石頭河水庫水電站1號機(jī)組改造方案研究

崔婭茹

(楊陵區(qū)水務(wù)局, 陜西 楊凌 712100)

1 概 況

石頭河水庫樞紐工程位于陜西省眉縣西南15 km的石頭河干流上, 原設(shè)計工程任務(wù)是以防洪、灌溉為主,結(jié)合水力發(fā)電的綜合樞紐工程。水庫壩后水電站裝機(jī)容量1.85萬kW(1×6 500 kW+2×5 000 kW+1×2 000 kW四臺機(jī)組),于1991年建成發(fā)電;其中1#機(jī)組裝機(jī)6 500 kW立式機(jī)組,屬低水頭運行,按照當(dāng)時水庫運行方式,選定水頭運行范圍40～65 m,在當(dāng)時的運行模式下是符合的,而現(xiàn)在隨著社會的發(fā)展,水庫的功能和運行方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐猿鞘泄┧疄橹?結(jié)合水力發(fā)電,水庫處于高水位的運行的時段增加,壩后1#機(jī)組35～70 m的水頭運行范圍偏窄,造成年利用小時數(shù)偏低,機(jī)組效益難于正常發(fā)揮,特別是在豐水年份,水庫處于高水位時,1#機(jī)無法運行,產(chǎn)生大量棄水,造成水力資源和設(shè)備資源的浪費,電站經(jīng)濟(jì)收入降低。2014年,利用國家小水電增效擴(kuò)容的改造機(jī)遇,石頭河水庫管理局組織對1#機(jī)組實施了技術(shù)改造,在水電站機(jī)組基礎(chǔ)和蝸殼、座環(huán)不動的情況下,通過對機(jī)組的局部改造,實現(xiàn)了機(jī)組適用水頭的提高,達(dá)到增效擴(kuò)容改造的目的,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。

2 1#機(jī)組改造的思路及方法

壩后水電站裝機(jī)共有1×6 500 kW、2×5 000 kW和1×2 000 kW四臺機(jī)組,多年平均發(fā)電量5 305 kW·h,年利用小時數(shù)3 215 h。在1#機(jī)組改造前設(shè)計水頭為52 m,適應(yīng)水頭范圍35～70 m。經(jīng)過對歷年的水庫調(diào)度運行數(shù)據(jù)分析,水庫多年平均運行水頭為70.3 m,經(jīng)過水文分析計算,確定改造后的1#機(jī)組設(shè)計水頭為70 m,改造前后主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 1#機(jī)組改造前后主要技術(shù)參數(shù)對比

通過改造,在裝機(jī)容量不變的情況下,調(diào)整1#機(jī)水輪發(fā)電機(jī)組的工作水頭范圍,以滿足水庫現(xiàn)行的運行方式,適應(yīng)水庫水頭變化的區(qū)間;消除機(jī)組現(xiàn)有的缺陷,提高機(jī)組效率。改造過程中,盡可能地在保持原水輪機(jī)流道尺寸、預(yù)埋部件保持不變,減小基礎(chǔ)層的改造范圍,降低工程造價[3]。主要工作內(nèi)容包括:機(jī)組選型;現(xiàn)有壓力管道、水輪機(jī)組蝸殼銹蝕情況檢測及允許設(shè)計值分析計算;調(diào)節(jié)保證復(fù)核等項工作。

3 1#水輪機(jī)改造的選型方案

根據(jù)壩后水電站1#發(fā)電機(jī)組的特點及水庫調(diào)度運行的現(xiàn)狀,經(jīng)過征詢多家機(jī)組制造廠家,反復(fù)計算比較,確定在電站壓力鋼管、蝸殼、尾水管等原基礎(chǔ)不變的情況下,通過更換轉(zhuǎn)輪、保持原水輪機(jī)通流部件基本不變,以最經(jīng)濟(jì)的手段達(dá)到水輪機(jī)組的改造目標(biāo)。對水輪發(fā)電機(jī)組改造,考慮改造工期對發(fā)電供水的影響,加之發(fā)電機(jī)組長期運行,存在絕緣老化、推力瓦燒瓦等隱患問題,確定對發(fā)電機(jī)組部分進(jìn)行整體更換,對于1#機(jī)組的發(fā)電機(jī)改造不進(jìn)一步論述,本文重點對水輪機(jī)部分的改造進(jìn)行論述。

