石头河水库水电站1号机组改造方案研究.pdf

第 卷第期年月杨 凌 职 业 技 术 学 院 学 报J o u r n a l o fY a n g l i n gV o c a t i o n a l&T e c h n i c a lC o l l e g eV o l N o S e p,收稿日期:作者简介:崔娅茹(),女,陕西武功人,工程师,大学本科,研究方向为水利工程.D O I:/j c n k i c n /G 石头河水库水电站号机组改造方案研究崔娅茹(杨陵区水务局,陕西 杨凌 )摘要:近年来,随着石头河水库功能及运行方式的变化,水库在高水位运行的工况时长增加,原有的坝后水电站机组运行水头范围偏窄,造成机组年利用小时数低下,电站运行效益不能正常发挥.本文比较系统地介绍了在装机容量不变情况下,通过对机组的局部改造,实现了机组适用水头的提高,减小引水流量,提高机组效率,达到增加发电量的目的;对今后类似水电站机组改造技术研究和应用,特别是老电站机组改造,具有十分重要的参考价值.关键词:水电站;机组;改造;方案中图分类号:TV 文献标识码:A文章编号:()S t u d yo nR e c o n s t r u c t i o nS c h e m eo fH y d r o e l e c t r i cG e n e r a t i n gS e t o fS h i t o u h eR e s e r v o i rH y d r o p o w e rS t a t i o nC U IY a r u(Y a n g l i n gW a t e rA u t h o r i t y,Y a n g l i n g,S h a a n x i ,C h i n a)A b s t r a c t:I nr e c e n ty e a r s,w i t ht h ec h a n g eo f t h ef u n c t i o na n do p e r a t i o nm o d eo f t h eS h i t o u h er e s e r v o i r,t h eo p e r a t i o nt i m eo ft h er e s e r v o i ra th i g hw a t e r l e v e lh a s i n c r e a s e d,a n dt h ew a t e rh e a dr a n g eo fu n i t o f t h eo r i g i n a lh y d r o p o w e rs t a t i o na f t e rd a mi s l o w,r e s u l t i n g i n l o wa n n u a lu t i l i z a t i o nr a t ea n dd i f f i c u l t y i nn o r m a l u t i l i z a t i o n I nt h i sp a p e r,i t i ss y s t e m a t i c a l l y i n t r o d u c e dt h a tu n d e r t h ec o n d i t i o nt h a t t h e i n s t a l l e dc a p a c i t yr e m a i n su n c h a n g e d,t h r o u g ht h e l o c a l t r a n s f o r m a t i o no f t h eu n i t,t h ea p p l i c a b l ew a t e rh e a do f t h eu n i t i s i n c r e a s e d,t h ew a t e rd i v e r s i o nf l o wi sr e d u c e d,t h ee f f i c i e n c yo f t h eu n i t i s i m p r o v e d,a n dt h ep o w e rg e n e r a t i o n i s i n