雙澗溪電站水輪機(jī)增效擴(kuò)容改造方案研究

林長(zhǎng)產(chǎn)，張 翼，吳慶超

(1.浙江宇豐水電集團(tuán)有限公司，浙江 泰順 325500；2.泰順縣雙澗溪水力發(fā)電有限公司，浙江 泰順 325500；3.泰順仙居水力發(fā)電有限公司，浙江 泰順 325500)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源需求的提高，現(xiàn)有水電站容量已不能滿(mǎn)足電力需求，而新建設(shè)水電站面臨著地理、環(huán)境和資金等限制，故對(duì)現(xiàn)有水電站進(jìn)行增容改造成為重要途徑。在國(guó)內(nèi)外研究中，已有許多學(xué)者提出了有效的改造方法和技術(shù)。

苗苗等[1]、潘麗楓等[2]以及肖妮等[3]分別對(duì)山東省農(nóng)村水電、縉云縣“十三五”農(nóng)村水電、浙江省水電增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目進(jìn)行了分析總結(jié)。何良超[4]對(duì)安徽紀(jì)村水電站增效擴(kuò)容改造前、后機(jī)組狀況進(jìn)行分析總結(jié)。薛鵬等[5]將中小型水電站的改造工作分類(lèi)研究并給出相應(yīng)的解決方案。肖建軍等[6]提出了一種結(jié)合進(jìn)水口結(jié)構(gòu)優(yōu)化達(dá)到電站增效擴(kuò)容效益最大化的改造新思路。Hu Huali[7]、Yang Hongfeng[8]、Xu Shiyuan[9]、Xian Jun Wang[10]分別分析了艾布三級(jí)水電站、奈良水電站、古田溪水電站以及葛洲壩水電站的改造方案，并討論了系統(tǒng)改造的重要性、必要性和可行性。其中，水輪機(jī)是水電站的“心臟”，其容量和效率對(duì)水電站的增效擴(kuò)容改造起關(guān)鍵性的作用。針對(duì)電站的具體運(yùn)行狀況，為了提高電站效率，劉振龍[11]通過(guò)更換HLA551C新型轉(zhuǎn)輪并重新設(shè)計(jì)了頂蓋等部件。黃日華[12]針對(duì)那多水電站，采用HL100—WJ—88轉(zhuǎn)輪更換原有水輪機(jī)的HLD54—WJ—88轉(zhuǎn)輪，并對(duì)相關(guān)機(jī)組結(jié)構(gòu)和部件進(jìn)行了改造分析。柳海鵬[13]提出了加大槳葉轉(zhuǎn)角、葉片局部修型和頂蓋增設(shè)補(bǔ)氣孔的改進(jìn)方案，解決了電站更換為貫流式轉(zhuǎn)輪而產(chǎn)生的出力不足的問(wèn)題。雷恒[14]針對(duì)我國(guó)臥式混流式水輪機(jī)嚴(yán)重老化、達(dá)不到額定出力等問(wèn)題，探討了混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

基于上述背景，對(duì)水輪機(jī)的增容改造進(jìn)行深入研究和探索，是為了進(jìn)一步了解現(xiàn)有水輪機(jī)存在的問(wèn)題和局限性，并為制定有效的增容改造策略提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)對(duì)水輪機(jī)的增容改造研究，可以挖掘其潛在的能力和效率，進(jìn)一步提高水電利用率，實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

雙澗溪電站始建于20世紀(jì)80年代，原總裝機(jī)容量為6 400 kW(2×3 200 kW)。由于年代久遠(yuǎn)，機(jī)組各方面狀態(tài)大不如前，轉(zhuǎn)輪氣蝕嚴(yán)重，機(jī)組出力效率明顯降低；原水輪機(jī)出力為3 170 kW，不能滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)滿(mǎn)發(fā)3 200 kW的需求。因此，為充分合理利用水資源，結(jié)合雙澗溪水電站工程特性，對(duì)水輪機(jī)部分部件進(jìn)行技術(shù)改造，優(yōu)選技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)性好的技改方案，以提升機(jī)組出力，增加電站經(jīng)濟(jì)效益；工程其他信息如表1所示。

