眉睫。經(jīng)與國(guó)內(nèi)外專家、設(shè)計(jì)單位論證[1]及參考國(guó)內(nèi)類似電廠的經(jīng)驗(yàn)后[2-4]，決定采用更換額定單位流量大、效率更高的轉(zhuǎn)輪的方案進(jìn)行改造。

1 技術(shù)改造方案

相較原設(shè)計(jì)運(yùn)行水頭范圍，現(xiàn)電廠實(shí)際運(yùn)行水頭為3 m～16 m，根據(jù)多年運(yùn)行資料，電廠平均毛水頭為10.41 m，根據(jù)公式Δh=5.7×10-6×Q2計(jì)算，電廠凈水頭約為9.6 m，改造后轉(zhuǎn)輪額定水頭依據(jù)H設(shè)計(jì)=0.9H權(quán)，本電廠宜采用8.6 m 額定水頭的轉(zhuǎn)輪。因此，本次改造的3 個(gè)方案中均進(jìn)一步的降低了原轉(zhuǎn)輪額定水頭：方案1 考慮改造轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。額定水頭降低的前提下為了更好的利用水能，勢(shì)必帶來轉(zhuǎn)輪直徑的增大，流道外形曲線不改造則難以與轉(zhuǎn)輪室圓滑過渡，同時(shí)需要開挖部分混凝土更換座環(huán)外錐體，該方案轉(zhuǎn)輪直徑由6.4 m 變?yōu)?.7 m，同時(shí)對(duì)輪轂進(jìn)行適當(dāng)減小，轉(zhuǎn)輪直徑增加約4.7%，過流面積增加約10.5%，額定水頭降至8.8 m，但改造費(fèi)用最大，改造周期最長(zhǎng)。方案2 考慮轉(zhuǎn)輪直徑增大至6.6 m，額定水頭9 m，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)不變。該方案需更換轉(zhuǎn)輪體、轉(zhuǎn)輪葉片、泄水錐、伸縮節(jié)等部件，打磨圓滑過渡導(dǎo)水機(jī)構(gòu)外導(dǎo)環(huán)，最終轉(zhuǎn)輪直徑增加約3.1%，過流面積增加約7.2%，但由于改變了流道，需重新進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn)證轉(zhuǎn)輪性能是否滿足要求。方案3 則維持轉(zhuǎn)輪直徑不變，轉(zhuǎn)輪更換為額定單位流量大、效率較高的轉(zhuǎn)輪。該方案投資最小，流道尺寸未改變，盡管更換轉(zhuǎn)輪后額定水頭為9.4 m 相距8.6 m 較大，但水頭降至8.6 m 后仍能保持28 MW 的出力，加之實(shí)際運(yùn)行資料統(tǒng)計(jì)顯示全廠最大出力未超過140 MW。綜合考慮施工難度、經(jīng)濟(jì)效益、改造時(shí)間等因素后，最終采用方案3 進(jìn)行改造。新舊轉(zhuǎn)輪參數(shù)如表1 所示。

表1 舊水輪機(jī)與新水輪機(jī)參數(shù)對(duì)比表

2 改造后運(yùn)行情況

改造后輪轂比由0.428 縮小至0.38，得益于過流面積的增大，轉(zhuǎn)輪過流能力提高約10%～12%，導(dǎo)葉開度相同的情況下出力增加約10%～12%；在額定水頭9.5 m 時(shí)，新機(jī)組出力能達(dá)額定出力33 MW；新轉(zhuǎn)輪在3 m～5 m 水頭段振動(dòng)值較小，可穩(wěn)定運(yùn)行，在5 m 水頭時(shí)保證出力11.55 MW，在3 m 水頭時(shí)可出力5 MW，而此時(shí)舊轉(zhuǎn)輪已因振動(dòng)過大而無法運(yùn)行。改造完成后運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2。

表2 新舊轉(zhuǎn)輪出力對(duì)比情況對(duì)比表

由表2 可知，水頭在9 m 之下時(shí)新舊轉(zhuǎn)輪出力差距明顯，改造前機(jī)組在5 m 以下無法正常運(yùn)行，而根據(jù)新轉(zhuǎn)輪在毛水頭3.7 m 的穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，新機(jī)組此時(shí)可穩(wěn)定出力5 MW，最大出力可達(dá)5.7 MW。在6 m～10 m 運(yùn)行區(qū)間時(shí)，原機(jī)組限制在85%導(dǎo)葉開度下運(yùn)行，出力較新機(jī)組出力受阻。在額定水頭之上兩者出力情況相近。新機(jī)組多個(gè)水頭的振動(dòng)區(qū)劃分見表3。3.7 m、8 m 水頭穩(wěn)定性數(shù)據(jù)見表4。

表3 新轉(zhuǎn)輪振動(dòng)區(qū)劃分表

表4 新轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定性數(shù)據(jù)

從機(jī)組出力及穩(wěn)定性情況上看，新轉(zhuǎn)輪在低水頭時(shí)也能有一定的區(qū)域穩(wěn)定運(yùn)行，改造效果明顯。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

新轉(zhuǎn)輪目前已在不同水頭和出力情況下穩(wěn)定運(yùn)行，在低于額定水頭時(shí)相同開度較原機(jī)組出力增加10%以上，年發(fā)電量提高的同時(shí)減少了安全隱患，維護(hù)成本降低，經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)一步提高。表5 統(tǒng)計(jì)了改造后8 個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)（利用系數(shù)：93%[5]）。

表5 改造后機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)表

在改造前的可研報(bào)告中，全廠機(jī)組技術(shù)改造后年發(fā)電量增量約為4 000 萬kW·h，有效電量系數(shù)取94.0%，改造后全年可增加有效電量3 760 萬kW·h，按廠用電率0.45%計(jì)算，年上網(wǎng)電量可增加3 743.08 萬kW·h，平均每臺(tái)機(jī)年增加發(fā)電量623.85 萬kW·h，項(xiàng)目投資可在9 年內(nèi)回收成本，而根據(jù)改造后8 個(gè)月數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，此時(shí)已增加發(fā)電量1 753.2 萬kW·h，相比可研報(bào)告有大幅提升，本次改造可取得非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

隨著社會(huì)的發(fā)展及“雙碳”目標(biāo)的提出，水能作為清潔能源未來在能源行業(yè)的比重將進(jìn)一步提升，而早期投運(yùn)的電廠不可避免要面臨技術(shù)改造問題。本次改造后的機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行一段時(shí)間后，不但解決了原機(jī)組無法在低水頭運(yùn)行的問題，提升了整體機(jī)組的穩(wěn)定性，同時(shí)還在經(jīng)濟(jì)效益上取得了明顯的提升，是一次成功的改造，可為相關(guān)同類型電廠技術(shù)改造提供一定的參考。