c r e a s e d I t i so fg r e a t r e f e r e n c es i g n i f i c a n c e t ot h e r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f s i m i l a ru n i t r e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fh y d r o p o w e r s t a t i o n i nt h e f u t u r e,e s p e c i a l l yo l du n i t r e c o n s t r u c t i o no fh y d r o p o w e r s t a t i o n K e yw o r d s:h y d r o p o w e r s t a t i o n;t h eu n i t;m o d i f i c a t i o n;p l a n 概况石头河水库枢纽工程位于陕西省眉县西南 k m的石头河干流上,原设计工程任务是以防洪、灌溉为主,结合水力发电的综合枢纽工程.水库坝后水电站装机容量 万kW(kW kW kW四台机组),于 年建成发电;其中机组装机 kW立式机组,属低水头运行,按照当时水库运行方式,选定水头运行范围 m,在当时的运行模式下是符合的,而现在随着社会的发展,水库的功能和运行方式转变为以城市供水为主,结合水力发电,水库处于高水位的运行的时段增加,坝后机组 m的水头运行范围偏窄,造成年利用小时数偏低,机组效益难于正常发挥,特别是在丰水年份,水库处于高水位时,机无法运行,产生大量弃水,造成水力资源和设备资源的浪费,电站经济收入降低.年,利用国家小水电增效扩容的改造机遇,石头河水库管理局组织对机组实施了技术改造,在水电站机组基础和蜗壳、座环不动的情况下,通过对机组的局部改造,实现了机组适用水头的提高,达到增效扩容改造的目的,取得了良好的经济效果.机组改造的思路及方法坝后水电站装机共有 kW、kW和 kW四台机组,多年平均发电量 kWh,年利用小时数 h.在机组改造前设计水头为 m,适应水头范围 m.经过对历年的水库调度运行数据分析,水库多年平均运行水头为 m,经过水文分析计算,确定改造后的机组设计水头为 m,改造前后主要技术参数见表.表机组改造前后主要技术参数对比主要参数改造前改造后备注技术参数装机容量/k W 设计水头/m 设计流量/(m/s)机组水头范围/m 能量指标发电平均水头/m 多年平均发电量/(万k Wh)年利用小时数 通过改造,在装机容量不变的情况下,调整机水轮发电机组的工作水头范围,以满足水库现行的运行方式,适应水库水头变化的区间;消除机组现有的缺陷,提高机组效率.改造过程中,尽可能地在保持原水轮机流道尺寸、预埋部件保持不变,减小基础层的改造范围,降低工程造价.主要工作内容包括:机组选型;现有压力管道、水轮机组蜗壳锈蚀情况检测及允许设计值分析计算;调节保证复核等项工作.水轮机改造的选型方案根据坝后水电站发电机组的特点及水库调度运行的现状,经过征询多家机组制造厂家,反复计算比较,确定在电站压力钢管、蜗壳、尾水管等原基础不变的情况下,通过更换转轮、保持原水轮机通流部件基本不变,以最经济的手段达到水轮机组的改造目标.对水轮发电机组改造,考虑改造工期对发电供水的影响,加之发电机组长期运行,存在绝缘老化、推力瓦烧瓦等隐患问题,确定对发电机组部分进行整体更换,对于机组的发电机改造不进一步论述,本文重点对水轮机部分的改造进行论述.水轮机转轮的选型转轮是整个水轮机的核心部件,转轮的性能决定着水轮机性能的优劣.石头河水库坝后电站改造前机组的水轮机型号为HL L J 型,其水轮机额定出力为 kW,发电机额定功率为 kW,水轮机水头范围为 m,设计水头为 m,设计流量为 m/s,额定转速为 r/m i n,吸出高度Hs m,水轮机安装高程为 m.电站改造后,水轮机设计水头由原来的 m提高到 m,最高水头Hm a x m,最低水头Hm i n m,使得原来水轮机的运行工况变得较差,效率变低,气蚀性能变坏,在最高水头 m时甚至无法运行.