3.1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的選型

轉(zhuǎn)輪是整個水輪機(jī)的核心部件,轉(zhuǎn)輪的性能決定著水輪機(jī)性能的優(yōu)劣[2]。石頭河水庫壩后電站改造前1#機(jī)組的水輪機(jī)型號為HL220-LJ-140型,其水輪機(jī)額定出力為7 000 kW,發(fā)電機(jī)額定功率為6 500 kW,水輪機(jī)水頭范圍為35-52-70 m,設(shè)計水頭為52 m,設(shè)計流量為15.8 m3/s,額定轉(zhuǎn)速為375 r/min,吸出高度Hs=-2.5 m,水輪機(jī)安裝高程為710.56 m。

電站改造后,水輪機(jī)設(shè)計水頭由原來的52 m提高到70 m,最高水頭Hmax=88 m,最低水頭Hmin=50 m,使得原來水輪機(jī)的運行工況變得較差,效率變低,氣蝕性能變壞,在最高水頭88 m時甚至無法運行。因此電站要求根據(jù)水頭的變化選用性能優(yōu)異的轉(zhuǎn)輪[2]。

原HL220-46型轉(zhuǎn)輪是我國上世紀(jì)50-60年代使用的85 m水頭段轉(zhuǎn)輪,其最高效率為92%,最優(yōu)工況單位轉(zhuǎn)速為70 r/min,最優(yōu)單位流量為1 000 L/s,限制工況單位流量1 120 L/s,效率為88.8%,氣蝕系數(shù)0.134,其性能已落后。承擔(dān)1#機(jī)組改造任務(wù)的設(shè)備廠商為南寧廣發(fā)重工集團(tuán)有限公司,廠家推薦采用HLA855a-LJ-140型轉(zhuǎn)輪代替原轉(zhuǎn)輪,該型號的轉(zhuǎn)輪是哈電100 m水頭段新型轉(zhuǎn)輪,其最高適應(yīng)水頭可達(dá)180 m,具有效率高,氣蝕和穩(wěn)定性好等特點。新型轉(zhuǎn)輪采用鑄焊結(jié)構(gòu),材料為ZG0Cr16Ni5Mo不銹鋼,葉片、上冠和下環(huán)經(jīng)粗加工后焊為一體,退火后進(jìn)行精加工,在廠里進(jìn)行靜平衡試驗,轉(zhuǎn)輪型線符合國標(biāo)要求。更換轉(zhuǎn)輪后,其最優(yōu)工況模型效率為95.1%,最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速67.5 r/min,最優(yōu)單位流量578 L/s。經(jīng)過選型計算,水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速定為428.6 r/min。改造前后水輪機(jī)主要參數(shù)比較見表2。

表2 壩后水電站1號水輪機(jī)改造前后參數(shù)對照表

通過改造前后兩種轉(zhuǎn)輪的參數(shù)對比可見,改造后的機(jī)組的水頭適用范圍明顯提高,改造前的額定水頭為52 m,額定流量為15.8 m3/s,改造后,額定水頭調(diào)整為70 m,相應(yīng)的額定流量為10.96 m3/s,改造后機(jī)組會以更小的流量達(dá)到額定出力。同時,機(jī)組的效率由改造前的90.87%提高到改造后的94.44%,效益提高明顯。

3.2 水輪機(jī)安裝高程復(fù)核

1#機(jī)組安裝高程710.56 m。根據(jù)HLA855a模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線,查得各種水頭對應(yīng)的氣蝕系數(shù),分別計算最大水頭、最小水頭、額定水頭工況下的吸出高度Hs有安裝高程,見表3,計入1/2導(dǎo)葉高度b0/2=163.8 mm導(dǎo)葉高度。

表3 1#機(jī)組不同工況吸出高度統(tǒng)計表

Hs=10.0-Δ/900-KσH,K取1.8(設(shè)備廠家推薦)

根據(jù)以上計算結(jié)果,各工況安裝高程均高于現(xiàn)狀水輪機(jī)安裝高程。Hs≤+2.5 m(對應(yīng)安裝高程≤715.993 m),原水輪機(jī)吸出高度為-2.5 m,因此,HLA855a水輪機(jī)滿足原水輪機(jī)安裝高程。

3.3 HL220-LJ-140與HLA855a-LJ-140流道對比

(1)確定蝸殼進(jìn)口流速。1#蝸殼的進(jìn)口半徑為946 mm,進(jìn)口面積為2.81 m2,原轉(zhuǎn)輪額定出力時的流量為15.8 m3/s,計算得進(jìn)口流速為5.62 m/s;更換后的轉(zhuǎn)輪HLA855a額定流量為10.79 m3/s,計算的進(jìn)口流速為3.84 m/s;改造后的蝸殼進(jìn)口流速降低,流速的變化不會造成水力損失的增加,所以原蝸殼水力條件滿足要求。

