曲库乎电站增容改造技术分析

嵇月明

摘  要：水电站经过几十年的运行，机组设备机型老化，效率低下，装机容量偏小，急需更新改造。通过对发电水头的确认，选择综合能量性能指标高的转轮，达到增容目的。

关键词：水电站;增容改造;发电水头

中图分类号：TV738 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）30-0147-02

Abstract： After decades of operation， the equipment of the hydropower station is aging， the efficiency is low， the installed capacity is small， and there is an urgent need for renovation. Through the confirmation of the power generation head， the runner with high comprehensive energy performance index is selected， so as to achieve the purpose of increasing capacity.

Keywords： hydropower station; capacity increase and transformation; power generation head

1 现有电站技术参数

机组设计装机容量：1×2000kW+2×500kW（机组有约1m3的弃水）

丰水期时机组出力：1号机为2200kW;2号机为510kW;3号机为530kW

目前机组出力：1号机为2100kW;2号机为430kW;3号机为470kW

引水管道：1号机为Ф1.5m引水管;2、3号机为Ф1.2m的引水总管分叉成Ф0.5m的两个引水管，两个引水分管各带一个Ф500的阀门。

2、3号机组参数

水轮机型号：HL110-WJ-60

发电机型号：TSWN99/46-8

调速器：XT-300

额定出力：（148～535）kW

额定水头：（30～70）m

额定流量：（0.7～1.07）m3/s

额定转速：750r/min

飞逸转速：1300r/min

额定电压：6300V

额定电流：57.2A

2 水轮机增容改造的可行性

HL110转轮机型是老机型，用于180～220m水头段，由于早期水力设计和试验研究水平所限，该转轮相对于现在开发的新转轮有一些缺陷。

技术经济指标比较差，其主要设计参数如过流能力及空化性能与现代转轮机型相比，相差很多。

效率较低，该转轮模型最高效率为90.4%，与现代转轮机型相比效率低一些。并且，机组运行后，经空蚀破坏后的水轮机效率还要低。

目前国内外混流式水轮机转轮技术性能普遍提高，通过实验研究已开发出效率、出力、空蚀等性能全面提高的中高水头混流新机型如HLA575C機型。新机型的效率比HL110机型有很大提高，且能量指标也优于HL110。

3 机组增容到600kW的转轮改造方案

3.1 发电水头的确认

引水系统水力损失测试工作是中小型水电站增容改造的重要环节。管道中的水力损失（hw）分为沿程水头损失（hf）和局部水头损失（hj）。由于该电站运行时间较长，有些技术参数丢失，所以该电站的水力损失计算只能估算。

3.1.1 沿程水头损失（hf）的计算

引水总管的沿程水头损失（hf1）的计算：

hf1=λlu2/d2g   式中λ=0.06

经计算hf1=0.0097L1   hf1原=0.0091L1

分叉管的沿程水头损失（hf2）的计算：

hf2=λlu2/d2g   式中λ=0.1

经计算hf2=0.32L2   hf2原=0.30L2

3.1.2 局部水头损失（hj）的计算

（1）管道入口处局部水头损失

hj1=ζu2/2g   式中ζ=0.07

经计算hj1=0.014   hj1原=0.013

（2）分支管处局部水头损失

hj2=ζu2/2g   式中ζ=1

经计算hj2=1.6   hj2原=1.5

（3）折圆管处局部水头损失

引水管道中共有4个折圆管处，估取θ=300

hj3=ζu2/2g   式中ζ=0.073

经计算hj3=0.026   hj3原=0.024

（4）阀门处局部水头损失

计算机组运行时阀门的局部水头损失：

hj4=ζu2/2g   式中ζ=0.02

经计算hj4=0.032   hj4原=0.03

（5）管道扩散处局部水头损失

hj5=ζu2/2g   式中ζ=1

经计算hj5=1.6   hj5原=1.5

3.1.3 水力损失（hw）的计算

hw=hf+hj=3.272+0.0097L1+0.32L2

hw原=hf+hj=3.067+0.0091L1+0.3L2

估取总管段长L1=100m;L2=8m

hw=6.802m   hw原=6.377m

增容后管路的水力损失（hw）比增容前管路的水力损失（hw原）大了0.5m，由机组参数可知，电站水头范围30～70m。因此，可以暂确定水轮机额定运行水头为65m。

3.2 改造转轮选型

针对曲库乎电站的机组运行条件及水文特点，我们选用了HLA575C-WJ-53水轮机，由图1可知，各水头段均在最高效率区内，使得机组长期工作在高效、稳定的运行区内。理论上如果流量富余，该机组还有一定的超发能力。

根据电站现有参数现选型如下：

3.2.1 综合信息

水轮机型号：HLA575C-WJ-53

发电机型号：SFW600-6/1180

额定转速：1000

飞逸转速：1911.11

轴向水推力：3.01

所需调速功：167.93

3.2.2 设计点参数

设计水头：65

模型效率：93.3%

设计流量：1.1

额定出力：642

真机效率：91.8%

3.2.3 出力保证

最大水头单位转速：63.35最大水头单位流量：0.43

设计水头单位转速：65.74设计水头单位流量：0.49

最大水头效率：91.52% 设计水头效率：91.8%

最大水头出力：642 设计水头出力：642

3.2.4 吸出高度保证

设计水头模型空化系数：0.05

HLA575C转轮说明

该转轮最大应用水头为230m，是目前国内性能最优秀的转轮之一。该转轮叶片数16，导叶个数24，导叶高度比b0=0.18D1，最优工况时：n110'=66.2r/min，Q110'=0.462m3/s，η=93.56%;限制工況时：Q11'=0.572m3/s，η=90.8%;该转轮具有较好的变水头、变负荷特性;水力稳定性良好，综合能量性能指标高，出力裕度大，运行加权平均效率高等特点。该转轮已被国内多个电站成功应用，实践证明机组运行稳定，具有很好的超发能力。

4 结构上对增容要求的保证

（1）为保证新转轮具有良好的综合性能，在转轮制造中，提高叶片型线的制造精度，保证与模型的相似性，降低叶片表面粗糙度和波浪度。

（2）适度加大D0尺寸，以增加水流从导叶出口至叶片进口的距离，改善导叶与转轮流道交接处的压力脉动。

（3）同时在新转轮的应用中，充分考虑原水轮机的流道形状及结构尺寸对其实际运行效率和过流能力产生影响。

（4）机组更换后，电站压力钢管可以满足增容后流量的要求。所以电站的压力钢管不用更换。

5 效益分析

曲库乎电站通过主机增容改造，单机出力由最低的430kW增至600kW，总装机增容为300kW，增容33%，年增发电量为105.5万kW·h，增加收入28万元。增容成功使电站发电引用流量增至1.1m3/s，每年可增加利用水资源0.039亿m3/s，减少了无功弃水，提高了发电效益

参考文献：

[1]罗惕乾，程兆雪，谢永曜.流体力学[M].机械工业出版社，1999.

[2]曹鹍.水轮机原理及水力设计[M].北京：清华大学出版社，1991.

[3]哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册[M].机械工业出版社，1976.