提高水電站額定出力的可行性探討

胡安江·居努斯

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊830001）

1 概述

在新疆水能資源分布中，中、小河流的小水電資源占有相當的比重，水電作為可再生、無污染的環保性能源，有它的自身優越性。

有相當一部分中、小型水電站由于先天不足，水文資料不全，設計和施工的水平殘差不齊，主要設計參數和實際參數偏差較大，導致水電站的出力不足或棄水量大。中、小型水電站的技術改造也因它的工程量小、投資少、見效快、經濟效益明顯、社會效益巨大等一系列優點正逐步被廣泛推廣。

改造工作要從實際出發，因地制宜，充分利用水電站原有的設備設施，對改造部分做到技術先進，經濟合理，質量優良。技術改造應采用新技術、新工藝、新材料和先進設備，提高設備和設施的技術性、先進性，改善運行條件，盡量恢復和增大水電站的發電能力，保證發電系統、引水系統及水工建筑物的安全可靠性。

2 SK水電站技術改造

SK水電站工程主要承擔發電任務，其次是反調節任務。水庫總庫容1.21億m3，裝機容量3×47 MW，多年平均年發電量5.7億kW·h，保證出力40 MW，電站水輪發電機組由哈爾濱電機廠有限責任公司生產，3臺機組已經于2010年投入運行，截至目前運行狀況良好。

2.1 增容問題的提出

根據SK水電站工程近4年上、下游水位分布情況的統計和電站棄水量的分析，可得出SK水電站在每年的6、7、8月份棄水較嚴重，為減少電站棄水量，同時提高汛期發電量，適當提高水輪機額定出力是十分必要的。

為充分發揮SK水電站的發電效益，挖掘現有水輪發電機組的潛在容量，依據電站運行管理單位意見，進行相應的可行性研究并提出復核設計意見。

2.2 增容技術改造原則

（1）水電站技術改造應遵循的原則

1）水輪機的技術改造應優先選用能量指標先進、空化特性優良、運行穩定性好的轉輪，以保證技術改造的先進性。

2）改造方案選定的水輪機主要參數（設計水頭、標稱直徑、額定轉速和輸出功率等），既要考慮到水電站的引水系統和水輪機流道尺寸及發電機同步轉速等限制條件，又應將水輪機調整到最優工況區域運行，以保證技術改造的合理性。

3）改造方案應能改善水輪機的運行工況，提高效率，增加年發電量，以保證技術改造的經濟性。

4）發電機的技術改造應考慮與水輪機在容量上的相互匹配，根據原設備的實際情況與制造商家研究協商，采用新材料、新結構和新工藝，確定合理的改造方案和改造范圍。

（2）SK水電站增容技術改造原則

SK水電站增容的基本原則是在不改變現有發電引水系統及主要機電設備的前提下，充分挖掘水輪發電機組的潛力，在水輪機能量指標、空化性能、穩定性允許范圍內，通過提高水輪機單位流量（額定流量和額定水頭），從而提高水輪發電機組的額定出力。與此同時，對引水系統、發電設備及相關設施進行安全性復核。

本次增容要求為：在不更換現有絕大部分設備的前提下，適當提高機組額定水頭和額定流量，使得水輪機額定出力達到53.3 MW（原48.454 MW），發電機達到51.7 MW（原47 MW），從而達到機組長期超發10%額定容量的目的。

3 SK水電站水輪發電機組的增容

（1）水輪機增容潛力

此次機組增容是在不改變電站發電引水系統和水輪發電機組的前提下，充分挖掘現有水輪機轉輪特性潛力而實現，包括水輪機轉輪直徑、流道和機組轉速保持不變的情況下，改變水輪機兩個主要參數，即水輪機轉輪的單位流Q11或單位轉速n11來達到水輪機新的出力，單位流量用Q11=Q/（D12×H0.5）、而單位轉速用n11=（n×D1）/H0.5表示，從上式可以分析出當轉輪直徑為常數時，通過額定流量和額定水頭的最佳搭配來達到單位流量的變化，而單位轉速是隨額定水頭的變化而變，本階段通過額定流量和額定水頭的不同組合方式在HLA551 C水輪機模型綜合特性曲線上的位置，得出Q11與n11現有條件之下比較合理的搭配方式為Q11=1.39 m3/s、n11=83.56 r/min，在水輪機模型綜合特性曲線上水輪機增容前后額定點位置、增容范圍及運行區域見圖1。

從圖1可以看出增容前額定點單位流量為1.29 m3/s，增容后達到1.39 m3/s，額定點非常接近水輪機出力限制線，已經沒有余量，但水輪機運行區域仍然在較合理的范圍內。

圖1 HLA551 C水輪機模型綜合特性曲線上的額定點位置增容范圍圖

（2）增容后水輪機參數

經反復計算和復核單位轉速和單位流量，當水輪機額定水頭達到35.8 m，水輪機額定流量為169.0 m3/s時，水輪機可以發出53.3 MW的出力，此時水輪機額定水頭小于電站加權平均水頭36.10 m，符合DL/T5186-2004水力發電廠機電設計規范的規定，而且增容后在高水頭運行時，導葉開度不至于過小，對機組安全穩定運行有利。

