五一橋水電站機(jī)組水輪機(jī)技術(shù)改造探析

金懂性

(廣西水利電業(yè)集團(tuán)新疆克州水利發(fā)電有限公司，新疆 阿克陶 845550)

1 工程概況

五一橋水電站位于雅礱江下游一級(jí)支流九龍河上，與九龍縣城相距45km，與九龍河龍頭水庫溪古電站廠房相距20.5km。五一橋水電站樞紐工程由水電站、供水發(fā)電涵洞、導(dǎo)流泄洪洞、溢洪道等建筑物構(gòu)成，大壩壩型采用碾壓式均值土石壩型式。水輪機(jī)機(jī)組為臥式，裝機(jī)3×44MW，機(jī)組轉(zhuǎn)速500r/min。五一橋水電站所處流域干流為山區(qū)性河流，泥沙含量較大，年平均泥沙含量達(dá)0.594kg/m3。水電站在建設(shè)過程中所配備的水輪發(fā)電機(jī)組高水頭，大容量，并主要采用HLD74-LJ-390型水輪機(jī)設(shè)備。考慮到該水電站建站期間方案設(shè)計(jì)以及主要設(shè)備安裝方面均缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)水平較低，造成水輪機(jī)在運(yùn)行過程中泥沙含量較高，機(jī)組運(yùn)行過程中頻繁出現(xiàn)振動(dòng)，轉(zhuǎn)輪以及導(dǎo)葉等主要運(yùn)行部件空蝕，過流元件嚴(yán)重磨蝕，軸承與導(dǎo)葉密封不嚴(yán)進(jìn)而引發(fā)十分嚴(yán)重的漏水問題，2005-2010年多次進(jìn)行的停機(jī)檢修也未能使水輪機(jī)機(jī)組達(dá)到安全可靠運(yùn)行的要求。

根據(jù)HLD74-LJ-390型水輪機(jī)特性曲線，設(shè)備額定工效為85.8%，為進(jìn)行水輪機(jī)擴(kuò)容，必須進(jìn)行效率修正，但水電站HLD74-LJ-390型水輪機(jī)加工水平不高，出于尺寸效應(yīng)、工藝水平等所限，其效率修正幾乎是難以實(shí)現(xiàn)的(原水輪機(jī)參數(shù)情況詳見表1)。HLD74-LJ-390型水輪機(jī)單位設(shè)計(jì)流量過大(1.42m3/s)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出4%的出力限制，所以，水電站實(shí)際運(yùn)行很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求的過流流量，水輪機(jī)機(jī)組長期運(yùn)行于低負(fù)荷區(qū)域，難以充分發(fā)揮水能，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行安全和水電站經(jīng)濟(jì)效益的順利發(fā)揮，為此必須進(jìn)行五一橋水電站機(jī)組水輪機(jī)技術(shù)改造。

表1 原水輪機(jī)參數(shù)情況匯總

按照設(shè)計(jì)要求，在進(jìn)行五一橋水電站擴(kuò)容改造時(shí)，主要對水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速器等埋入部件以外的主體部件進(jìn)行全部更換，在此過程中，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

2 水電站機(jī)組水輪機(jī)技術(shù)改造設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)輪改造設(shè)計(jì)

2.1.1 轉(zhuǎn)輪長短葉片組合

借鑒同等規(guī)模水電站轉(zhuǎn)輪改造設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，低比速長葉片轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口半徑差距較大，在哥氏力的影響下，相鄰葉片間水流流速分布呈現(xiàn)不均勻性，在低荷載運(yùn)行工況下，引發(fā)轉(zhuǎn)輪葉片正面水流流速轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)流速的極端情況的可能性很大，負(fù)流速必然引起渦流，加劇水輪機(jī)振動(dòng)，使水輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)輪實(shí)際運(yùn)行效率大大降低[1]。按照五一橋水電站機(jī)組水輪機(jī)改造設(shè)計(jì)報(bào)告，選用型號(hào)為ZZ560-LH-500的立軸、蝸殼軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，并通過在水輪機(jī)相鄰葉片間接近進(jìn)口處添加短葉片的方式確保葉片出口寬度不變的情況下，進(jìn)口處寬度減小，通過長短葉片的組合提高轉(zhuǎn)輪運(yùn)行的穩(wěn)定性和工效。在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造的過程中，若包括蝸殼、座環(huán)及尾水管等在內(nèi)的埋入件不變，則固定導(dǎo)葉的高度也無需調(diào)整，而對于活動(dòng)導(dǎo)葉，由于其進(jìn)出口之間存在一段增加導(dǎo)葉高度的斜坡，會(huì)引起過流面積的擴(kuò)散而增大水力損失。所以，五一橋水電站轉(zhuǎn)輪導(dǎo)葉高度應(yīng)按考慮水頭擴(kuò)散損失的水頭導(dǎo)葉高度設(shè)計(jì)[2]。

為防止短葉片添加后過流量的減小，將五一橋水電站機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪19個(gè)葉片改成15個(gè)短葉片+15個(gè)長葉片，為防止哥氏力作用引起轉(zhuǎn)輪正反面流速不同而增加水力損失(圖1(a))，應(yīng)將短葉片出水邊靠近前部長葉片(圖1(b))，增加出水邊正面水流流速而消除哥氏力作用，同時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)正曲率半徑導(dǎo)葉改為偏心負(fù)曲率導(dǎo)葉，使其在水力矩的作用下，產(chǎn)生自關(guān)閉傾向，提高導(dǎo)葉運(yùn)行的安全性，增強(qiáng)密封效果。考慮到A351水輪機(jī)在當(dāng)前國內(nèi)水電站常用的高水頭混流式水輪機(jī)中性能優(yōu)良，所以五一橋水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在選用A351的基礎(chǔ)上進(jìn)行改型設(shè)計(jì)。按照先長葉片再短葉片的次序設(shè)計(jì)，在長葉片翼型的前2/3處厚度相等，后1/3開始逐漸變薄，其翼型與短葉片相同，長度為短葉片的2-3倍。通過流場分析軟件所預(yù)測得轉(zhuǎn)輪直徑500mm，試驗(yàn)水頭25mm的情況下轉(zhuǎn)輪參數(shù)詳見表2。

