Gansa電站水輪發(fā)電機(jī)組的更新改造技術(shù)

陳 康 明（杭州江河水電科技有限公司，杭州 310012）

Gansa電站水輪發(fā)電機(jī)組的更新改造技術(shù)

陳 康 明（杭州江河水電科技有限公司，杭州 310012）

Gansa水電站已經(jīng)投入運(yùn)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(shè)備進(jìn)行更新改造。通過流動解析技術(shù)預(yù)測水輪機(jī)效率特性和氣蝕特性，完成了水輪機(jī)的性能設(shè)計(jì)。同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了水潤滑導(dǎo)軸承、無供水機(jī)械密封、油電混合接力器、發(fā)電機(jī)塑料軸承等新技術(shù)。

更新改造；水輪機(jī)；發(fā)電機(jī)

0 前言

近年來，在全球環(huán)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(fā)展。作為可再生能源中技術(shù)最成熟，經(jīng)濟(jì)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(jī)和發(fā)電機(jī)的項(xiàng)目越來越多。大部分電站的設(shè)備更新改造都結(jié)合提高了設(shè)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(xiàng)目。

在這樣的形勢下，我公司對韓國Gansa水電站的水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及控制系統(tǒng)進(jìn)行了更新改造，目前 2臺機(jī)組已經(jīng)改造完成投入運(yùn)行。本文以Gansa水電站的水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)改造為例，介紹了水電站設(shè)備的更新改造技術(shù)。

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(jì)60年代開始投入運(yùn)行。此次改造，為了不影響土建結(jié)構(gòu)，保留使用原有尾水管、蝸殼和發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)，在更新老舊設(shè)備的同時，通過提高水輪機(jī)性能來增加發(fā)電機(jī)的出力。表1是改造前后水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)對比。由于原有的水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)是其它公司生產(chǎn)的，更新后設(shè)備與原設(shè)備的配合需要充分重視。

表1 水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)水電站的無人值守，改造后的水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)采用了表2所列的一些新技術(shù)，以簡化水電站的日常維護(hù)。

表2 Gansa水電站水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)改造新技術(shù)

2 水輪機(jī)改造

對于像Gansa水電站這樣的更新改造機(jī)組，由于保留了原有的埋設(shè)部件，因此在進(jìn)行水輪機(jī)的性能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)流體解析計(jì)算

數(shù)值模擬基本計(jì)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(biāo)準(zhǔn)壁面處理函數(shù)；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(xù)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(fēng)格式離散計(jì)算。

軸流式水輪機(jī)內(nèi)部流動可用N-S方程描述：連續(xù)性方程：

動量方程：

由于活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片是周期性對稱的，因此選取一個對稱周期區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，由于旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪和靜止的導(dǎo)葉存在計(jì)算區(qū)域相互干涉的情況，不能采用單一坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算，因此，在干涉面附近采用過渡網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行連接處理。網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格劃分方法，網(wǎng)格劃分盡可能細(xì)化，在轉(zhuǎn)輪葉片頭部和尾部等區(qū)域網(wǎng)格密度適當(dāng)加大，網(wǎng)格劃分對計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度有較大影響。

在流體解析計(jì)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(zhǔn)轉(zhuǎn)輪的差異所產(chǎn)生的效率損失，通過在基準(zhǔn)模型轉(zhuǎn)輪的性能上增減解析結(jié)果，這是該電站水輪機(jī)效率的預(yù)測方法，流體解析結(jié)果的壓力分布圖如圖1所示。考慮到尾水管高度已經(jīng)由原機(jī)組決定，因此在性能設(shè)計(jì)時需要將氣蝕性能和效率性能二者都進(jìn)行最優(yōu)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(jié)果如圖2所示，圖中白色部分表示氣泡。

在現(xiàn)場通過壓力時間法實(shí)測了水輪機(jī)的效率，CFD解析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比如圖3所示。由現(xiàn)場效率試驗(yàn)得到的水輪機(jī)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(yù)測效率與真機(jī)實(shí)測的效率基本一致。

圖1 流體解析結(jié)果的壓力分布

圖2 二相流解析結(jié)果

圖3 水輪機(jī)效率對比

2.2 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)

水輪機(jī)的剖面圖如圖4所示。為了維護(hù)的簡化和有利于環(huán)境保護(hù)，使用了一些新技術(shù)對該水電站的水輪機(jī)進(jìn)行了改造。水導(dǎo)軸承采有水潤滑方式，主軸密封采用無供水機(jī)械密封方式，導(dǎo)葉接力器采用油電混合接力器操作方式。