因此电站要求根据水头的变化选用性能优异的转轮.原HL 型转轮是我国上世纪 年代使用的 m水头段转轮,其最高效率为,最优工况单位转速为 r/m i n,最优单位流量为 L/s,限制工况单位流量 L/s,效率为 ,气蚀系数 ,其性能已落后.承担机组改造任务的设备厂商为南宁广发重工集团有限公司,厂家推荐采用HL A aL J 型转轮代替原转轮,该型号的转轮是哈电 m水头段新型转轮,其最高适应水头可达 m,具有效率高,气蚀和稳定性好等特点.新型转轮采用铸焊结构,材料为Z G C r N i M o不锈钢,叶片、上冠和下环经粗加工后焊为一体,退火后进行精加工,在厂里进行静平衡试验,转轮型线符合国标要求.更换转轮后,其最优工况模型效 率 为 ,最 优 单 位 转 速 r/m i n,最优单位流量 L/s.经过选型计算,水轮机额定转速定为 r/m i n.改造前后水轮机主要参数比较见表.表坝后水电站号水轮机改造前后参数对照表项目原机组参数改造后机组参数备注装机容量/kW 额定水头/m 额定流量/(m/s)机组水头范围/m 机组转速/(r/m i n)额定效率/通过改造前后两种转轮的参数对比可见,改造后的机组的水头适用范围明显提高,改造前的额定水头为 m,额定流量为 m/s,改造后,额定水头调整为 m,相应的额定流量为 m/s,改造后机组会以更小的流量达到额定出力.同时,机组的效率由改造前的 提高到改造后的 ,效益提高明显.水轮机安装高程复核机组安装高程 m.根据HL A a杨 凌 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷模型转轮综合特性曲线,查得各种水头对应的气蚀系数,分别计算最大水头、最小水头、额定水头工况下的吸出高度Hs有安装高程,见表,计入/导叶高度b/mm导叶高度.Hs /K H,K取(设备厂家推荐)表机组不同工况吸出高度统计表水头/m气蚀系数吸出高度/m尾水位/m安装高程/m流量/(m/s)根据以上计算结果,各工况安装高程均高于现状水轮机安装高程.Hs m(对应安装高程 m),原水轮机吸出高度为 m,因此,HL A a水轮机满足原水轮机安装高程.HL L J 与HL A a L J 流道对比()确定蜗壳进口流速.蜗壳的进口半径为 mm,进口面积为 m,原转轮额定出力时的流量为 m/s,计算得进口流速为 m/s;更换后的转轮HL A a额定流量为 m/s,计算的进口流速为 m/s;改造后的蜗壳进口流速降低,流速的变化不会造成水力损失的增加,所以原蜗壳水力条件满足要求.()导 叶 高 度 对 比.HL 的 导 叶 高 度 比b/D ,而H L A a的导叶高度比为b/D ,即改造前导叶高度为 mm,改造后为 mm.因为整个导水机构都要进行更换,可以通过加高顶盖尺寸来满足 mm的导叶高度.()尾水流道对比.将改造前后的尾水流道进行对比,除扩散段出口宽度差别较大外,其余尺寸差别不大.原机组扩散段出口断面面积为 m,改造后机组扩散段出口断面面积为 m.在额定出力情况下,改造前后两者的出口流速分别为 m/s和 m/s,流 速变化不大,均小于m/s,水头损失不大,见表.新转轮下环比原转轮高 mm,下环出口直径比原转轮小约 mm,因此需要在锥管的内侧加一个里衬,其上端为一环板,在工厂里加工好,到工地焊在座环与转轮下环相对的平面,环板的上端平面作工地安装时支撑转轮用.在环板的内侧至原锥管出口处设锥形里衬,采用 mm厚Q A钢板,分瓣,在接缝处设有立筋,与原锥管和新设的里衬三者焊为一体,中间加混浆加固.在进人门处重新配割并施焊,以保证水流光滑过渡.表HL L J 与HL A a L J 流道对比项目名称HL L J HL A a L J 导水机构中心到尾水底平面高度/m 肘管高度/m 机组中心到扩散段出口长度/m 扩散段出口高度/m 扩散段出口宽度(减去支墩宽度)/m 调节保证计算机组改造后,发电水头范围由原来的 m调整为 m,发电水头有了较大地提高,电站的运行方式也有了很大的变化,改造后最大的变化就是在最大水头工况下,台机组可同时运行,而改造前在高水位的情况下,机组不运行,仅、机组两台可同时发电.原有的机组运行方式随之变化.