山西省平顺县赤壁水电站技改工程水力机械更新改造设计思路及要点

2014-03-15

中国水能及电气化 2014年11期

(山西省水利水电勘测设计研究院，太原 030024)

1 工程概况

赤壁水电站位于平顺县北耽车乡烟驼村旁浊漳河边，装机容量3×2500kW，设计水头32.7m，设计流量30m3/s。1984年3月开始建设，1990年建成投产发电，设计年发电量3000万kW·h。该电站建成投产运行十余年来，给当地的国民经济发展、工农业生产提供了可靠的电力能源，产生了较高的经济效益和较好的社会效益。

近年来由于径流量改变，长期在低于设计流量的小流量下运行，使得水轮机工作效率下降，不能达到最优设计工况。加之机组运行已十多年，水轮发电机组设备老化，效率下降，不能产生最佳的效益。此次工程技改任务是拆除一台水轮发电机组，更换为一台小流量水轮发电机组。

2 水力机械设计

2.1 水电站的设计参数

水电站前池水位、尾水位和设计水头均参照原水电站技施设计水位，根据水文专业计算结果，河道径流量约6.0m3/s，以此作为水电站的设计流量。具体数据见表1。

表1 原水电站机组和技改水电站机组参数对比

2.2 装机及单机容量的确定

赤壁水电站库区位于拟建的淜头水电站下游，其发电流量根据淜头水电站放水流量确定，淜头水电站一台机组最小放水流量为2.0m3/s，一台机组设计流量4.0m3/s，经过库区调节后，这些流量都要求能够利用发电。根据对不同装机容量和多年平均发电量、发电流量、加权平均水头等方案的计算结果，最终提出装机容量为1600kW，改造机组平均发电量1058万kW·h，年利用小时数6612h。

根据水能计算的结果，结合机组选型要求，赤壁水电站技改最终确定电站装机一台，动能参数为最小流量3.3m3/s、设计流量6.0m3/s、设计水头32.7m。经计算最终确定实际装机容量为1600kW。

2.3 水轮机发电机组选择

2.3.1 水轮机选型

表2 水轮机及发电机参数比选

2.3.2 水轮机安装高程确定

Hs——吸出高度,m；

σ——汽蚀系数，取0.11；

Δσ——汽蚀系数修正值，取0.04;

H——电站设计水头，取32.7m;

b0——导叶高度，取0.25m。

经计算，安装高程为543.60m。

《小型水力发电站设计规范》(GB 50071—2002)要求最低尾水位淹没尾水管出口0.5m。因机组为改造，是在原来旧机组的位置安装新的机组，而进水管中心线高程及蜗壳中心线高程都不会变化。因此安装高程仍与原来安装高程541.0m相同，并且此安装高程均低于以上方法的计算值，满足设计要求。最后确定安装高程为541.0m。

2.4 调节保证计算

经调保计算，规范要求压力管道水锤压力上升值允许小于70%～50%，此次计算结果为18.8%；机组速率上升值允许在小于50%的范围内，此次计算结果为36.2%。因此本电站调保计算结果满足要求。

2.5 调速器及进水阀选择

此次对水轮机进水阀门及配套伸缩节进行更换，拆除旧阀门，更换新阀门，选用D941X-6电动蝶阀。阀门仍安装在原来位置，公称直径与原来一致，为DN1800，公称压力为0.6MPa。

2.6 机组改造方案

经咨询水轮发电机生产厂家，本着减少投资和减少土建工程量，且能达到安装水轮机的要求，此次技改不对蜗壳进行改造，拆除并更换原来的水轮机转轮、活动导叶、顶盖、控制环、止水密封、导轴承、油盆等部件。原来水轮机转轮直径1.2m，此次更换为0.95m。其相应部件尺寸都会变小。为使原蜗壳满足现有转轮等的安装要求，厂家提出了两种具体做法：一是沿着原蜗壳的固定导叶的翼形延长其长度，并在固定导叶的下部焊接翼板，使其过流面积减小，满足现有机组流量的要求，在加工顶盖时加大其尺寸能与原蜗壳配合安装；二是要更换原来机组容量，原来埋在钢筋混凝土内的蜗壳不能满足新更换机组的要求，要求拆除蜗壳重新安装。这就要求凿除蜗壳周围的混凝土然后再拆除蜗壳，更换新的蜗壳后，再在其周围浇筑钢筋混凝土。经对比及结合实际情况，采用方案二。

