澄厂水轮机改造后的反思.doc

澄厂水轮机增容改造后的反思
黄 祖 敏
广西百色市澄厂 533021

摘要：对澄厂的增容改造做一个回顾和总结，回答了增容改造后遇到的几个问题，说明增容改造不一定是顺利或成功的，增容改造的工作要做得更细致一点才能能使增容改造发挥实际的效益。
关键词：增容改造、模型综合特性曲线、汽蚀、水库调度
前言：
澄厂从1997年10月到1999年5月期间进行增容及技术改造工作，完成了厂内4台水轮发电机组的增容改造工作，用JF2513转轮代替HL702转轮，其它零件不改变，水轮机额定容量从6500MW增加到7500MW，额定流量从15.5 m3/S增加17.5 m3/S。水轮机装机的高程126m，正常尾水位是126.3m，水电厂为坝后引水式电厂，两条引水管，引水管总长361m，单管连双机，水轮机入口直径为2m。水电厂有多年运行各种数据存档，澄厂水库正常高水位185m，库容9.400×108m3，死水位165m，库容3.400×108m3，水库现有完善的水情自动测报系统和多年水库运行数据存档。增容改造工作完成后，经过了几年的运行和检修，增容的实际效果已得到初步地验证，下面就水轮机增容改造后的几个问题，对增容改造做一个回顾和总结：
一、 原改造设计方案与实际实施改造型号不一致的原因
澄厂原采用的是HL702型水轮机，即HL220型水轮机。在增容技术改造可行性分析论证报告中建议采用的型号是JF2512转轮，而实际实施的是JF2513转轮，在这两种水轮机的模型综合特性曲线上取得如下最优工作状况和在效率91%时的不同比转速与流量的数据，如表1：
表1
型号
最优单位流量
最优单位转速
最高效率
限制工况
限制效率
单位飞逸转速
Ｑ10＇（m3/S）
ｎ10＇(r/min)
ηman(%)
Q1*（m3/S）
ηman(%)
ｎ1R(r/min)
JF2512
1.06
74.2
92
1.25
≥88
1.34
JF2513—35
1.14
72
92.1
≥1.35
≥88
1.34
在模型效率91%时的不同比转速(r/min)与流量（m3/S）的关系
比转速型号
67.5
70
75
77.5
80
效率91%最高比转速与流量
JF2512
0.98
1.05
0.971
1.12
0.85
1.14
1.03
1.13
无
79/1.10
JF2513—35
1.07
1.15
1.08
1.22
1.13
1.26
1.17
1.28
1.23
1.28
81/1.27
从水轮机模型综合特性曲线上可以看出它们之间的差别， JF2512水轮机在低流量下、低水位下有更高的效率。JF2512转轮型号之所以改变为JF2513转轮的主要原因是采用JF2513转轮后不用改变转轮下环的高度和尾水管的出口钢板护面不用改变，固定导叶也不用修整了，大大缩短了改造时间及改造的难度。但这样的改造方案还是可以更进一步探讨的。
二、 增容的理由是充分的，但不是必要的
水轮机的增容理由有以下几点：
1、 因为HL702水轮机出力和效率不高，要用含有高新技术的高效水轮机更换。
用高效水轮机更换旧水轮机是科技发展的趋势，是增容改造中最有效和最直接的方法。 澄厂的改造是采用了JF2513转轮，转轮叶片采用了不锈钢材料，不锈钢叶片的材料是ZG0Cr13Ni5Mo，最适合的补焊焊条是G232或CHK232等，因为这种焊条的价格比较昂贵，维修材料费很高，而且母材和焊条都要预先加热才行，焊接程序烦琐，焊接时还容易产生裂纹和夹渣现象，所以澄厂在补焊水轮机时改用了普通的A102不锈钢焊条，价格低，对焊接条件要求也不高，不易产生裂纹和夹渣现象。JF2513转轮的汽蚀部位有三个地方，而且是面积大、深度较深，汽蚀的补焊费工费时，材料费更比HL702转轮增加了几倍；还因为补焊造成了下环上部与导叶连接处呈波浪状变形，以后这种变形会随着焊接的次数增多而加大，这种变形增加还会造成机组运行的不稳定、机组振动增大和效率下降，汽蚀严重是JF2513转轮的明显弱点。