（1）水潤滑水導(dǎo)軸承

水導(dǎo)軸承為筒式瓦結(jié)構(gòu)，軸承采用膨脹系數(shù)極小的新型水潤滑材質(zhì)，軸承水槽與軸承為一體式結(jié)構(gòu)，與主軸一同旋轉(zhuǎn)。水槽的設(shè)計(jì)通過離心力使水自動循環(huán)，利于儲藏在水槽內(nèi)的水滿足冷卻要求，從而實(shí)現(xiàn)不需要供水，簡化電站的維護(hù)。這種軸承結(jié)構(gòu)是將以往軸流式水輪機(jī)使用的旋轉(zhuǎn)油槽進(jìn)行改進(jìn)，從而應(yīng)用到水潤滑軸承上，軸承的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 水輪機(jī)剖面圖

圖5 水導(dǎo)軸承

（2）主軸密封

一般的水輪機(jī)主軸密封采用盤根式或者機(jī)械式密封結(jié)構(gòu)。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(hù)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)。通過對密封材質(zhì)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了無需供潤滑水密封結(jié)構(gòu)。

（3）導(dǎo)葉操作系統(tǒng)

導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)更小巧，能夠滿足原機(jī)組結(jié)構(gòu)空間有限，保留使用原有基礎(chǔ)的前提條件。由于水輪機(jī)蝸殼前沒有設(shè)置進(jìn)水閥門，另設(shè)置了用于導(dǎo)葉緊急關(guān)閉的蓄能器，蓄能器也用于發(fā)電機(jī)的制動器操作，油電混合操作系統(tǒng)原理如圖 6所示。

圖6 油電混合接力器操作系統(tǒng)圖

3 發(fā)電機(jī)改進(jìn)

發(fā)電機(jī)只保留基礎(chǔ)埋入部件，其余全部更新改造。針對發(fā)電機(jī)的改造，進(jìn)行了臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算分析，軸承的計(jì)算分析以及通風(fēng)冷卻的研究分析，發(fā)電機(jī)斷面如圖7所示。

3.1 冷卻方式

發(fā)電機(jī)的冷卻方式采用與原機(jī)組相同的出口管通風(fēng)方式，保留使用原機(jī)組的出口管和阻尼器。

3.2 發(fā)電機(jī)軸承

軸承布置與普通機(jī)組一樣，發(fā)電機(jī)上部是推力軸承和上導(dǎo)軸承，下部是下導(dǎo)軸承。發(fā)電機(jī)軸承材料均采用塑料瓦軸承，起動摩擦力小，維護(hù)簡化，軸承的結(jié)構(gòu)如圖8所示，軸承的主要參數(shù)見表3。

推力軸承和上導(dǎo)軸承的發(fā)熱量很大，軸承的冷卻采用循環(huán)泵打油，采用外部油冷卻器的強(qiáng)制給油循環(huán)方式。下導(dǎo)軸承的發(fā)熱量較小，采用自循環(huán)內(nèi)置式油冷卻器方式。

3.3 發(fā)電機(jī)制動

為了簡化維護(hù)，導(dǎo)葉由電動接力器操作的電站，發(fā)電機(jī)制動一般采用氣制動或電磁制動。由于本電站沒有設(shè)置水輪機(jī)進(jìn)口閥門，停機(jī)時導(dǎo)葉漏水引起轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動的可能較大，為了有較大的制動力，需要數(shù)臺制動器才能滿足要求。由于基礎(chǔ)尺寸已經(jīng)確定，布置不下足夠的制動器數(shù)量。因此，該電站利用油電混合接力器的油壓系統(tǒng)，采用了油壓式制動器。用于導(dǎo)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(shè)備。

圖7 發(fā)電機(jī)斷面圖

表3 發(fā)電機(jī)軸承規(guī)格

圖8 發(fā)電機(jī)軸承構(gòu)造

4 結(jié)論

以Gansa水電站為例，介紹了水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)備更新改造技術(shù)。對老舊水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備的更新改造，可以實(shí)現(xiàn)性能提高，維護(hù)簡化，運(yùn)行成本降低等目的。

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陳康明（1975-），1997年7月畢業(yè)于南昌工程學(xué)院水動專業(yè)，現(xiàn)主要從事水輪機(jī)設(shè)計(jì)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