Gansa電站水輪發電機組的更新改造技術

陳 康 明（杭州江河水電科技有限公司，杭州 310012）

Gansa電站水輪發電機組的更新改造技術

陳 康 明（杭州江河水電科技有限公司，杭州 310012）

Gansa水電站已經投入運行50年以上，利用原有尾水管和蝸殼等埋入部件，對其它的老舊設備進行更新改造。通過流動解析技術預測水輪機效率特性和氣蝕特性，完成了水輪機的性能設計。同時在結構設計上采用了水潤滑導軸承、無供水機械密封、油電混合接力器、發電機塑料軸承等新技術。

更新改造；水輪機；發電機

0 前言

近年來，在全球環境問題日益突出的背景下，各國越來越重視可再生能源的利用發展。作為可再生能源中技術最成熟，經濟最可行的小水電尤其受到青睞，在此背景下，更新改造老舊水電站的水輪機和發電機的項目越來越多。大部分電站的設備更新改造都結合提高了設備的使用性能，國外的情況同樣，在韓國，有大量利用老舊水電站原有廠房建筑物，以更新和提高性能為目的的小水電站改造項目。

在這樣的形勢下，我公司對韓國Gansa水電站的水輪機、發電機及控制系統進行了更新改造，目前 2臺機組已經改造完成投入運行。本文以Gansa水電站的水輪機、發電機改造為例，介紹了水電站設備的更新改造技術。

1 Gansa水電站概要

Gansa水電站距離韓國首爾150公里，于上個世紀60年代開始投入運行。此次改造，為了不影響土建結構，保留使用原有尾水管、蝸殼和發電機的基礎，在更新老舊設備的同時，通過提高水輪機性能來增加發電機的出力。表1是改造前后水輪機、發電機的主要參數對比。由于原有的水輪機、發電機是其它公司生產的，更新后設備與原設備的配合需要充分重視。

表1 水輪機、發電機的主要參數

為了實現水電站的無人值守，改造后的水輪機和發電機采用了表2所列的一些新技術，以簡化水電站的日常維護。

表2 Gansa水電站水輪機、發電機改造新技術

2 水輪機改造

對于像Gansa水電站這樣的更新改造機組，由于保留了原有的埋設部件，因此在進行水輪機的性能設計和結構設計時，需要充分重視更新后部件與埋入部件的配合。

2.1 水輪機流體解析計算

數值模擬基本計算方法如下，求解器選用顯式分離求解器；湍流模型選用RNG k-ε湍流模型，壁面處理選擇標準壁面處理函數；壓力和速度耦合方式選用壓力-速度校正方法即SMPLE算法；連續性方程、動量方程、湍動能方程和湍動能耗散方程均采用二階迎風格式離散計算。

軸流式水輪機內部流動可用N-S方程描述：連續性方程：

動量方程：

由于活動導葉和轉輪葉片是周期性對稱的，因此選取一個對稱周期區域進行計算，由于旋轉的轉輪和靜止的導葉存在計算區域相互干涉的情況，不能采用單一坐標系進行計算，因此，在干涉面附近采用過渡網格技術進行連接處理。網格劃分采用四面體網格劃分方法，網格劃分盡可能細化，在轉輪葉片頭部和尾部等區域網格密度適當加大，網格劃分對計算結果的準確度有較大影響。

在流體解析計算過程中，由于保留使用的蝸殼、尾水管等的流道形狀與基準轉輪的差異所產生的效率損失，通過在基準模型轉輪的性能上增減解析結果，這是該電站水輪機效率的預測方法，流體解析結果的壓力分布圖如圖1所示。考慮到尾水管高度已經由原機組決定，因此在性能設計時需要將氣蝕性能和效率性能二者都進行最優組合。氣蝕性能的評價是通過二相流解析來完成，二相流解析能夠正確評價流場中氣泡的存在對流體的影響，二相流解析結果如圖2所示，圖中白色部分表示氣泡。

在現場通過壓力時間法實測了水輪機的效率，CFD解析結果與實測結果的對比如圖3所示。由現場效率試驗得到的水輪機效率滿足合同中的保證效率。通過對比，可以看出CFD解析的預測效率與真機實測的效率基本一致。