2、 原2#、3#机组的转轮叶片经过切割，效率低，出力降低。
原来2#、3#机组的转轮叶片确实被切割过，效率低，出力降低。增容后，四台JF2513转轮形状是一样的，经过在整个水位变动范围的运行，得出了不同水位下的出力值。由于改造后2#、3#机组的水轮机在不同水头下也显示出比1#、4#机出力小。现在看来这个理由不充分。改造前后数据如下表3：
HL702转轮和JF2513转轮出力比较 表3
　状态
水位(m)
改前(kW)
水位(m)
改后(kW)
1号机
2号机
3号机
4号机
1号机
2号机
3号机
4号机
单管单机
182.8
7.6
7.2
7.2
7.5
182.34
8.5
8.2
8.2
8.4
177.07
6.4
6.1
6.1
6.4
177.07
7.5
7.2
7.2
7.4
单管双机
182.8
7
6.6
6.6
6.9
182.34
7.8
7.4
7.4
7.7
177.07
5.9
5.7
5.7
5.9
177.07
6.8
6.4
6.5
6.7
虽然只列出2个水位，但有普遍的代表意义，在不同的水头下，新旧2#、3#水轮机的出力都有所降低，估计在2#、3#机中的过流通道中有不明原因的阻碍，形成了稍大的水头损失而造成的，确切的原因有待于做试验后进一步认定。
3、 澄厂水库为多年调节水库，希望能在汛期到来前尽可能的降低水位，又能在大汛时能多蓄水、多发电，尽量减少弃水。
在汛期到来时，各个大中小型水电厂基本都在满发，电网的电能相对是十分充裕的，这时调度反而希望有调节能力的水库发挥调节水库的作用，在这个时候多蓄水，留水待在枯水期才发电，起到调峰填谷的作用。澄厂水库的多年月平均来水量如表4：
表4
多年月平均
(m3/S)
一月
二月
三月
四月
五月
六月
七月
八月
九月
十月
十一月
十二月
7.5
5.5
5.6
8.3
34.3
87.3
115.6
110.5
53.2
28.1
15.6
9.2
从表上可以看出，蓄水期为6～9这4个月，这4个月要蓄水又要发电，很矛盾，在汛期到来之时，从大的方面考虑，澄厂首要的是先要蓄水，其次才是发电。
要利用汛期时多发电对小库容的河床式电站来说是最合适的，对有多年调节性能的大型水库不一定合适。如果遇到是枯水年，就是全部的来水量都用来蓄水，也是不可能蓄满有多年调节性能的澄厂水库的，所以每个水电厂的增容方案是要根据自身的不同情况，经过十分充分和周密的论证。
三、增容后发电量并不相对增加
增容后能不能增加发电量，这个结果是评价增容后经济效益的最重要条件之一，也是评价增容改造后成功与否的标准之一。水电厂增容改造不能为了增容而增容！增容不增发电量意义就不大了。预期采用JF2513转轮每年能增加1700万度的电能，可实际不如人愿。
现用改造前后各参数很相似的几个时段来进行比较说明HL702转轮和JF2513转轮的差别。表5，表6所示。
1985～1987年和2000～2002年的主要参数比较： 表5
年代
年初库容
来水量
发电用水
总电量
年代
年初库容
来水量
发电用水
总电量
×108m3
×108m3
×108m3
×108kWh
×108m3
×108m3
×108m3
×108kWh
1985
4.728
9.175
8.376
0.72
2000
5.715
7.267
7.973
0.72
1986
5.527
13.143
10.75
1.13
2001
5.009
13.064
11.571
1.15
1987
7.92
11.715
11.851
1.22
2002
6.502
12.478
11.588
1.24
1987年末存水量7.784×108m3，2002年末存水量7.392×108m3。所有表中2000～2002年已扣除1 m3/S的城市供水量。
发电用水水量=开始月初水库存水量＋各月来水总量－最后月末水库存水量。
每月来水量=月平均每秒来水量×3600×24×当月天数 ，总来水量是各月的水量相加。
1986年和2001年前九个月数据比较： 表6