表1 工程特性表

2 增效擴(kuò)容改造方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 水輪機(jī)的出力模型

水輪機(jī)的出力取決于過(guò)機(jī)流量、有效水頭、水輪機(jī)的效率等，其關(guān)系如公式(1)所示：

P=9.81QHηt

(1)

式中，P為水輪機(jī)軸端的輸出功率，即水輪機(jī)出力(kW)；Q為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)水輪機(jī)某一既定過(guò)流斷面的水流體積(m3/s)；H為水輪機(jī)做功的有效水頭，即水輪機(jī)水頭(m)；ηt為水輪機(jī)的效率，效率小于1。

水輪機(jī)的過(guò)機(jī)流量與水流速度和過(guò)流斷面有關(guān)，如公式(2)所示：

Q=v·s

(2)

式中，v為通過(guò)水輪機(jī)某一既定過(guò)流斷面的水流的速度(m/s)；s為水輪機(jī)某一既定過(guò)流斷面的面積(m2)。

水輪機(jī)有效水頭與轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口水流運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系實(shí)質(zhì)上也都表明了水輪機(jī)中水能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的基本平衡關(guān)系，是自然界能守恒定律的另一種表現(xiàn)形式，如公式(3)所示；也可以用水電站毛水頭估算，如公式(4)所示：

(3)

H=Hg-Δh

(4)

式中，Hg為水電站毛水頭(m)，Δh為水電站引水建筑物中的水力損失(m)。

水輪機(jī)將水流的輸入功率轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)軸的輸出機(jī)械功率，在這個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在各種損失，其中包括水力損失、漏水容積損失和摩擦機(jī)械損失等；因而使得水輪機(jī)的輸出功率總是小于水流的輸入功率。水輪機(jī)輸出功率與水流輸入功率之比稱(chēng)為水輪機(jī)效率，常用λ表示。因而，水輪機(jī)總效率是由水力效率、容積效率和機(jī)械效率組成的。

水輪機(jī)的水力效率如式(5)所示：

(5)

式中，H為水輪機(jī)的工作水頭(m)，Σh為通過(guò)水輪機(jī)的水頭損失(m)。

水輪機(jī)的容積效率如公式(6)所示：

(6)

式中，Q為進(jìn)入水輪機(jī)的流量(m3/s)，Σq為流量損失(m3/s)。

水輪機(jī)的機(jī)械效率如公式(7)所示：

(7)

式中，Pe為水流作用在轉(zhuǎn)輪的有效功率(kW)，ΔPj為機(jī)械損失(kW)。

Pe=9.81QHηsηv

(8)

式中，Q為進(jìn)入水輪機(jī)的流量(m3/s)，H為水輪機(jī)的工作水頭(m)，ηs為水力效率，ηv為容積效率。

水輪機(jī)的總效率如公式(9)所示：

η=ηsηvηj

(9)

式中，ηs為水力效率，ηv為容積效率，ηj為機(jī)械效率。

2.1.2 水輪機(jī)的單位參數(shù)

在進(jìn)行水輪機(jī)原模型修正時(shí)，需要確定水輪機(jī)的單位流量(公式10)和單位轉(zhuǎn)速(公式11)：

(10)

式中，單位流量Q11表示當(dāng)轉(zhuǎn)輪直徑D1=1 m、有效水頭H=1 m時(shí)，該系列水輪機(jī)的實(shí)際有效流量(m3/s)。

(11)

式中，單位轉(zhuǎn)速n11表示當(dāng)轉(zhuǎn)輪直徑D1=1 m、有效水頭H=1 m時(shí)，該系列水輪機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速(r/min)。

