陡山水库水电站增效扩容水轮机改造技术要点分析

唐培磊

(山东省临沂市水利勘测设计院，山东 临沂 276000)

水电站技术

陡山水库水电站增效扩容水轮机改造技术要点分析

唐培磊

(山东省临沂市水利勘测设计院，山东 临沂 276000)

陡山水库水电站已运行近30多年，金属结构出现老化，机组出力明显下降，机组设备故障频出，影响了水电站的正常运行。本文通过介绍增效扩容改造过程，对其水轮机组改造更新技术要点进行了探讨，供参考。

水电站；增效扩容；分析

我国非化石能源的比重占总消耗能源的比重较小，仅为8.3%，为了实现2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～45%、非化石能源占一次能源消费15%左右的总体目标，发展可再生能源是重中之重。农村水电增容扩效，可使水能资源利用效率平均提高40%，农村水电增效扩容的优势在于移民、环境支出成本远低于同类可再生能源。农村水电在应急救灾中发挥着重要作用，2008年南方灾害，农村水电保障了200多个县城、2000多个乡镇春节期间的供电，2010玉树地震，拉贡水电站作为灾后玉树电网的唯一电源在玉树抗震救灾中发挥了不可替代的作用。

1 工程概况

陡山水库水电站是一座有压引水式水电站，位于山东省莒南县境内。陡山水库水电站始建于1977年，设计水位122.90m，下游正常尾水位103.40m，为灌溉引水式水电站，工程为V等工程，电站为小(2)型电站。电站共4台机组，水轮机组型号为ZD661-LH-120，30年来累积发电1.12亿kW·h，取得了较好的经济效益和社会效益。经过近30年运行，机组出力明显下降，机组设备故障频出，需要更换老化的电气机械设备。与此同时，经过1987年水库除险加固后，与电站原设计水位120.00m相比，有4.5m左右水头未被充分利用，存在较大的增效扩容空间。此次改建，单机容量拟由800kW扩容到1000kW，总装机容量由3200kW扩容到4000kW。电站改建主要项目为改造发电机组、水轮机组，更新调速系统、电气设备、变电设备，维修吊车、蝶阀，维修加固电站主副厂房，改建变电站等[3]。

2 静水头确定与水轮机选型

2.1 静水头确定

水电站原设计水头15.5m，根据近30年水库水位运行记录计算，水电站实际利用平均水头为19.5m，静水头为19.0m。

2.2 水轮机选型

2.2.1 水轮机单位转速计算

水轮机选型设计的高效中心区域，原设计选型ZD661-LH-120，4台水轮机安放角(φ)分别为+5°、+10°、+10°、+15°水轮出力为700～900kW，设计点效率为79%(机组无座环效率修正-2.0%)。下页图为JP502模型转轮的综合特性曲线，对原设计工况点校核分析该机型效率较低(80%～82%)，原设计水头19.0m。

水轮机单位转速计算值为

式中H——静水头值；n11——水轮机单位转速；N——水轮机实际转速：D——水轮机转轮直径。

经计算，n11=116r/min。

拟定选用高效转轮JP502，在发电机不改变极数、转速不变的条件下，JP502单位转速为116r/min，满足19.0m水头模型机在高效区内单位转速选择。

2.2.2 水轮机单位流量选择

其中，Fy为发电机效率；Sy为水轮机效率；H为净水头；Q为设计流量。

陡山水库水电站设计出力、设计总流量主要指标如下：

设计出力：1053×2+1170×2=4446kW；

设计总流量：6.5×2+7.3×2=27.6m3/s。

表明，1号、2号机组适应较高水头应用，3号、4号机组适应较低水头应用(下页表为ZD661、JP502转轮的基本参数)。

从转轮的综合特性曲线(见下页图)分析，JP502，ψ最优效率为92.5%，比ZD661，ψ=+0°最优效率82%高10.50%。在全部运行范围内，原型水轮机最高效率保证值不低于89%，模型水轮机最高效率保证值不低于92%(机组无座环效率修正-2.0%，改造后机组增设座环)；机组出力、工况效率都能满足实际要求。

JP502模型转轮的综合特性曲线图

ZD661、JP502转轮的基本参数表

2.2.3 轴向水推力

转轮最大轴向水推力系数为0.87，最大水推力为14.80tf，原机组ZD661转轮最大轴向水推力系数为0.71，最大水推力为12tf，改造后水推力增加2.80tf，与机组轴向力比较增加率小，对推力轴承温升增加小。因此，根据上述校核计算，JP502转轮适合对原ZD661机组的增效扩容改造，电站原厂房结构布置可保持不变[3]。

