富阳市岩石岭水库一级水电站水轮发电机组增效扩容设计

2012-10-16张树存谢丽华

浙江水利科技 2012年2期

张树存,谢丽华

(浙江省水利水电勘测设计院,浙江杭州 310002)

1 电站概况

岩石岭水库一级水电站位于富阳市胥口镇上练村,为坝后式电站。电站始建于1979年,总装机容量1 500 kW,电站厂房内共装有3台500 kW的立式轴流定桨式水轮发电机组。1992年2号发电机组进行改造时,由500 kW扩容至580 kW,使得电站总装机容量增加至1 580 kW。2010年电站再次增效扩容,将原电站2台500 kW立轴轴流定桨式水轮发电机组及1台580 kW立轴轴流定桨式水轮发电机组,改造为3台630 kW立轴轴流定桨式水轮发电机组。电站主要参数:最大水头 Hmax为 15.81 m,额定水头 Hr为11.0 m,最小水头 Hmin为9.0 m;装机容量为3×630 kW,多年平均发电量为365万kW·h。

2 水轮发电机组增效扩容改造方案

2.1 增效扩容改造原则

岩石岭水库一级水电站是在不改变其主要水工建筑物以及设备埋设部件的情况下,进行水轮发电机组增效扩容改造,需要设计人员较深入地了解电站老机组的运行情况,到现场进行细致地查勘,并且需要具有法定资质的检测机构出具的机组设备鉴定证书以及原电站老机组的设计图纸资料。

(1)掌握电站老机组的现状是做好机组改造的重要条件,只有掌握了老机组的现状才能对机组设备的改造方案提供可靠的依据。

(2)了解厂家提供的老机组的设计图纸,让设计人员清楚地知道机组设备的结构情况,了解机组设备哪些部件是可以拆出检修或更换,哪些是无法拆出的,这是确定改造方案的基础。

经过现场了解及第三方出具的机组《安全检测报告》发现:各主要设备均有不同程度的老化、磨损和锈蚀;主要电器设备的绝缘明显不符合安全运行要求;导水机构及机组转动等部件锈蚀、磨损、渗漏严重。每年必须全面维护检修方可勉强继续运行。

2.2 原机组存在的主要问题[1]

根据机电设备运行状况分析,电站水轮发电机组主要存在以下隐患和问题:

2.2.1 发电机部分

3台发电机的定子线圈均为B级沥青绝缘,耐温低、绝缘水平差。经过30 a的运行,由于热、电和材料自身的老化等因素,线圈出现不同程度绝缘层裂纹、剥落,绝缘明显不符合要求。发电机转子线圈为B级沥青绝缘,老化也比较严重,停机时间超过48 h后,定、转子绝缘就无法满足正常开机并网要求,须空载烘干几小时才能并网发电。从检测结果分析,绝大部分技术资料都不符合要求。

2.2.2 水轮机部分

水轮机转轮因气蚀、磨损都经过不同程度的补焊,转轮的平衡度和叶片的表面光洁度都很差,导致水机构锈蚀、磨损严重。水轮机的导叶立面间隙较大,并呈逐年增加趋势,且导叶漏水严重致使机组停机时间过长,造成推力轴瓦及镜板过度磨损,给机组安全运行造成隐患。

2.3 现状原机组的可拆卸方案

2.3.1 发电机

通过厂家提供的老机组的设计图纸,发现老机组发电机可以整体拆出返厂检修。

2.3.2 水轮机

水轮机可以拆出部件主要有:①水轮机的转动部分:转轮、主轴、机导轴承、主轴密封及其它组成部件;②水轮机导水机构部分:顶盖、底环、导叶、导叶传动机构(包括导叶臂、连杆、连接板)控制环、顶盖抗磨板、底环抗磨板等。

2.4 增效扩容改造方案[1]