一月
二月
三月
四月
五月
六月
七月
八月
九月
十月
1986年来水(m3/S)
6.2
4.4
3.5
6.3
18.9
76.8
136
100
82

月初水位(m)
173.46
171.82
169.92
167.47
165.76
166.23
171.97
180.43
183.31
184.3
发电量(×10kWh)
845484
624404
865008
820140
486940
950160
1499052
1995228
1328124

2001年来水(m3/S)
3.8
5
3
8.3
28.2
109.6
155.7
138.2
20.5

月初水位(m)
171.64
170.37
169.23
167.71
166.45
167.48
174.73
182.82
184.62
183.34
发电量(×10kWh)
433524
373824
400812
421620
433176
822756
1666104
2333040
1265988

从表5、表6中可以知道，不同的调度方式使发电量有较小的差异，但对大局影响不大。
水位和库容容量关系 表7
水位(m)
166.12
167.47
167.71
168.15
169.50
171.82
173.46
176.75
179.50
183.34
184.3
库容(108m3)
3.624
3.7
3.975
4.087
4.420
5.060
5.527
6.492
7.395
8.756
9.16
从表6、表7（较精确的是从水位和库容容量关系表查）算得出表8：
相近水位变化时的水量与发电量的关系: 表8
年份
月份
水位变化
m
来水量
108m3
发电用水108m3
差额
108m3
百分数
%
发电量
(kWh)
差额
(kWh)
百分数
平均耗水率
m3\kWh
1986
2～3
171.82—167.47
0.201
1.561
0.221
16.5
14894120
2812520
23.2
10.48
2001
1～3
171.64—167.71
0.306
1.34
12081600
11.91
1987
4
172.73—168.15
0.179
1.406