3 水轮机结构改造技术要求

旧水轮机主轴进行修复加工时，原盘根封水加粗部位轴径为210mm，加工至200mm，加工的同时留出平板封水结构的定位环。导叶控制环布置在顶盖上，采用外调节结构，导叶数量由16个增加至18个。主轴采用平板密封，要延长转动密封板与轴固定件。为了避免平板密封板损坏后漏水，固定静板下方联体加装与主轴密封的减压套管，主轴密封的托、压板均采用不锈钢材料加工。水导轴承采用毕托管上油的筒式轴承，轴承安装高程高出主轴密封漏水水面以上，对主轴密封的渗漏水设置自流排水管路，排水管高度达到里衬中部位置，水导轴承密封水位高度与排水位高度差应不小于100mm[4]。

主轴密封的渗漏水，由水轮机设置的DN65管排出，排水口上方设有安全水位，主轴密封的渗漏水顺利排入集水井后，主轴密封的渗漏水排水，应同时设置自控泵排水系统，选用自动控制排水，其启动寿命指标大于100万次。

4 水轮发电机技术改造内容

为使陡山水库水电站扩容后的水轮发电机基本技术条件符合国家或行业标准要求，分别对定子线圈、转子线圈、制动器、测温元件、励磁系统进行了更新汰换。

选用电气性能优良的玻璃丝包薄膜绕包自黏性电磁线，与桐马环氧玻璃丝粉云母带、半导体低阻带、半导体高阻带等F级绝缘材料，经模压成型和真空浸漆制造工艺，进行生产，具有电气性能高、外观规则、散热性能好等优点。原转子线圈绝缘耐热为B级，经长期运行其绝缘都已老化，对其进行F级绝缘材料处理、模压和真空浸漆[4]。 过去发电机配的都是单腔弹簧复位式制动器，由于空间因素该结构导向差，加上弹簧受力不均匀，常出现卡死不能复位现象，因此，将制动器改为双腔结构，该结构不用弹簧复位，采用油压复位不存在卡死不能复位现象，制动器的更新，机组的顶转子、刹车操作可进行自动化流程控制。 所有测温元件都使用铂热电阻Pt100，具有较高温度测量精度与稳定性。旧系列发电机多采用直流励磁机励磁或静止可控硅励磁，改造后配一台交流励磁机，采用无刷励磁方式，系统结构更加优越，没有电刷的机组少了一份维护，运行可靠性提高，更有利于少人值守管理模式。

5 结 语

陡山水库水电站设计出力、设计总流量分别为4446kW、27.60m3/s。其中，1号、2号机组适应较高水头应用，3号、4号机组适应较低水头应用。水轮机JP502最优效率为92.50%，比扩容改造前的水轮机ZD661，ψ=+0°最优效率82.00%高10.50%。改造过程中，分别对定子线圈、转子线圈、制动器、测温元件、励磁系统进行了更新汰换，使陡山水库水电站扩容后的水轮发电机基本技术条件符合国家或行业标准要求。

[1] 时文东，李传娜，刘璐.陡山水库水电站增效扩容改造可行性分析[J].山东水利，2015(6)：29，31.

[2] 温金锋.横江水库坝后式水电站增效扩容改造综合自动化系统设计[J].内蒙古水利，2015(2)：152-153.

[3] 刘世军.外度水电站增效扩容改造设计[J].水利科技，2014(1)：23-24，27.

[4] 易玉华，熊杰.张王庙水电站增效扩容改造设计[J].小水电，2014(1)：37-38.

Analysis on Technical Points of Efficiency Improvement and Capacity Expansion of Turbine in Doushan Reservoir Hydropower Station

TANG Peilei

(SurveyandDesignInstituteofWaterConservancyinLinyiCityofShandongProvince,Linyi276000,China)

Doushan Reservoir Hydropower Station has been running for nearly 30 years. Metal structure has been aging, the unit output has been significantly reduced, and the unit equipment failure is frequency which affects the normal operation of the hydropower station. In this paper, through introducing the revamping process of efficiency improvement and capacity expansion, the technical aspects of the renovation of the turbine unit are discussed for reference.

hydropower station; efficiency improvement and capacity expansion; analysis

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.05.016

TV72

B

1673-8241(2017)05- 0042- 04