貫流式機組擴容增效改造穩定性分析

唐小勇

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司水電科學研究院，廣西 南寧 530000）

百龍灘水電站位于都安瑤族自治縣與馬山縣交界的紅水河中游，為紅水河干流梯級開發的第七級電站，水電站安裝有6臺單機容量為32 MW的燈泡貫流式水輪發電機組[1，2]，總裝機容量192 MW。百龍灘水電站建成投產較早，至今已運行20多年，由于上游梯級電站的投入運行等情況變化，水電站的運行條件發生了較大變化，最大水頭由原來的18 m降低為16 m，電站低水頭運行工況明顯增多。但機組在低水頭段運行振動較大，水頭越低振動越大，越難保證安全穩定運行，機組效率下降，出力嚴重受限[3-5]。電廠為了機組的安全運行禁止在小于5 m的水頭段運行，導致低水頭段大量棄水，發電量損失嚴重，電廠經濟效益降低。為保障電廠安全高效生產，將采用新技術對3號機進行擴容增效改造[6，7]。

1 機組改造基本情況

改造對象主要是轉輪及過流部件。本次改造水輪機維持轉輪尺寸不變，主要變更機組的轉輪室、水輪機轉輪、主軸密封、內導水環等部件。通過優化轉輪構型，同時采用VOD 精煉和數控加工等先進技術，機組出力由32 MW增至33 MW。改造前后水輪機各參數對比見表1。

表1 新舊水輪機參數對比表

新轉輪由槳葉、輪轂體、操作機構和泄水錐組成。輪轂比由0.428縮小為0.38，轉輪有足夠的強度和剛度，能夠承受任何可能產生的作用在轉輪上的最大水壓力、離心力和壓力脈動，在本電站運行條件下，不出現葉片卡阻、進水、超標漏油或其它任何不正常現象。

轉輪室采用厚壁結構,有足夠的剛度和強度，并根據運輸條件決定分瓣，內表面型線與驗收的模型相似，為避免間隙空蝕，轉輪室過流面采用06Cr19Ni10不銹鋼板制造。導水機構除導葉內環外，其余采用原部件。導葉內環球面采用鋼板模壓成型、數控加工。上游和下游側均采用法蘭連接，設有可靠的止漏裝置。

新主軸密封由檢修密封和工作密封組成。該主軸密封結構型式采用電廠原使用的工作可靠的唇邊密封型式，檢修密封采用加壓式實心空氣圍帶結構。

2 機組改造后穩定性分析

為全面分析機組擴容增效改造前后穩定性指標性能，分別在改造前后進行了穩定性試驗（變轉速試驗、變勵磁試驗、變負荷試驗），驗證改造后的各項性能參數是否符合國家行業相關標準和合同保證值，為后續相似機組的擴容增效改造提供技術支持。

2.1 試驗參數

表2 試驗參數

2.2 穩定性試驗結果

穩定性試驗各測點的擺度振動幅值數據和變化趨勢圖分析對比表明：

（1）如表3~表5所示，擴容增效改造后的穩定性試驗檢測結果表明，各測點振動、擺度數值較小，表明機組對中及質量分布情況良好，沒有電磁不平衡現象，水力性能也良好。改造后機組的各項穩定性試驗數據都在標準允許范圍內，且各項數據遠小于標準值，說明新機組穩定性能良好。

表3 改造前后機組變轉速試驗擺度振動數值

表4 改造前后機組變勵磁試驗擺度振動數值

表5 改造前后機組變負荷試驗擺度振動數值

（2）對比分析改造前后各測點的檢測數據，改造后機組的大部分參數明顯優于改造前，結果如圖1所示。機組改造前和改造后水導軸承振動數據變化明顯，改造前水導振動隨負荷增加而增加，當負荷達到30 MW后振動超標，改造后機組的振動基本不受負荷變化的影響。

圖1 改造前后穩定性曲線對比圖

由于百龍灘電站3號機組已經運行了20多年，且上下游的水位變化。根據相關穩定性試驗檢測結果，表明機組的穩定性狀況開始惡化，一部分關鍵部位參數已超標。按相關規程要求，對改造后的3號機組進行了驗收試驗，各項試驗數據良好，均滿足規程要求，機組符合驗收標準。機組試運和并網后，各項技術指標達到設計要求，各部振動、擺度、溫度正常。經過擴容增效改造后，新機組能夠良好的適應新的水文情況，整體的穩定性明顯提升，即使在低水頭、低負荷的振動區間內運行時，各測點的振動擺度值也遠低于國家相關標準值。

3 機組擴容增效改造效果分析

通過對百龍灘電站3號機組轉輪結構進行優化設計和改造，在未改變流道和轉輪室直徑的前提下，增加了機組的過流量，使機組設計出力從32 MW提升至33 MW，適應了新的水文工況，降低了電站的棄水率，提高了電站的經濟效益，改造效果良好。改造后的機組水力性能更加優秀，降低了尾水壓力變化對機組的穩定性的影響，實現了低水頭工況下機組擴容增效的目的，同時也優化了機組的整體穩定性能，提升了機組的效率和出力，振動擺度參數值較改造前也明顯改善。

改造后轉輪輪轂比由0.428縮小為0.38，增加了過流面積，使得轉輪過流能力提高約10%~12%，在相同導葉開度下，出力較原機組增加10%~25%左右，如表6所示。3號機組在水頭9.1 m時，改造后機組出力達到26 MW，相比原機組出力21 MW增加的5 MW，機組出力提升了23%，效率提升約10%；在水頭7.6 m時，改造后機組出力達到20 MW，相比原機組出力16 MW增加的4 MW，機組出力提升了25%，效率提升約11.5%。說明改造后機組不僅出力顯著增加，而且效率明顯提升，創造了良好的經濟效益和社會效益。

表6 改造后機組效率變化數值

4 結 論

（1）機組通過技術改造，不僅解決了機組低水頭振動大，達不到設計出力的問題，提升機組的穩定性，消除原機組的安全隱患，使機組能夠適應經常性運行水頭的變化，特別是低水頭運行時間增多的情況，保障機組安全、可靠運行。

（2）機組通過擴容增效改造，增加機組的過流量，提升機組出力，實現機組低水頭完成出力，機組效率顯著提升，提升了水力資源的利用率。在9.1 m水頭時，機組出力提升23%，效率提升10%；在7.6 m水頭時，機組出力提升25%，效率提升11.5%。

百龍灘電廠3號機的擴容增效改造效果良好，消除了原機組的安全隱患，適應了新的水文情況，提升機組的穩定性，增加了機組的出力和效率，可為相似的貫流式機組改造工作提供參考。