陆浑水库灌溉洞电站1#机组增容改造可行性研究

□魏跃民 □程大鹏 □王晓惠（河南省陆浑水库管理局陆浑水电站 郑州大学水利与环境学院 河南国安建设集团有限公司）

1 工程概况

陆浑水库灌溉洞电站设计安装三台机组，总装机容量为（2×3000+500）kW，其中1#机组（500kW）由于质量存在问题、设计存在缺陷，该机组自安装之后，一直没有正常运行过。现根据《陆浑水库水资源论证分析报告》，通过对陆浑水库1980-2010年31年的月径流资料进行入库径流规律分析，在满足下游工农业用水以及河道生态需水的条件下，应用动态规划，通过长系列模拟仿真调节计算，结果表明电站存在富余水量，具有增效扩容改造的可行性。

2 灌溉洞电站1#机组改造方案

2.1 改造原则

水轮发电机组改造方案结合电站的实际情况，在保持原有土建和埋入部分不变的基础上，通过对机组改造方案进行计算，对其机墩适应性进行复核，选择最优方案。

2.2 发电水头分析

由尾水位—流量关系可知，机组的尾水位一般在293.50～296m之间变化，根据近几年来水库上游水位统计资料，水库水位在304～318m范围内变化，同时考虑从灌溉洞进口至电站尾水出口的沿程水头损失和局部水头损失，确定机组运行水头应定在10～22m范围内。

2.3 水轮机型号选择

通过对现有的尾水管、蜗壳尺寸等现场勘察，经对多个模型转轮比较筛选，并结合电站水能复核计算分析，初选ZD520-LH-120和ZD560-LH-120两种转轮来进行比较，通过性能参数计算确定优选方案，其计算的主要参数如表1所示。

表1 模型转轮主要参数表

2.4 机组吸出高度复核

根据参考文献中的公式对各机型允许吸出高进行计算，同时用公式对不同机型额定吸出高度值进行计算，计算结果见表2。

表2 不同机型允许吸出高

2.5 过流能力分析

水轮机的过流能力主要由整个过流系统的尺寸和特性来决定。机组过流通道主要由压力钢管、蜗壳、转轮、尾水管几部分组成。增容后最大流量为6m3/s，比原来有所增加，经验算压力钢管内最大流速为5.32m/s，在经济流速范围之内；由于尾水管没有改动，如果匹配其它型号的水轮机转轮属异型部件，整机效率可能会略有降低，而设计流量增加的有限，不存在问题。

2.6 改造方案确定

通过不同水头下水轮机基本性能参数的计算，对不同方案进行对比分析，1#机组计算结果如下：当发电水头在16m以下时，ZD520-LH-120在运行效率、机组出力等方面均优于ZD560-LH-120；当发电水头＞16 m时，超出了ZD520-LH-120的运行区域，水轮机无法正常工作，叶片转角为5°的ZD560-LH-120水轮机，在发电水头＞18m时也存在着同样的情况，见下表3。考虑结合小流量灌溉用水发电和汛期利用水库弃水发电这两种因素，同时经咨询厂家，水推力满足要求，此次改造拟采用ZD560-LH-120、叶片转角0°的水轮机及其配套的SF800-14/1730发电机。

表3 不同水头下各机型参数比较表

2.7 适应性分析

水轮机调节保证计算的宗旨，是在机组负荷处于大波动时，调速器应该在规定的导叶关闭时间内，保证输水系统压力管道内的压力变化值和机组转速变化值在允许的范围内，以期达到电能质量最佳，输水系统建筑物和机组的造价最省，同时保证机组投入运行后，水轮机调节过程中压力和转速变化在预期的范围内，使电站安全、经济运行。合理选择导叶关闭时间，使压力上升值和速率上升值都在合理范围内，是调节保证计算的主要工作。

根据设备机组转动惯量（GD2）、机组引水流量及压力管道长度等基本数据，按调保计算的选择条件，在不同的关机时间下计算对应的机组转速上升率和压力管道末端的水击压力上升值，计算结果如表4所示。

表4 不同关机时间下转速上升率和水击压力上升值表

由于受原机座尺寸的限制，使得增容后选用的发电机型变的瘦高，因而其转动惯量（GD2）仅有2.80～3.00tm，比标准尺寸系列（机座型号为2150）发电机的转动惯量减小将近一倍，所以机组甩负荷后的转速上升率β要比常规机组高得多，故机组改造后调速器的启闭时间TS不宜整定的太大，建议TS＜3.50s。虽然调速器的启闭时间较短，由于从机组到调压室的距离不长，产生的水击压力的绝对值并不大，不会对压力管道和蜗壳产生太大影响。从而也保证了β值满足规范的要求。

3 机墩结构复核

3.1 机墩荷载计算

根据水电站厂房设计规范（SL266-2001）规定，机墩荷载包括以下几方面：一是垂直静荷载G1=433.30kN；二是垂直动荷载G2=228kN；三是水平动荷载，正常运行时：Pm=10.10kN；飞逸时：Pm=40.68kN；四是正常扭矩标准值T=14.56kNm；五是短路扭矩标准值T′=74.89kNm

3.2 机墩荷载组合

根据水电站厂房设计规范（SL266-2001）规定，机墩荷载效应组合见表5。

表5 机墩作用效应组合表

3.3 机墩结构简化

取机墩单宽核算机墩的承载能力。经计算，折合到每米机墩上的荷载标准值为：P1=74.15 kN/m；P2=48.17 kN/m；P3=13.57 kN/m；P=135.89kN/m。

3.4 机墩强度校核

根据《水工钢筋混凝土结构设计规范》（SL191-2008）的要求。经计算，现有机墩轴向承载能力：NU=128.93kN＞135.89/1.20=113.24kN。根据以上计算，说明原机墩承载能力可以满足800kW机组的承载能力要求。

3.5 动力计算

经计算，机墩自振频率与强迫振动频率之差和自振频率的比值分别为86.02，58.56和94.18%。均大于规范规定的30%。振幅满足规范设计要求。动力系数均小于规范规定＜2的要求。

计算结果：环梁底面所需受力纵筋为4Φ18；环梁顶面所需受力纵筋为4Φ18；箍筋按构造要求配筋。原设计配筋：环梁顶底面各配纵筋4Φ18，均满足要求。

综上所述，陆浑水库灌溉洞电站1#机组由500 kW增至800kW在设备技术上是可行的。

4 结语

本文结合陆浑水库水电站技术改造工程，依据水能计算及机组选型的初步方案，对其现有机墩进行了结构复核，结果表明灌溉洞水电站1#机组在设备技术上可满足此次技术改造需要，该种计算方法可为类似工程提供一定的参考。

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