为了确保改造后的电站安全稳定运行,需要根据实际状况,对不同工况下的水力过渡过程进行分析计算,以确保水力过渡过程中钢管压力上升值和机组转速上升率在调节保证规范允许范围.对原压力钢管、机组蜗壳承压值进行检测与复核石头河水库坝后电站机组于 年建设发电,机组钢管设计管径 mm、材质Q A、厚度 mm,、机 组 钢 管 设 计 直 径 mm、材质Q A、厚度 mm.石头河水电站建成运行已近 年,压力钢管,蜗壳存在局部锈蚀在所难免.在机组改造过程中,为了及时了解压力管道的锈蚀情况,委托水利部水工金属结构质第期崔娅茹:石头河水库水电站号机组改造方案研究量检测中心对水轮机组蜗壳和钢管内壁锈蚀程度进行了检测.从检测报告试验分析结果来看,机级蜗壳和下游钢管锈蚀比较严重,锈包打磨后可见 mm的蚀坑,最大锈蚀深度达 mm,蚀余厚度 mm,以目前实际钢板厚度反算后,最大承压为 MP a.依据D L/T 水电站压力钢管设计规范 按照明管进行计算,焊缝系数 ,容许应力就 s,依据S L 水电站压力钢管设计规范,焊缝系数 ,容许应力 s,考虑到以后钢管运行情况锈蚀不能准确估计,偏安全采用后一种计算结果.分别以钢管实际壁厚、在现有壁厚的基础上考虑mm的锈蚀计算钢管的承压能力如下:机组钢管以目前实际壁厚计算的最大承压力为 MP a,再考虑mm的锈蚀能够承受的最大压力为 MP a.机组钢管以目前实际壁厚计算的最大承压力为 MP a,再考虑mm的锈蚀能够承受的最大压力为 MP a.调节保证计算复核主要结论石头河水库水电站引水系统按“一洞四机”布置.机机引水部分长度分别为 m,m,m和 m.按照坝后电站引水隧洞、压力钢管轴线布置,对水轮机导叶关闭规律进行优化.调保计算按输水隧洞最大流量 m/s计算;其中机组按低水头模式运行,额定水头 m,水头范围 m,m以上水头时机级主阀须关闭.依据D L/T 水力发电厂机电设计规范,机组转速上升率.按照机蜗壳末端最大水压 m,、蜗壳末端最大水压 m,机蜗壳末端最大水压 m,经过对导叶的关闭方式优化,进行调保计算复核结论为:机导叶采用一段直线关闭(y )Ts s,蜗壳末端绝对压力上升值 m,机组转速上升率为 ,尾水管进口最小压力值 m;()机导叶采用拆线型关闭方案,第一段关闭区间为(y )T s s;第二段关闭区间为(y )T s s;拐点(第一段关闭结束,第二段关闭开始)Y ,蜗壳末端绝对压力上升值 ()m,机组转速上升率为 (),尾水管进口最小压力值 m(m);机采用拆线关闭规律,第一段关闭区间(y )T s s,第二段关闭区间(y )T s s,拐点(第一段关闭结束,第二段关闭开始)Y .蜗壳末端绝对压力上升值 m,机组转速上升率为 ,尾水管进口最小压力值 m.通过以上复核值可见,在优化后的导叶关闭方式下,有效的克服了水电站水力过渡过程中水击压力升高和机组转速升高这一对矛盾,可满足了最不利工况下的调节保证要求.鉴于现有条件的限制,其中对压力管道未进一步改造,在下一步的运行管理中,要充分重视定期对压力钢管的检测,利用检修期对管道进行防护保养,减小钢管的表面腐蚀,延长管道使用寿命,保证电站的运行安全.改造后机组的运行情况及效益石头河水电站机级改造后,自 年 月投运以来,一举改变了机在汛期高水位下不能发电的的历史,有效利用弃水发电,取得了明显的经济效益,今年,随着引红济石调水工程的建成通水,水库在高水位模式下运行的机率进一步提高,机的效益将更加显现.结语随着国家水电站增效扩容改造工程的实施,提高老旧水电站技术水平和综合能效,促进安全运行,是水电站改造的必然趋势.其中,水力发电设备改造是在电站厂房设施、机组基础不改动的情况下进行,是水电站立式机组改造的重点,石头河水库坝后水电站机组改造通过更换现有转轮、更换活动导叶等措施,实现了电站适用水头的提高,减小引水流量,提高机组效率,达到增加发电量的目的,对今后我省中小型水电站机组改造技术研究和应用,特别是老电站机组改造,具有十分重要的参考意义.参考文献:齐耀华,王 炜丹江口大坝加高工程电厂机组设备改造项目经验总结J中国水利,():欧清树水轮机转轮技术改造过程中的重要环节J小水电,():龙晓红红旗水电站增效扩容改造J小水电,():杨 凌 职 业 技 术 学 院 学 报第 卷