轴流ZD560转轮型号机组改造扩容升级探讨
2018-03-01谢向东洪安俊
谢向东,洪安俊,黄 岩
(浙江金轮机电实业有限公司,浙江 金华 321002)
1 电站概况
宸前电厂位于福建省崇阳溪建阳与建瓯辖区交界处的徐市镇亭村附近。电厂建成于1982年,总装机容量1.6万kW(5×3 200 kW),设计额定水头11.2 m(毛水头),净水头10.3 m,单机设计引用流量37.6 m3/s。
本次增容扩容要求:单机由3 200 kW增至3 800 kW,装机容量由1.6万kW增容至1.8~1.9万kW。
电站现有5台3 200 kW立式轴流发电机组(生产厂家:重庆水轮机厂),水轮机型号为ZD560—LH—250,设计水头11.2 m,最高水头12.5 m,设计流量37.6 m3/s。水轮机出力3 460 kW,额定转速187.5 r/min,飞逸转速391 r/min,单位转速140 r/min,单位流量1.79 m3/s,效率84%。水轮机安装高程115.46 m,设计吸出高程+0.5 m;导叶相对高b0/D1为0.4,尾水相对高h/D1为2.52,转轮轮毂比为0.35;导叶最大开度(mm)/数量(片)为240/24,接力器行程为365.5 mm,调速功为4 700 kg.m。
2 可行性分析
针对电站水头不变、设备需在蜗壳和尾水流道不变的情况,增加水轮机的过流量并提高效率才能保证水轮机出力增加。通过分析,ZD560的蜗壳流道在设计的时候是有10%~20%的余量,相应保证了机组过流量增加的要求(见表1)。
表1 机组选型分析比较
续表1 机组选型分析比较
综上所述,即使是国外转轮,也未能达到增效扩容要求,这一工况点在国内都是空白的区域。对于这前所未有的挑战,我们请教了很多国内外优秀专家,参考了国内外很多资料,通过对流道、导叶和转轮进行分析,不断改进导叶、叶片的翼型,用CFD模拟分析计算水轮机最大出力可达到4 000 kW,发电机出力可达到3 800 kW。
3 模拟分析计算
3.1 原有的蜗壳和尾水流态分析
通过原有蜗壳和尾水进行流道分析,蜗壳的最大过流量可达到43~44 m3/s,能够满足机组发3 800 kW的过流量要求,无需对蜗壳和尾水改进;对于电站来说,水工方面也无需改进(见图1)。
图1 流道分析示意
3.2 水从蜗壳经过固定导叶进入转轮分析(最优情况下)
原有的导叶最大过流量不能达到设计要求,对固定导叶进行优化分析,通过不断调整,把导叶从对称导叶设计成非对称扭曲型导叶(见图2)。
图2 新设计导叶示意
(注:图中的双点画线是原有的导叶翼型,
实线部分为新设计导叶)
这样保证了导水机构全开的情况下能满足机组的过流量,而机组转轮直径没有变化;原有转轮轮毂比为0.35,不能满足机组过流量。通过不断调整转轮的轮毂比,最后把轮毂比调整到了0.3;同时调整了叶片角度。
为保证过流量,不断的加大角度,并加长叶片,提高水在通过转轮室的利用率;流量虽然能够通过,但是模拟的效率很低。最后,通过调整叶片的翼型,逐步提高转轮效率(见图3)。
图3 尾水流态分析
图4 固定导叶压力分析
3.3 固定导叶按最优工况下修正后的压力分析
固定导叶按最优工况下修正后的压力分析如图所示(见图4)。
4 结 论
根据模拟分析,计算出效率曲线(见图5),机组的最大过流量为44 m3/s,效率能达到90%,水轮机的出力能达到4 000 kW左右。
图5 效率曲线
现在电站的头2台机组已顺利发电,发电机最大出力已超过3 800 kW。通过计算,相应的水轮机出力超过4 000 kW;而电站的前池清污和尾水清淤还没进行,如果该工作完成后,保守估计发电机最大出力能达到4 000 kW。相对于原电站出力3 200 kW,在水工不变、转轮直径不变的情况下,通过增加过流量,提高效率,机组出力增加25%,改造还是非常成功的。