(a) (b)

表2 五一橋水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪參數(shù)

由表2試驗(yàn)結(jié)果可知，A351轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)后工效可達(dá)94.3%，100%負(fù)荷下水輪機(jī)裝置水頭空蝕系數(shù)0.044，限制工況下流量可達(dá)298L/s，符合五一橋水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì)的效率要求。

2.1.2 擴(kuò)容改造水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪參數(shù)

根據(jù)五一橋水電站擴(kuò)容改造水輪機(jī)綜合特性，水輪機(jī)額定出力點(diǎn)效率較高，高低水頭之間的出力點(diǎn)設(shè)置在高功效區(qū)域，保證水輪機(jī)加權(quán)平均工效達(dá)到最大。結(jié)合類似機(jī)組規(guī)模水電站的擴(kuò)容改造經(jīng)驗(yàn)，為防止水輪機(jī)在不穩(wěn)定區(qū)域運(yùn)行，高低水頭之比應(yīng)控制在1.30以內(nèi)，五一橋水電站擴(kuò)容改造后高低水頭之比為11.34∶9.01<1.30，所以選擇ZZ560-LH-500水輪機(jī)滿足五一橋水電站擴(kuò)容增效改造設(shè)計(jì)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪參數(shù)詳見表3。

表3 擴(kuò)容改造水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪參數(shù)

根據(jù)五一橋水電站設(shè)計(jì)技術(shù)文件，其水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉中心安裝高程2150.5m，尾水高程2154.7m，可以按下式確定水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪吸出高程允許值：

(1)

式中：Hn為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪吸出高程允許值，m；E為尾水高程，m；K為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪名義吸出高程，m，取K=0.65；σe為額定水頭，m；Hr為轉(zhuǎn)輪直徑，m。計(jì)算出水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪吸出高程允許值為-3.29m，ZZ560-LH-500水輪機(jī)擴(kuò)容增效后滿足安裝高程設(shè)計(jì)要求，還能適應(yīng)混凝土蝸殼和尾水管擴(kuò)散口的水流流速，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能水頭損失的最小化。

2.2 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該水電站原水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪調(diào)整角度的過程主要借助銷子定位完成，調(diào)整存在很大難度，準(zhǔn)確度和可靠性差，故在水輪機(jī)技術(shù)改造的過程中，提倡使用5葉片轉(zhuǎn)輪并焊接，以確保結(jié)構(gòu)調(diào)整后達(dá)到運(yùn)行準(zhǔn)確度以及可靠性等方面的要求。為保證流道相似，還必須采取相應(yīng)措施使轉(zhuǎn)輪體轉(zhuǎn)變成錐形結(jié)構(gòu)[3]。結(jié)合類似工程優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)引入耐空蝕、抗磨蝕屬性和焊接性能優(yōu)異的PK-YBG317 0Cr16Ni5Mo型葉片，同時(shí)按照三坐標(biāo)形式加工處理，以優(yōu)化葉片幾何形狀。五一橋水電站機(jī)組水輪機(jī)原軸承主要使用的是浸油筒型式的稀油潤滑軸承，該軸承結(jié)構(gòu)簡單，性能一般，其所配置的主要元件無法為水輪機(jī)運(yùn)行自動(dòng)化監(jiān)測提供條件，為此，該水電站機(jī)組水輪機(jī)軸承結(jié)構(gòu)在技術(shù)改造時(shí)改用便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測的稀油潤滑筒式軸承，其結(jié)構(gòu)剖面具體見圖2。

圖2 水輪機(jī)稀油潤滑筒式軸承結(jié)構(gòu)剖面

由剖面圖可知，稀油潤滑筒式軸承結(jié)構(gòu)在主軸下部設(shè)置了密封裝置，能有效防止下游水位升高導(dǎo)致軸承進(jìn)水，此外，改進(jìn)后的軸承結(jié)構(gòu)采用的是活塞和空氣圍帶結(jié)合作用型式，有效避免了軸承進(jìn)水和機(jī)組檢修的難題。

五一橋水電站原機(jī)組并未在尾水椎管設(shè)置補(bǔ)氣裝置，機(jī)組長期運(yùn)行于低負(fù)荷情況下很容易出現(xiàn)氣蝕和振動(dòng)，在此次技術(shù)改造過程中，于機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中心體位置增設(shè)φ150圓盤形補(bǔ)氣閥裝置(圖2)，從而有效解決水輪機(jī)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行的氣蝕與振動(dòng)。

3 結(jié) 論

在對五一橋水電站機(jī)組水輪機(jī)擴(kuò)容改造后，水輪機(jī)機(jī)組在投入運(yùn)營后的第一年共運(yùn)行18384.57h，年總發(fā)電量達(dá)54970萬kW，且運(yùn)行穩(wěn)定性顯著提高，機(jī)組軸承擺度值改造后降低至0.25mm，縱向和橫向振動(dòng)值均保持在0.02mm以內(nèi)，尾水管壓力脈動(dòng)不超過0.05MPA，五一橋水電站機(jī)組水輪機(jī)擴(kuò)容改造的成功實(shí)踐可為類似水電站水輪機(jī)技術(shù)改造提供借鑒參考。