大型軸流轉槳式水輪機增容改造的可行性分析

謝志堅

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大型軸流轉槳式水輪機增容改造的可行性分析

謝志堅

（福建水口發電集團有限公司，福州 350004）

針對水輪機運行以及電站尾水位下切偏離工況的實際情況，提出在現有邊界條件不變的情況下，基于現代水輪機開發及制造技術，設計一個經過局部改型的增容轉輪。既可提高水輪機運行效率與水能利用率，增加電站發電量，又能消除水輪機發電機組存在的缺陷隱患，提高機組運行安全穩定性，延長機組檢修周期，降低運維成本，具有顯著的經濟效益和社會效益。

軸流轉槳式水輪機；增容；空蝕；安全性

0 前言

水口電站共裝七臺機組單機容量200MW的軸流轉槳式水輪發電機組，水輪機最大出力235MW，發電機連續過負荷容量230MW。從1993年第一臺投產發電至今（見表1），已運行25年左右，仍為目前世界上單機容量最大的軸流轉槳式水輪機。近年來由于電站下游尾水位的持續下降，機組運行水頭增加，水輪機流道壓力脈動增大，機組出現了比較明顯的空蝕問題，電站承擔著電網調峰、調頻事故備用以及ACG運行方式功能，水輪機在偏離運行工況下，機組運行工況更加惡劣。根據設備運行情況以及尾水位下切工況偏離實際問題，率先開展了機組超最大水頭運行、機組偏離工況運行、機組增容改造可行性、機組動應力計算、機組關鍵部件應力監測等課題研究，機組一些部件的材料受當時技術條件限制、安全裕度不足，特別是疲勞強度偏低，造成關鍵部件活塞桿、操作架、銅瓦等斷裂、磨損等重大缺陷。在90年代初期，設計及制造加工作為當時世界上最大水輪機，沒有任何成熟經驗借鑒，尤期水輪機核心部件（如槳葉）加工早期采用人工鏟磨工藝，葉片表面線型不光滑，誤差大，水力性能存在許多可提高之處，經過二十多年發展，特別計算機仿真、三維設計以及數控技術廣泛的應用，無論從材料、設計還是加工制造技術[1-3]方面已經有了飛躍性變化，研究開發適應電站現有條件的新轉輪是當務之急。

表1 原機組投產日期

1 運行情況

七臺機自投產以來，由于水口機組的特殊性，從設計、制造、安裝、檢修、運行維護方面均沒有經驗可以借鑒，運行中曾經發生過以下幾個方面問題，如主軸密封漏水大、機組水導瓦溫高、水輪機轉輪漏油及進水、活塞桿、操作架裂紋、轉輪室脫落以及機組振動等缺陷，特別隨著機組運行時間增加，下游尾水位偏離工況過大（如圖1所示）等實際問題，機組空蝕日益突出，這些問題甚至影響機組能否長期持續穩定運行。

圖1 尾水位與出庫流量關系曲線

2 檢修情況

到目前為止，先后對七臺機進行二至三輪機組A級檢修，主要處理了水輪機轉輪漏油及進水、轉輪活塞桿兩次折斷（如圖2示）、操作架開裂等問題，槳葉大小銅瓦磨損，轉輪密封件更換，并在檢修過程發現了活塞桿裂紋、預緊螺母松動，轉輪體、槳葉、轉輪室、頂蓋等空蝕問題，從近二十年左右運行和檢修來看，機組七年檢修大修間隔，檢修內容集中在水輪機轉輪上，而且都是必修必改，一些危急重大缺陷，如果沒有發現和及時檢修，進一步發展后果十分嚴重。機組每次擴大性大修總工期為100天左右，其中轉輪部分檢修40~50天，投入大量人力、物力。

圖2 轉輪活塞桿斷裂情況

3 項目必要性

3.1 安全性分析

電站現有的七臺200MW軸流轉槳式水輪發電機組，為20世紀90年代初期產品，從投產至今已運行20多年，機組存在設備明顯老化、效率指標有所下降、水輪機空蝕、裂紋嚴重、運行振動加劇、發電機定子運行鐵心松動等影響機組安全穩定運行的隱患[4]，具體體現如下：