2.2 改造方法

2.2.1 水電站改造方法

水電站增效擴(kuò)容改造指對(duì)現(xiàn)有水電站進(jìn)行技術(shù)升級(jí)和容量擴(kuò)充的改造，這種改造旨在提高水電站的發(fā)電效率，減少能源損失；同時(shí)增加其發(fā)電能力，以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的電力需求。

(1)水輪機(jī)改造

開(kāi)展水輪機(jī)改造工作主要可以從以下幾個(gè)方面入手[15]：一是更換原有的轉(zhuǎn)輪。結(jié)合電站運(yùn)行的實(shí)際情況，選擇了目前最新也是最適合電站的轉(zhuǎn)輪。轉(zhuǎn)輪葉片要引用不銹鋼材料制成，具有良好的抗銹蝕作用。二是采用鋪焊不銹鋼鋼板作為加工制造的主要材料。在對(duì)水輪機(jī)前后的導(dǎo)葉進(jìn)行封水線期間應(yīng)用鋪焊不銹鋼板，提高導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的密封性能，進(jìn)而使水輪機(jī)的導(dǎo)葉達(dá)到驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。三是更換水輪機(jī)內(nèi)外頂蓋、活動(dòng)導(dǎo)葉、底環(huán)、轉(zhuǎn)輪室等部件。

(2)發(fā)電機(jī)改造

在對(duì)中小型水電站的發(fā)電機(jī)進(jìn)行改造時(shí)，需要在改造后的水輪機(jī)的作用下來(lái)完成發(fā)電機(jī)改造的工作。通過(guò)更換高效的發(fā)電機(jī)部件，如轉(zhuǎn)子、定子和軸承等，來(lái)減少能量損耗和熱量散失；改進(jìn)發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)提高其散熱效果，降低溫度，從而減少能量損耗并延長(zhǎng)設(shè)備壽命，增加發(fā)電機(jī)的容量；通過(guò)增加繞組或更換更大功率的發(fā)電機(jī)，來(lái)增加其輸出容量等。

(3)水工建筑物改造

主廠房及副廠房?jī)?nèi)、外墻體粉刷裝飾保溫，室內(nèi)地面由大理石地面改為鋪設(shè)地坪漆；更換廠房門(mén)窗；對(duì)中控室、集控中心和機(jī)房裝修裝飾；電站大壩上游新建攔污進(jìn)水閘；開(kāi)關(guān)站及廠區(qū)地面處理，尾水渠護(hù)坡修整，尾水隔墩混凝土凍害修復(fù)，交通橋維修等。

2.2.2 水輪機(jī)改造方法

進(jìn)行增效擴(kuò)容改造的水電站受到諸多因素的影響，因此必須綜合考慮各種限制條件。對(duì)于中小型水電站，首先需要了解當(dāng)前的電站運(yùn)行情況，主要包括原水輪機(jī)結(jié)構(gòu)、引水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)范圍、電站的水量變化、機(jī)組的運(yùn)行方式及運(yùn)行特點(diǎn)、當(dāng)?shù)厣暇W(wǎng)電價(jià)等。然后，分析原水輪機(jī)存在問(wèn)題，并初步提出改造目標(biāo)。分析機(jī)組改造限制條件，包括機(jī)組結(jié)構(gòu)尺寸、發(fā)電機(jī)容量、主軸和其他部件的強(qiáng)度、導(dǎo)葉開(kāi)度、調(diào)速器容量、飛逸轉(zhuǎn)速等限制。接著，進(jìn)行水輪機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)、技術(shù)改造部件的制造、技術(shù)改造后的水輪機(jī)組安裝、技術(shù)改造后的水輪機(jī)組運(yùn)行。最后，進(jìn)行技術(shù)改造工作總結(jié)。

其中，水輪機(jī)選型開(kāi)發(fā)包括水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)及流動(dòng)分析(效率與空化性能的評(píng)估等)、水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等，如有必要，還需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 改造前后對(duì)比分析