因现有转轮直径变小，其出口下环尺寸也会相应变小，对应的尾水管进口的基础环进口尺寸也相应变小，此次对基础环进行更换，满足过流及回收能量的要求，提高水轮机效率。

原发电机定子外径为2.6m，更换为新的发电机后，定子外径为2.15m。这就要求在制作发电机时，其基础要适当加大，按照原发电机的基础螺栓孔尺寸制作。这样在拆除旧发电机后，可以在原来的基础上安装新的发电机，土建尺寸不会相应改变。

2.7 电站辅助机械设备

2.7.1 供排水系统

a.供水用户。技改电站用水设备为发电机推力轴承冷却器、发电机导轴承冷却器、水轮机导轴承冷却器以及厂内生活用水。

b.水源及取水方式。根据电站工作水头，从压力钢管取水即可满足技术供水水量及压力要求。在机组的压力钢管进水阀前设技术供水取水口，后接滤水器，然后接技术供水总管，分别接入水轮机导轴承和发电机推力导轴承冷却器。电站生活供水也取自技术供水总管。

c.滤水器及供水管径确定。原设计为每台机组技术供水支管上安装一台手动式滤水器。为满足此次技改自动化运行的要求，更换为3台全自动滤水器，参与全厂自动控制。技术供水总管仍采用DN100钢管。

d.排水系统。厂内排水系统包括检修排水、渗漏排水和机组冷却排水系统。

机组检修排水：水泵经过多年运行，泵壳锈蚀严重，渗水严重。此次更换为同流量和扬程的立式无密封自控自吸泵。水泵的型号为200KWFB270-20，流量285m3/h，扬程18m，配套功率37kW。

发电机推力轴承冷却器、水轮机导轴承冷却器均通过自流排至闸门后尾水渠。厂内生活排水也通过自流排至集水井。

厂房渗漏水由厂房内排水沟汇集至集水井。水泵经过多年运行，泵壳锈蚀严重，渗水严重。此次更换为同流量和扬程的立式无密封自控自吸泵，启闭无需灌水排除泵壳空气。水泵的型号为80kWFB50-32，流量45m3/h，扬程32m，配套功率15kW。

2.7.2 油系统

a.透平油系统。技改电站透平油用油设备主要有调速器、发电机推力轴承和水轮机水导轴承。经过多年的运行，滤油机、油泵和油罐已经不符全安全运行的要求；并且原设计透平油和绝缘油共用一台真空滤油机，不符合两种油设备应分开使用的要求。此次对透平油系统全部进行更换。

压力滤油机一台，型号为LY-50，过流量50L/min；真空滤油机一台，型号ZJCQ-3，过流量50L/min；油泵两台，型号为2CY-6/3.3，过流量100L/min。更换3m3油罐两只，一只为净油罐，另一只为运行油罐。

b.绝缘油系统。技改电站绝缘油用油设备主要是变压器。经过多年的运行，滤油机、油泵和油罐已经不符合安全运行的要求。此次对绝缘油系统全部进行更换。

压力滤油机一台，型号为LY-50，过流量50L/min；真空滤油机一台，型号ZJB3KY，过流量50L/min；油泵两台，型号为2CY-6/3.3，过流量100L/min。更换5m3油罐两只，一只为净油罐，另一只为运行油罐。

2.7.3 压缩空气系统

水电站压缩空气系统包括高压供气系统和低压供气系统。经过多年运行，空压机运行时振动和噪音很大，并且气罐也达不到安全运行的要求。

此次对高低压气系统全部进行更换，高压空压机型号为VF-0.3/30，排气量0.55m3/min，排气压力3.0MPa。在气罐上安装一台压力变送器，自动控制高压空压机的运行。低压空压机选用螺杆式空压机，型号为SRC-15SA，排气量1.5m3/min，排气压力0.8MPa。在供气管路上安装一台压力变送器，自动控制低压空压机的运行。

2.7.4 水力监视测量系统

水力监视测量内容包括：上、下游水位监测，拦污栅前后压差、水轮机工作水头、轴功率、蜗壳进口压力、尾水管进口真空、技术供水温度、机组效率等监测。此次将进水池和尾水渠的各一套液位计全部更换为超声波液位传感器。