圖1 流體解析結果的壓力分布

圖2 二相流解析結果

圖3 水輪機效率對比

2.2 水輪機結構

水輪機的剖面圖如圖4所示。為了維護的簡化和有利于環境保護，使用了一些新技術對該水電站的水輪機進行了改造。水導軸承采有水潤滑方式，主軸密封采用無供水機械密封方式，導葉接力器采用油電混合接力器操作方式。

（1）水潤滑水導軸承

水導軸承為筒式瓦結構，軸承采用膨脹系數極小的新型水潤滑材質，軸承水槽與軸承為一體式結構，與主軸一同旋轉。水槽的設計通過離心力使水自動循環，利于儲藏在水槽內的水滿足冷卻要求，從而實現不需要供水，簡化電站的維護。這種軸承結構是將以往軸流式水輪機使用的旋轉油槽進行改進，從而應用到水潤滑軸承上，軸承的結構如圖5所示。

圖4 水輪機剖面圖

圖5 水導軸承

（2）主軸密封

一般的水輪機主軸密封采用盤根式或者機械式密封結構。為了防止密封部件的干摩擦需要供潤滑水。Gansa水電站采用了省略供水裝置的免維護機械密封結構。通過對密封材質的改進，實現了無需供潤滑水密封結構。

（3）導葉操作系統

導葉的操作由以往的油壓操作改造成為油電混合操作方式。油電混合操作接力器是通過可逆活塞泵將高壓油直接打入接力器缸來操作導葉，比一般的電動接力器方式能夠做的更小，布置簡潔。由于結構更小巧，能夠滿足原機組結構空間有限，保留使用原有基礎的前提條件。由于水輪機蝸殼前沒有設置進水閥門，另設置了用于導葉緊急關閉的蓄能器，蓄能器也用于發電機的制動器操作，油電混合操作系統原理如圖 6所示。

圖6 油電混合接力器操作系統圖

3 發電機改進

發電機只保留基礎埋入部件，其余全部更新改造。針對發電機的改造，進行了臨界轉速的計算分析，軸承的計算分析以及通風冷卻的研究分析，發電機斷面如圖7所示。

3.1 冷卻方式

發電機的冷卻方式采用與原機組相同的出口管通風方式，保留使用原機組的出口管和阻尼器。

3.2 發電機軸承

軸承布置與普通機組一樣，發電機上部是推力軸承和上導軸承，下部是下導軸承。發電機軸承材料均采用塑料瓦軸承，起動摩擦力小，維護簡化，軸承的結構如圖8所示，軸承的主要參數見表3。

推力軸承和上導軸承的發熱量很大，軸承的冷卻采用循環泵打油，采用外部油冷卻器的強制給油循環方式。下導軸承的發熱量較小，采用自循環內置式油冷卻器方式。

3.3 發電機制動

為了簡化維護，導葉由電動接力器操作的電站，發電機制動一般采用氣制動或電磁制動。由于本電站沒有設置水輪機進口閥門，停機時導葉漏水引起轉動部件轉動的可能較大，為了有較大的制動力，需要數臺制動器才能滿足要求。由于基礎尺寸已經確定，布置不下足夠的制動器數量。因此，該電站利用油電混合接力器的油壓系統，采用了油壓式制動器。用于導葉操作的油壓蓄能器，能夠滿足油壓制動器的要求，所以不需要增加其它輔助設備。

圖7 發電機斷面圖

表3 發電機軸承規格

圖8 發電機軸承構造

4 結論

以Gansa水電站為例，介紹了水輪發電機組的設備更新改造技術。對老舊水輪發電機組設備的更新改造，可以實現性能提高，維護簡化，運行成本降低等目的。

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陳康明（1975-），1997年7月畢業于南昌工程學院水動專業，現主要從事水輪機設計工作，高級工程師。

審稿人：吳喜東

Equipment Remould Technology at Hydroelectric Power Plants

CHEN Kangming
（Hangzhou Jianghe Hydro-electric Science and Technology Co., Ltd.，Hangzhou 310012, China）

At Korea’s Gansa power plant，which has been more than 50 years of operation, embedded parts such as draft tubes and casings were retained, and other old machinery was replaced. Cavitation characteristics and efficiency characteristics of hydraulic turbines were calculated through flow analysis, and thereby conducting performance design surely. Simplification of maintenance was achieved through such measures as employing water-lubricated bearings, water-free mechanical seals and hybridization of guide blade operation for hydraulic turbines as well as employing plastic bearings for generators.

remould; hydro-turbine; generator

TM312

B

1000-3983(2017)01-0064-04

2016-01-20