3.1.1 水輪機性能狀況惡化

水輪機空蝕嚴重[5]，每年每臺機必須安排一次“C”級和“D”檢修，主要對水輪機的空蝕補焊和打磨處理，葉片及轉輪體經過多次人工補焊處理，檢修過程沒有葉型檢測控制手段，葉片線型控制無法達到設計要求，表面粗糙不平整，加之設備的磨損、老化，水輪機效率指標有所下降。

3.1.2 機組振動加劇，振動區逐漸擴大

七臺機組多臺次的振動試驗結果表明，投產初期機組負荷振動區范圍是50～80MW左右的，但近年來的振動試驗發現，機組在50～120MW負荷區、存在一個較明顯的振動區。機組振動的不斷加劇及對設備造成的危害已越來越嚴重，具體體現在：

（1）機組尾水管振動加劇，進人門多次發現流道里襯裂紋，運行中噴水，該處振動達到1g加速度，連接螺栓疲勞。

（2）機組轉輪室及尾水錐管管壁撕裂。部分機組曾經發生轉輪室、尾水管錐管段大面積撕裂[6]，背部混泥土搗空（如圖3所示）。

圖3 轉輪室開裂

（3）機組各部緊固件松動，尤其上機架蓋板聯接螺栓經常性松動，甚至水輪機轉輪M540螺母松脫。

3.1.3 導水機構存在影響安全運行的隱患

由于機組運行20多年，機組導葉漏水有所增大，個別出現停機拆除風閘后蠕動現象。導葉上、中、下軸套及軸領磨損等問題。

3.1.4 槳葉壓板封堵脫落

每臺機每片葉片密封壓板24個緊固螺栓，由于長期受空化及振動影響，經常發生封堵填充物脫落，緊固螺栓發生空蝕脫離，螺孔螺牙全部空蝕，容易造成轉輪漏油，存在很大隱患。

3.1.5 導軸承瓦溫偏高

水輪機導軸承為稀油潤分塊瓦式軸承，空間上和結構限制，七臺機水導運行溫度長期偏高，受水力不平衡影響造成機組振動加劇，致使運行中水導軸瓦負荷加大，夏季瓦溫達70℃極限值，影響了機組的安全穩定運行。

3.2 可研范圍和規模

可研范圍包括設計、制造適合現有水輪機流道、主軸、轉輪直徑以及內頂蓋等處接口不變的局部改型新轉輪[7]。

3.3 主要技術經濟[8]指標

機組改造后預計可以達到的技術經濟指標：

（1）機組改造后能消除設備存在的重大缺陷隱患；

（2）縮小負荷振動區域，機組振動擺度等指標達到規程允許范圍之內；

（3）水輪機額定效率提高1~2%；機組容量增加約15%，水輪機單機最大容量達235MW，可進行最大出力穩定運行；

（4）發電機絕緣等級提高到F級；

（5）導葉漏水量控制在2‰以內；

（6）發電機的噪音小于85dB(A)；

（7）機電設備完好率達到100%，B級以上檢修周期大于8年；

（8）機組設計使用壽命不低于40年。

經初步估算一臺增容改造需投資金約6800萬元。通過技術改造后單臺機年總增發電量可創產值約800萬元。還可利用水電機組啟停靈活，快速適應負荷變化的特性，增加機組對系統調峰、調頻和事故備用容量。

3.4 改造效果及經濟效益[9]

機組技術改造可消除機組設備存在的重大隱患，提高機組運行安全穩定性。另外，機組技術改造工程還可帶來如下經濟效益：

（1）改造后可以提高水輪機運行效率、節水增發、提高水庫利用率，增加機組的發電量。

（2）機組出力的提高，發電機容量的增大，可以提高電站的調峰調頻和事故備用的能力。

（3）延長機組檢修周期，同時，每臺機檢修時間可縮短40天，降低機組運維成本。

3.5 機組改造效益分析[10]