3.1 主要改造內(nèi)容

雙澗溪電站改造內(nèi)容主要包括改造轉(zhuǎn)輪，改造活動(dòng)導(dǎo)葉并配襯套和導(dǎo)葉密封，改造底環(huán)、頂蓋及其止漏環(huán)。

3.1.1 改造轉(zhuǎn)輪

廠房?jī)?nèi)、新轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)、葉片均采用鑄造不銹鋼材質(zhì)，上冠上設(shè)有止漏環(huán)。止漏環(huán)與上冠為同一本體結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)輪葉片采用數(shù)控加工，以確保型線。轉(zhuǎn)輪完成加工后，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)合格后才能出廠。

3.1.2 改造活動(dòng)導(dǎo)葉，并配襯套和導(dǎo)葉密封

新的導(dǎo)葉采用鑄造不銹鋼材質(zhì)，導(dǎo)葉型線適應(yīng)新轉(zhuǎn)輪運(yùn)行。導(dǎo)葉采用數(shù)控加工，以確保型線。襯套及導(dǎo)葉密封適應(yīng)新導(dǎo)葉及改造后的頂蓋底環(huán)。

3.1.3 改造底環(huán)、頂蓋及其止漏環(huán)

底環(huán)保留本體，拆除護(hù)板，新護(hù)板及密封環(huán)采用不銹鋼板材。頂蓋保留本體，拆除護(hù)板，新做護(hù)板、護(hù)環(huán)；新護(hù)板采用不銹鋼板材。新止漏環(huán)采用鑄造不銹鋼材質(zhì)。底環(huán)、頂蓋改造和新止漏環(huán)的加工創(chuàng)造要充分考慮新轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉等綜合因素，以利于機(jī)組運(yùn)行。

3.2 改造方案

本電站原機(jī)型為HLA216—LJ—84，本次改造水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的選取要充分考慮該電站的具體水頭參數(shù)情況，選擇效率更優(yōu)、抗氣蝕性能更好、運(yùn)行穩(wěn)定性更佳的新型轉(zhuǎn)輪，才有利于保證電站改造后的效益。改造后水輪機(jī)額定出力為3 500 kW，能夠滿(mǎn)足電機(jī)滿(mǎn)發(fā)3 200 kW的需求。經(jīng)過(guò)比選，推薦采用C451轉(zhuǎn)輪作為此次改造方案的推薦轉(zhuǎn)輪。

3.3 增效擴(kuò)容改造前后對(duì)比分析

3.3.1 性能分析

雙澗溪電站原HLA216—LJ—84型水輪機(jī)在設(shè)計(jì)參數(shù)不變的情況下，經(jīng)過(guò)技術(shù)改造，出力可達(dá)3 500 kW；改造前后水輪機(jī)模型綜合特性曲線如圖1所示。水輪機(jī)模型綜合特性曲線以單位轉(zhuǎn)速和單位流量為橫縱坐標(biāo)，包含效率曲線、等空化系數(shù)曲線、5%出力限制線等，這些特性曲線能夠全面反應(yīng)水輪機(jī)的性能。水輪機(jī)模型綜合特性曲線對(duì)比數(shù)據(jù)表如表2所示，改造前后出力對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示。

(a)改造前(HLA216)

表2 水輪機(jī)模型綜合特性曲線對(duì)比數(shù)據(jù)表

表3 改造前后發(fā)電機(jī)出力對(duì)比表(水頭109 m，導(dǎo)葉開(kāi)度83%)

HLC451轉(zhuǎn)輪相比較于HLA216轉(zhuǎn)輪，在最優(yōu)工況下具有較高的單位流量與較低的單位轉(zhuǎn)速，而且效率明顯高于HLA216轉(zhuǎn)輪。從轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線來(lái)看，HLC451在額定工況下工作于較高效率區(qū)，效率為94%；而HLA216已明顯偏離高效率區(qū)，效率為87%。