12025320

11.69
1986
4～9
167.47—184.30
11.068
5.608
-1.746
-23.7
61800360
—7626480
-11
9.07
2001
4～9
167.71—183.34
12.135
7.354
69462840
10.59
1987
3～5
176.84—166.12
0.806
3.712
0.513
16.0
37798080
6069720
19.1
9.82
2002
1～4
176.75—166.55
0.417
3.199
31728360
10.08
差额＝改造前数据－改造后数据；百分数＝差额÷改造后数据×百分数。
从表8上可以看出：
1、1986年和2001年的枯水期对比，在171.82～167.47m水位之间，HL702转轮能用比JF2513转轮多16.5%水量和少30天的时间（开单管双机时间多，不然发电量更多），发出多23.2%的电能。1987年和2002年的枯水期对比，在176.84～166.12m水位之间，HL702转轮能用比JF2513转轮多16.0%水量和少30天的时间（开单管双机时间多），发出多19.1%的电能，所以在枯水期HL702转轮比JF2513转轮有优势。
2、在1986年和2001年4～9月蓄水期水位的升高过程中，在相同的发电时间里，JF2513转轮在整个蓄水期用了比HL702转轮多23.7%的水，而且是水位普遍比HL702转轮高的情况下发电，才发出比HL702转轮多11%的电，而这个多出来的水量（1.746亿立方水）给HL702转轮在枯水期时(例如1986年2-3月)的低水位发电，它能再发出1500万度的电，如果这个水量放在较高水位时发电，发电量一定大大超过1500万度。所以HL702转轮也显示出了它的优势。
3、如何理解1987年4月HL702转轮为什么引用的水量多，水头高，而发的电又比2001年1～3月的少呢？因为在这个月发电的时间短，多处在单管双机运行，引用的流量大，压力钢管水头损失大，所以单机效率低出力小，在总发电用水量差不多的情况下总发电量相对小。如果HL702转轮发电时间拉到和JF2513转轮一样长，相对它引用的单位流量就小，水头损失小，它发出的电会更多。
4、JF2513转轮虽然为高效转轮，但其优势在澄厂没有体现出来。从出力公式N出力＝9.81ηQH可以知道（式中η为效率，Q为流量，H为水头净高程），在H和η基本不变的情况下，JF2513转轮要有超出力运行，主要是靠其流量Q的增加得到的，流量Q的增加必然导致压力钢管水头损失的增加，压力钢管水头损失是与流量成正平方比的，△HζC＝AQ2（A是和钢管粗糙度、长度、直径大小有关的一个常数），当流量增加时，流量所造成的压力钢管水头损失以平方数增加的，所以发出的出力就相对的少了。压力钢管水头损失的增加抵消了JF2513转轮所提高的2～3%的效率，JF2513转轮发电量少的原因很大程度是压力钢管水头损失太大造成的。如何减小压力钢管水头损失也是值得探讨的。
5、从表8上还可以看到，无论在低水位还是高水位，JF2513转轮的耗水率都大于HL702转轮的耗水率，即每发一度电，JF2513转轮的用水电都大于HL702转轮的用水量。耗水率是衡量转轮是不是运行在高效率、机组是不是经济运行的一个指标，耗水率应越低越好。
综上所述，增容后的发电量并没有明显的增加，反而JF2513转轮在和HL702转轮的发电量在对比中反而有所降低，所以增容后不但不能使发电量增加，反而使发电量减少了，达不到增容后增加发电量的效果。
四、增容后对水库调度的影响较大
在增容改造成后，机组的发电用水发生了较大的变化，水库调度方案也随着发生了根本性的改变，如何用好水库里的水成为一个新的课题。
澄厂水轮机增容的一个目的就是丰水期能多发电，尽量不弃水。现在看来增容后在丰水期多发的电量，不足以弥补在枯水期因机组总效率下降造成的发电量损失。由于JF2513转轮引用流量大的原因，水库在蓄水期后期的水位有可能上升不到理想的位置，对下一年的水库调度及电厂的发电量都有很大的影响。为了让水电厂能多发电，建议在蓄水早期不要开机太多，把水库水位尽快蓄到177m左右，然后根据时间变化及来水变化情况多开机，保证机组能够发额定出力或者是超出力运行，并在蓄水期末把水蓄满。到了枯水期时就按单管单机运行，这样水库的水位就能在高水位上多运行一些日子，发电量就增加了。
那如何对待水库的弃水问题呢？澄厂水库的水情自动测报系统能对洪水做出较准确预测，可保证大坝的安全，允许在汛期水库有短时的弃水，一个水库长久不发生弃水是不可能的，必要少量的弃水能保证水库在高水位运行的时间更长一些，发电量也就越多，少量弃水还能使排洪河道得到彻底的冲刷，保持畅通，确保紧急时能顺利排洪。
五、增容后电厂的技术管理工作
增容后水电厂的工作主要有：
1、注意记录好水轮机原始运行数据，做好各种数据资料的分类及统计工作，并进行数据的信息化管理，方便随时查阅。
2、加强水电厂的技术管理工作，多关注金属监督工作，对转轮发生的汽蚀要定期进行检查及测量。对补气阀应根据汽蚀的程度调整好。
3、水电厂应组织人员制定厂内的经济运行方案，减少机组段的水能和电能的损失，达到充分利用水能，获得水电厂最大效益。
4、JF2513水轮机在目前的情况下，多采用单管单机运行，可以减少压力钢管水头损失。
5、了解和掌握水轮机的科学发展动向，为水电厂的再次改造贮备必要的技术资料。