水輪機增容前后的主要技術參數見表1。

表1 水輪機增容前后的技術參數

轉向：水輪發電機從發電機端看為俯視順時針方向旋轉。

（3）增容后水輪機運行范圍

增容后水輪機換算到真機運轉特性曲線見圖2所示。

（4）增容后水輪機相關參數的復核說明

1）比轉速

比轉速及比速系數是衡量水輪機先進性、經濟性的綜合技術指標，其定義為1 m水頭下發出1 kW出力時的水輪機轉速。比轉速受水輪機效率水平、空化性能和運行穩定性等許多因素的制約，過度提高比轉速存在一定的風險。水輪機增容前后是同一個水平段，變化很小，并在合理范圍之內，即293 m·kW和295 m·kW。

圖2 增容后水輪機運轉特性曲線

2）導葉開度

水輪機增容10%后，各水頭下的單位流量均有所增加，導葉開口也將相應變大，模型綜合特性曲線上可以看到導葉最大開口為32 mm，相對應的真機導葉最大開口為405 mm，不超過本電站機組設計最大導葉開口415 mm。

3）飛逸轉速

根據A551 C轉輪模型綜合特性曲線，按照機組增容后水輪機最大可能導葉開口，并考慮預留一定余量，相應的模型單位飛逸轉速為148.3 r/min，換算成真機飛逸轉速為199.65 r/min ，不超過原合同機組飛逸轉速200 r/min的要求。

4）最大水推力

水推力跟轉輪的特性，與水輪機轉輪直徑、電站最大水頭有關，由于增容前后機組最大水頭、轉輪型號及轉輪直徑都未發生變化，嚴格來說水輪機增容后水推力不會有變化。根據A551 C轉輪水推力系數為0.46，復核計算的水輪機水推力為2 700 kN。

5）空蝕、空化性能

水輪機的空蝕性能直接影響機組運行的安全可靠性和電站的經濟性，而且比轉速與轉輪的空化系數成正比關系。根據可研、初設階段總結分析成果，本電站裝置空蝕系數在0.213～0.3之間比較合適。電站增容后水輪機額定水頭35.8 m、額定轉速111.1 r/min，出力53.3 MW、比轉速為293 m·kW時，電站的額定點裝置空化系數小于0.3，在合理范圍內。

根據A551 C轉輪模型綜合特性曲線，按照機組增容后水輪機主要工況點臨界、裝置空化系數見表2所示。

表2 水輪機主要工況點臨界、裝置空化系數對照表

臨界空化系數σp與臨界空化系數σC的比值關系在各特征工況下為：K=σp/σC=2.12～2.45，即空化安全系數大于2（大于一般清水條件下的1.6～1.8），增容后水輪機空化性能仍較優。

6）大流量區穩定性分析

增容后，水輪機額定單位流量已經達到1.39 m3/s。根據A551 C模型轉輪壓力脈動試驗結果，模型轉輪單位流量用到1.405 m3/s時，蝸殼進口、導葉后轉輪前、錐管、肘管等位置壓力脈動幅值均未發現陡升趨勢，可以預測增容后轉輪在大流量區運行具備較好的穩定性。

7）調節保證計算

電站壓力引水系統采用單機單管引水方式，由壓力鋼管、水輪機蝸殼、尾水管等組成。壓力引水管道直徑6.2 m，長度87 m，整個壓力引水系統和最大發電水頭未發生變化，增容后3臺機組滿發時壓力引水系統的總流量（流速）有所增加。

通過增容后復核調節保證計算，得出的結論為：導葉采用一段關閉規律，導葉關閉時間為Ts′=10s時，蝸殼末端最大壓力上升值不大于54 m水頭（ξmax=49.3%），速率上升不超過額定轉速的50%（βmax=49.9%），尾水管進口最大真空值小于8 m水柱。

8）導葉接力器容量復核

SK水電站導葉接力器基本參數為，導葉接力器活塞桿直徑120 mm，活塞直徑為350 mm，按照經驗公式計算，增容后所需要的接力器直徑約285 mm，小于原機組配套的接力器直徑350 mm，故機組接力器在滿足要求的同時還有一定的安全裕量。

（5）增容前后水輪發電機主要技術參數

發電機采用立軸、半傘式結構，密閉空氣循環冷卻方式，在不改變發電機主要部件前提下，增容10%后主要參數如表3所示。

表3 增容10%前后技術參數

（6）增容前、后發電機電磁參數比較

發電機增容10%（由47 MW增至51.7 MW）后，發電機各主要電磁參數對比結果見表4。

（7）增容后水輪發電機電磁參數和有關部件機械受力情況說明

設備制造商家針對機組增容10%后，原發電機定子機座、上、下機架的剛、強度計算分析，定位筋、托塊焊縫應力分析，定子鐵心壓緊系統，主軸應力分析，轉子支架剛、強度復核計算，磁極、磁軛強度應力分析，推力、導軸承，發電機基礎受力情況進行了詳細的計算復核，得出發電機增容10%后，其主要結構件的剛強度均滿足標準要求。

4 結束語

SK水電站水輪發電機組容量由47 MW增容至51.7 MW運行，經論證校核，現有機電設備滿足增容要求，可以有效提高電站的發電效益和水能利用率。

表4 發電機額定工況和增容10%額定工況運行，各主要電磁參數對比表

SK水電站已投入運行接近10年，難免有些機電設備，包括有些關鍵電氣設備各部件已經老化，建議運行管理單位應結合實際采取相應的檢測、試驗工作，以便確保機組增容10%后能夠安全、穩定運行。