對(duì)于HLC451轉(zhuǎn)輪，效率曲線整體扁平，在流量變化較大時(shí)，效率變化不大且保護(hù)在較高效率內(nèi)。根據(jù)表2對(duì)比，經(jīng)改造后，轉(zhuǎn)輪的過(guò)流能力及效率得到提升，且最大空化系數(shù)由0.065降低至0.06，具有更好的抗蝕能力；在轉(zhuǎn)輪直徑相同的情況下，HLC451轉(zhuǎn)輪總體性能要優(yōu)于HLA216轉(zhuǎn)輪。

3.3.2 成效分析

(1)生態(tài)效益

在進(jìn)行水輪機(jī)增容改造的同時(shí)，可以同步實(shí)施生態(tài)修復(fù)工程，全面推進(jìn)電站改造及河道生態(tài)修復(fù)，增強(qiáng)自然河道與人工建造工程的和諧相處，建設(shè)綠色水電站。水輪機(jī)增效擴(kuò)容改造可以增加水電站的發(fā)電能力，減少對(duì)其他形式能源的依賴(lài)，從而減少對(duì)天然資源的開(kāi)采和破壞，有利于保護(hù)野生動(dòng)植物及其棲息地。通過(guò)增加水輪機(jī)的效率和產(chǎn)能，可以充分利用水資源，減少對(duì)水資源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用。

(2)社會(huì)效益

水輪機(jī)增效擴(kuò)容改造可以增加水電站的發(fā)電能力，為社會(huì)提供更多的清潔、可再生能源，減少對(duì)傳統(tǒng)能源的需求，推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

增容后的水輪機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，能夠達(dá)到增容設(shè)計(jì)的出力，增加了水電站對(duì)電網(wǎng)的供電量，能夠改善電網(wǎng)供需矛盾，提高對(duì)電網(wǎng)的供電保證率；并且在提升發(fā)電效益的同時(shí)鞏固供水、灌溉、防洪、交通等綜合效益，對(duì)周邊地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到推動(dòng)作用。

(3)經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)提高水輪機(jī)的效率和產(chǎn)能，可以增加發(fā)電量，從而提高水電站的經(jīng)濟(jì)收入。能夠滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的能源需求，有利于降低電力供應(yīng)成本，并提高能源市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。其次，改造項(xiàng)目通常采用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，提高了水輪機(jī)的運(yùn)行效率，減少了維護(hù)費(fèi)用和能源消耗，降低了水電站的運(yùn)營(yíng)成本。此外，水輪機(jī)增效擴(kuò)容改造還能夠延長(zhǎng)設(shè)備壽命，減少故障和維修次數(shù)，降低了維護(hù)和修復(fù)的成本。

4 結(jié) 論

(1)雙澗溪電站經(jīng)過(guò)改造后，轉(zhuǎn)輪HLC451比原轉(zhuǎn)輪HLA216在轉(zhuǎn)輪效率、抗氣蝕性能、運(yùn)行穩(wěn)定性各方面都有很明顯的優(yōu)勢(shì)，從長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行和改造后出力更有效地滿(mǎn)足改造要求的角度考慮，建議優(yōu)先采用HLC451型轉(zhuǎn)輪來(lái)保證達(dá)到改造目的。

(2)水輪機(jī)增效擴(kuò)容改造在生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益三個(gè)方面都具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。從生態(tài)角度看，它能提高資源利用效率、減少環(huán)境污染，并促進(jìn)生物多樣性保護(hù)。在社會(huì)層面，它為社會(huì)提供清潔能源，增加就業(yè)機(jī)會(huì)，并建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施。而從經(jīng)濟(jì)角度看，它能增加發(fā)電量、降低運(yùn)營(yíng)成本、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，給電力行業(yè)和整體經(jīng)濟(jì)帶來(lái)明顯的效益。