3.5.1 提高效率增加年發電量

電站實施增容改造后，不僅在汛期可提高機組出力，同時，水輪機效率也可提高1~2%，按保守計算，年利用小時數不低于3500h。

由于單機容量及效率提高，單機年增發電量為：

200MW×3500h×1%=700萬kW·h

七臺機合計：700萬kW·h/臺×7臺=0.49億kW·h

3.5.2 機組增容后增加年發電量

通過技術改造后水輪機單臺機容量最大為235MW，同時，汛期發電機可按最大出力230MW運行，汛期機組最大出力運行時間平均為50天，單機年可增加發電量為：

30×50×24=36000MW·h=3600萬kW·h

七臺機合計：3600萬kW·h×7臺=2.52億 kW·h

3.5.3 直接經濟效益

通過提高效率及最大出力，每年可增加電量3.01億 kW·h，折算電價0.278元/度，則可增加直接經濟效益為3.01億 kW·h×0.278元/度=0.837億元。

3.5.4 機組檢修成本降低分析

通過增容改造，可提高轉輪的抗空蝕、抗裂紋性能；提高發電機絕緣等級、降低檢修維護勞動強度，延長機組檢修周期，縮減檢修成本[11]。

3.5.5 改善枯水期通航條件

水口電站每年8月1日進入非汛期，按水輪發電機組季節性檢修特點，公司將安排六臺機一次“C”級檢修和一次“D”級檢修，一臺機擴大性大修，由于受下游尾水位不斷下切影響，通航期間必須保證七臺滿負荷運行的出庫流量才能達到通航最低要求，在一臺100天擴大性大修期間，出庫流量無法滿足通航最低出庫水位要求，必須全面斷航。如果實施增容改造，整個大修工期只要60天左右，可以縮短40天，即將有效緩解長時間斷航帶來社會壓力，最大限度保證通航條件。

3.6 投資估算

本次機組改造為制造一個改進型水輪機轉輪。水輪機部分改造主要包括水輪機轉輪體、葉片、葉片銅瓦、泄水錐、缸蓋、活塞、操作架、耳柄、轉臂、各密封件等，經初步估算水輪機部分改造總重約為350t，項目投資[12]見表2。

表2 技術改造工程費用匯總表 金額單位：萬元

3.7 機組改造后效益預測

一方面可以有效消除轉輪缺陷，改善水力性能，提高水輪機效率，延長檢修周期；另一方面，汛期可充分利用部分棄水增加發電量。經初步計算，水量利用率由原來的86.2%提高到89.4%，利用汛期棄水增加的多年平均年發電量為3.01億kW·h，具有顯著的經濟效益[13]。可以看出全部改造后發電效益是有保障的；且以上分析未考慮發電機效率的提高，如果考慮發電機效率的提高，則改造后發電效益將更為顯著。

4 結論

通過幾方面綜合分析，公司提出在現有邊界條件不變的情況下[14]，從材料、結構以及加工工藝方面對部分部件進行重新開發設計，實施水輪機增容改造，能夠有效解決機組的設備缺陷及隱患，提高電站的水能利用效率，降耗增發，提高設備的技術水平和健康水平[15]；延長檢修周期，降低檢修成本及節省時間，增加機組出力，提高電站的調峰調頻能力；提高機組綜合性能，改善系統供電可靠性；提高電站的年電量，經濟效益顯著。因此，水口電站實施增容改造項目十分必要，也是可行的。

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Feasibility Analysis of Large Axial Flow Propeller Turbine Up Rating

XIE Zhijian

(Fujian Shuikou Power Generation Group Co., LTD., Fuzhou 350004, China)

Based on the running and working condition of hydro-turbine and the deviation of water level of draft tube from actual power plant situation, this paper puts forward a modern turbine development and manufacturing technology on the basis of the existing boundary conditions, and designs an up rating runner by local modification. It can not only improve the efficiency and the utilization rate of water turbine, but also increase the power plant generating capacity. Mean while it can eliminate the potential defects of the hydro-generating unit, enhance the stability and safety, prolong maintenance cycle, reduce operational costs and so on. Therefore it has remarkable economic and social benefits.

axial flow Kaplan turbine; up rating; cavitation erosion; safety

TK733+.3

A

1000-3983(2018)02-0073-04

2017-11-20

謝志堅（1964-），1983年8月畢業于福建工程學院，長期從事電網及水電站管理工作，高級工程師。