2.4.1 发电机部分

更换3台发电机的线圈和绝缘、推力轴瓦更新为弹性金属塑料瓦、制动器及所有自动化元件。

2.4.2 水轮机部分

仅保留蜗壳、座环、尾水管等埋设部件。更换3台水轮机转动部分:水轮机转轮、水轮机主轴、水轮机导轴承、水轮机主轴密封及其它组成部件;导水机构部分:顶盖、底环、导叶、导叶传动机构(包括导叶臂、连杆、连接板)控制环、顶盖抗磨板、底环抗磨板等;所有自动化元件。

为确保导水机构在电站安装的顺利进行,需另制造1套在厂内装配所需的工作座环。

3 水轮机机型的选择[1-2]

3.1 机型选择原则

对于不改变主要水工建筑物及埋设部件的增容改造电站,水轮机机型选择的主要原则:①新转轮推荐使用的水头应满足电站的工作水头;②新转轮效率应明显高于原转轮,且有较好的过流能力以满足增容的要求;③汽蚀性能应优于或至少等于原转轮,以满足电站实际的装机吸出高度要求;④新转轮与老转轮尺寸相当,以满足水轮机安装要求;⑤新转轮的流道尺寸尽可能与老转轮的流道尺寸相近,以满足水轮机相似性的要求。

3.2 选型设计

3.2.1 模型转轮选择

该电站原水轮机型号为ZD661-LH-120,转轮直径为1.2 m,水轮机额定效率为81.5%;发电机型号为TS173/34-16,额定转速为375 r/min。ZD661转轮是20世纪五六十年代我国从苏联引进的转轮,其最优比转速442 m·hp,限制工况比转速651 m·hp,最优单位流量0.92 m3/s,最优单位转速128 r/min,最优效率87%,限制工况空蚀系数0.8,抗空蚀性能差。

根据该电站的水头范围,并考虑老机组转轮的匹配性,以及与水轮发电机组制造厂家交流沟通,比较适用的轴流定桨式转轮有ZDJP502、ZD560。

根据该电站机组改造方案,发电机更换定子线圈和转子磁极线圈等,水轮机埋入部分不动,转轮直径1.2 m不变,转速为375 r/min,额定水头为11 m,发电机增容后额定容量为630 kW,以此计算的转轮额定点比转速约489.53 r/min、单位流量约1.554 m3/s、单位转速135.7 r/min。以此要求看,转轮ZDJP502、ZD560中均有1个叶片安装角的单位流量和单位转速 (ZDJP502/0°和ZD560/10°)适合该电站的工况,这2个模型转轮最优工况点性能与ZD661比较见表1。

表1 模型转轮性能比较表

从表1性能参数可以看出,ZDJP502/0°和ZD560/10°的单位转速与ZD661/0°的单位转速相差不大,而单位流量均较ZD661/0°有大幅提高,使增容得以实现。其中ZDJP502是中国水利水电科学研究院水利机电研究所研制的,近年来在小水电站中使用较多,过流量大,抗汽蚀性能较好,而且效率也明显高于另外2个转轮。而ZD560是我国早期应用的转轮,曾用于葛洲坝水电站,高效率区单位流量的范围较小,且能量指标也不理想。

3.2.2 流道差异的影响

由于水轮机埋入部分均维持原样,更换新转轮后,老流道可能不完全与新转轮匹配,对整体水轮机的性能会有某些影响。根据轴流式水轮机的特点,对水轮机性能影响较大的有尾水管的高度、直锥管的锥角、导叶高度和轮毂比。ZD661、ZD560、ZDJP502水轮机流道的主要区别见表2。

表2 水轮机流道参数比较表

由表2可知,ZDJP502的轮毂比较前2者要小,因此过流能力较大,导叶数、导叶高度都与原转轮相同,但ZD560所需的导叶数较多;导叶分布圆直径ZD560和ZDJP502相近,而目前水轮机的导叶分布圆直径较大;尾水管的高度和锥角对于水轮机出口尾水能量的回收有一定影响,ZDJP502要求的尾水管高度较大,而电站目前的尾水管高度较小,对新转轮的效率有一定的负面影响。

综合分析比较以上转轮的性能参数和流道差异,ZDJP502/0°以效率高、抗气蚀性能好,明显优于其他方案。