陸渾水庫灌溉洞電站1#機組增容改造可行性研究

□魏躍民 □程大鵬 □王曉惠（河南省陸渾水庫管理局陸渾水電站 鄭州大學水利與環境學院 河南國安建設集團有限公司）

1 工程概況

陸渾水庫灌溉洞電站設計安裝三臺機組，總裝機容量為（2×3000+500）kW，其中1#機組（500kW）由于質量存在問題、設計存在缺陷，該機組自安裝之后，一直沒有正常運行過。現根據《陸渾水庫水資源論證分析報告》，通過對陸渾水庫1980-2010年31年的月徑流資料進行入庫徑流規律分析，在滿足下游工農業用水以及河道生態需水的條件下，應用動態規劃，通過長系列模擬仿真調節計算，結果表明電站存在富余水量，具有增效擴容改造的可行性。

2 灌溉洞電站1#機組改造方案

2.1 改造原則

水輪發電機組改造方案結合電站的實際情況，在保持原有土建和埋入部分不變的基礎上，通過對機組改造方案進行計算，對其機墩適應性進行復核，選擇最優方案。

2.2 發電水頭分析

由尾水位—流量關系可知，機組的尾水位一般在293.50～296m之間變化，根據近幾年來水庫上游水位統計資料，水庫水位在304～318m范圍內變化，同時考慮從灌溉洞進口至電站尾水出口的沿程水頭損失和局部水頭損失，確定機組運行水頭應定在10～22m范圍內。

2.3 水輪機型號選擇

通過對現有的尾水管、蝸殼尺寸等現場勘察，經對多個模型轉輪比較篩選，并結合電站水能復核計算分析，初選ZD520-LH-120和ZD560-LH-120兩種轉輪來進行比較，通過性能參數計算確定優選方案，其計算的主要參數如表1所示。

表1 模型轉輪主要參數表

2.4 機組吸出高度復核

根據參考文獻中的公式對各機型允許吸出高進行計算，同時用公式對不同機型額定吸出高度值進行計算，計算結果見表2。

表2 不同機型允許吸出高

2.5 過流能力分析

水輪機的過流能力主要由整個過流系統的尺寸和特性來決定。機組過流通道主要由壓力鋼管、蝸殼、轉輪、尾水管幾部分組成。增容后最大流量為6m3/s，比原來有所增加，經驗算壓力鋼管內最大流速為5.32m/s，在經濟流速范圍之內；由于尾水管沒有改動，如果匹配其它型號的水輪機轉輪屬異型部件，整機效率可能會略有降低，而設計流量增加的有限，不存在問題。

2.6 改造方案確定

通過不同水頭下水輪機基本性能參數的計算，對不同方案進行對比分析，1#機組計算結果如下：當發電水頭在16m以下時，ZD520-LH-120在運行效率、機組出力等方面均優于ZD560-LH-120；當發電水頭＞16 m時，超出了ZD520-LH-120的運行區域，水輪機無法正常工作，葉片轉角為5°的ZD560-LH-120水輪機，在發電水頭＞18m時也存在著同樣的情況，見下表3。考慮結合小流量灌溉用水發電和汛期利用水庫棄水發電這兩種因素，同時經咨詢廠家，水推力滿足要求，此次改造擬采用ZD560-LH-120、葉片轉角0°的水輪機及其配套的SF800-14/1730發電機。

表3 不同水頭下各機型參數比較表

2.7 適應性分析

水輪機調節保證計算的宗旨，是在機組負荷處于大波動時，調速器應該在規定的導葉關閉時間內，保證輸水系統壓力管道內的壓力變化值和機組轉速變化值在允許的范圍內，以期達到電能質量最佳，輸水系統建筑物和機組的造價最省，同時保證機組投入運行后，水輪機調節過程中壓力和轉速變化在預期的范圍內，使電站安全、經濟運行。合理選擇導葉關閉時間，使壓力上升值和速率上升值都在合理范圍內，是調節保證計算的主要工作。

根據設備機組轉動慣量（GD2）、機組引水流量及壓力管道長度等基本數據，按調保計算的選擇條件，在不同的關機時間下計算對應的機組轉速上升率和壓力管道末端的水擊壓力上升值，計算結果如表4所示。

表4 不同關機時間下轉速上升率和水擊壓力上升值表

由于受原機座尺寸的限制，使得增容后選用的發電機型變的瘦高，因而其轉動慣量（GD2）僅有2.80～3.00tm，比標準尺寸系列（機座型號為2150）發電機的轉動慣量減小將近一倍，所以機組甩負荷后的轉速上升率β要比常規機組高得多，故機組改造后調速器的啟閉時間TS不宜整定的太大，建議TS＜3.50s。雖然調速器的啟閉時間較短，由于從機組到調壓室的距離不長，產生的水擊壓力的絕對值并不大，不會對壓力管道和蝸殼產生太大影響。從而也保證了β值滿足規范的要求。

3 機墩結構復核

3.1 機墩荷載計算

根據水電站廠房設計規范（SL266-2001）規定，機墩荷載包括以下幾方面：一是垂直靜荷載G1=433.30kN；二是垂直動荷載G2=228kN；三是水平動荷載，正常運行時：Pm=10.10kN；飛逸時：Pm=40.68kN；四是正常扭矩標準值T=14.56kNm；五是短路扭矩標準值T′=74.89kNm

3.2 機墩荷載組合

根據水電站廠房設計規范（SL266-2001）規定，機墩荷載效應組合見表5。

表5 機墩作用效應組合表

3.3 機墩結構簡化

取機墩單寬核算機墩的承載能力。經計算，折合到每米機墩上的荷載標準值為：P1=74.15 kN/m；P2=48.17 kN/m；P3=13.57 kN/m；P=135.89kN/m。

3.4 機墩強度校核

根據《水工鋼筋混凝土結構設計規范》（SL191-2008）的要求。經計算，現有機墩軸向承載能力：NU=128.93kN＞135.89/1.20=113.24kN。根據以上計算，說明原機墩承載能力可以滿足800kW機組的承載能力要求。

3.5 動力計算

經計算，機墩自振頻率與強迫振動頻率之差和自振頻率的比值分別為86.02，58.56和94.18%。均大于規范規定的30%。振幅滿足規范設計要求。動力系數均小于規范規定＜2的要求。

計算結果：環梁底面所需受力縱筋為4Φ18；環梁頂面所需受力縱筋為4Φ18；箍筋按構造要求配筋。原設計配筋：環梁頂底面各配縱筋4Φ18，均滿足要求。

綜上所述，陸渾水庫灌溉洞電站1#機組由500 kW增至800kW在設備技術上是可行的。

4 結語

本文結合陸渾水庫水電站技術改造工程，依據水能計算及機組選型的初步方案，對其現有機墩進行了結構復核，結果表明灌溉洞水電站1#機組在設備技術上可滿足此次技術改造需要，該種計算方法可為類似工程提供一定的參考。

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[2]伯納德·佩利肯，張學進.奧地利小水電發展現狀[J].中國農村水利水電,2002(8):56-57.

[3]韓菊紅，溫新麗，馬躍先.水電站[M].鄭州：黃河水利出版社，2003.

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