(2)導(dǎo)葉高度對比。HL220的導(dǎo)葉高度比b0/D1=0.25,而HLA855a的導(dǎo)葉高度比為b0/D1=0.234,即改造前導(dǎo)葉高度為350 mm,改造后為330 mm。因為整個導(dǎo)水機(jī)構(gòu)都要進(jìn)行更換,可以通過加高頂蓋尺寸來滿足330 mm的導(dǎo)葉高度。

(3)尾水流道對比。將改造前后的尾水流道進(jìn)行對比,除擴(kuò)散段出口寬度差別較大外,其余尺寸差別不大。原機(jī)組擴(kuò)散段出口斷面面積為6.21 m2,改造后機(jī)組擴(kuò)散段出口斷面面積為8.08 m2。在額定出力情況下,改造前后兩者的出口流速分別為1.74 m/s和1.34 m/s,流速變化不大,均小于2 m/s,水頭損失不大,見表4。

新轉(zhuǎn)輪下環(huán)比原轉(zhuǎn)輪高87 mm,下環(huán)出口直徑比原轉(zhuǎn)輪小約51.3 mm,因此需要在錐管的內(nèi)側(cè)加一個里襯,其上端為一環(huán)板,在工廠里加工好,到工地焊在座環(huán)與轉(zhuǎn)輪下環(huán)相對的平面,環(huán)板的上端平面作工地安裝時支撐轉(zhuǎn)輪用。在環(huán)板的內(nèi)側(cè)至原錐管出口處設(shè)錐形里襯,采用12 mm厚Q235-A鋼板,分4瓣,在接縫處設(shè)有立筋,與原錐管和新設(shè)的里襯三者焊為一體,中間加混漿加固。在進(jìn)人門處重新配割并施焊,以保證水流光滑過渡。

4 調(diào)節(jié)保證計算

1#機(jī)組改造后,發(fā)電水頭范圍由原來的35-52-70 m調(diào)整為50-70-88 m,發(fā)電水頭有了較大地提高,電站的運行方式也有了很大的變化,改造后最大的變化就是在最大水頭工況下,3臺機(jī)組可同時運行,而改造前在高水位的情況下,1#機(jī)組不運行,僅2#、3#機(jī)組兩臺可同時發(fā)電。原有的機(jī)組運行方式隨之變化。為了確保改造后的電站安全穩(wěn)定運行,需要根據(jù)實際狀況,對不同工況下的水力過渡過程進(jìn)行分析計算,以確保水力過渡過程中鋼管壓力上升值和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率在調(diào)節(jié)保證規(guī)范允許范圍。

4.1 對原壓力鋼管、機(jī)組蝸殼承壓值進(jìn)行檢測與復(fù)核

石頭河水庫壩后電站1#-3#機(jī)組于1991年建設(shè)發(fā)電,1#機(jī)組鋼管設(shè)計管徑Φ2 000 mm、材質(zhì)Q235A、厚度16 mm,2#、3#機(jī)組鋼管設(shè)計直徑Φ1 200 mm、材質(zhì)Q235A、厚度18 mm。石頭河水電站建成運行已近30年,壓力鋼管,蝸殼存在局部銹蝕在所難免。在機(jī)組改造過程中,為了及時了解壓力管道的銹蝕情況,委托水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測中心對水輪機(jī)組蝸殼和鋼管內(nèi)壁銹蝕程度進(jìn)行了檢測。從檢測報告試驗分析結(jié)果來看,1#機(jī)級蝸殼和下游鋼管銹蝕比較嚴(yán)重,銹包打磨后可見Φ3～8 mm的蝕坑,最大銹蝕深度達(dá)2.5 mm,蝕余厚度13.5 mm,以目前實際鋼板厚度反算后,最大承壓為1.3 MPa。

依據(jù)DL/T5141-2001《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》按照明管進(jìn)行計算,焊縫系數(shù)0.95,容許應(yīng)力就0.496σs,依據(jù)SL281-2003《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》,焊縫系數(shù)0.95,容許應(yīng)力0.44σs,考慮到以后鋼管運行情況銹蝕不能準(zhǔn)確估計,偏安全采用后一種計算結(jié)果。分別以鋼管實際壁厚、在現(xiàn)有壁厚的基礎(chǔ)上考慮2 mm的銹蝕計算鋼管的承壓能力如下:

1#機(jī)組鋼管以目前實際壁厚計算的最大承壓力為1.32 MPa,再考慮2 mm的銹蝕能夠承受的最大壓力為1.13 MPa。

2#機(jī)組鋼管以目前實際壁厚計算的最大承壓力為2.72 MPa,再考慮2 mm的銹蝕能夠承受的最大壓力為1.13 MPa。

4.2 調(diào)節(jié)保證計算復(fù)核主要結(jié)論

石頭河水庫水電站引水系統(tǒng)按“一洞四機(jī)”布置。1#機(jī)-4#機(jī)引水部分長度分別為497.65 m,502.63 m,506.65 m和531.69 m。按照壩后電站引水隧洞、壓力鋼管軸線布置,對水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化。調(diào)保計算按輸水隧洞最大流量28.21 m3/s計算;其中4#機(jī)組按低水頭模式運行,額定水頭58 m,水頭范圍70～35 m,70 m以上水頭時4#機(jī)級主閥須關(guān)閉。依據(jù)DL/T5186-2004《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計規(guī)范》,機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率≤60%。

按照1#機(jī)蝸殼末端最大水壓≤101.0 m,2#、3#蝸殼末端最大水壓≤105.0 m,4#機(jī)蝸殼末端最大水壓≤91.0 m,經(jīng)過對導(dǎo)葉的關(guān)閉方式優(yōu)化,進(jìn)行調(diào)保計算復(fù)核結(jié)論為:1#機(jī)導(dǎo)葉采用一段直線關(guān)閉(y=100%-0%)Ts=35 s,蝸殼末端絕對壓力上升值99.87 m,機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率為59.48%,尾水管進(jìn)口最小壓力值1.28 m;2#(3#)機(jī)導(dǎo)葉采用拆線型關(guān)閉方案,第一段關(guān)閉區(qū)間為(y=100%-70%)Ts1=7 s;第二段關(guān)閉區(qū)間為(y=70%-0%)Ts2=14 s;拐點(第一段關(guān)閉結(jié)束,第二段關(guān)閉開始)Y12=0.7,蝸殼末端絕對壓力上升值99.94(99.86)m,機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率為55.44%(55.48%),尾水管進(jìn)口最小壓力值+0.78 m(+0.28 m);4#機(jī)采用拆線關(guān)閉規(guī)律,第一段關(guān)閉區(qū)間(y=100%-40%)Ts1=3.5 s,第二段關(guān)閉區(qū)間(y=40%-0%)Ts2=10 s,拐點(第一段關(guān)閉結(jié)束,第二段關(guān)閉開始)Y12=0.4。蝸殼末端絕對壓力上升值89.81 m,機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率為57.37%,尾水管進(jìn)口最小壓力值-4.77 m。通過以上復(fù)核值可見,在優(yōu)化后的導(dǎo)葉關(guān)閉方式下,有效的克服了水電站水力過渡過程中水擊壓力升高和機(jī)組轉(zhuǎn)速升高這一對矛盾,可滿足了最不利工況下的調(diào)節(jié)保證要求。

鑒于現(xiàn)有條件的限制,其中對壓力管道未進(jìn)一步改造,在下一步的運行管理中,要充分重視定期對壓力鋼管的檢測,利用檢修期對管道進(jìn)行防護(hù)保養(yǎng),減小鋼管的表面腐蝕,延長管道使用壽命,保證電站的運行安全。

5 改造后機(jī)組的運行情況及效益

石頭河水電站1#機(jī)級改造后,自2016年10月投運以來,一舉改變了1#機(jī)在汛期高水位下不能發(fā)電的的歷史,有效利用棄水發(fā)電,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益,今年,隨著引紅濟(jì)石調(diào)水工程的建成通水,水庫在高水位模式下運行的機(jī)率進(jìn)一步提高,1#機(jī)的效益將更加顯現(xiàn)。

6 結(jié) 語

隨著國家水電站增效擴(kuò)容改造工程的實施,提高老舊水電站技術(shù)水平和綜合能效,促進(jìn)安全運行,是水電站改造的必然趨勢。其中,水力發(fā)電設(shè)備改造是在電站廠房設(shè)施、機(jī)組基礎(chǔ)不改動的情況下進(jìn)行,是水電站立式機(jī)組改造的重點,石頭河水庫壩后水電站1#機(jī)組改造通過更換現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪、更換活動導(dǎo)葉等措施,實現(xiàn)了電站適用水頭的提高,減小引水流量,提高機(jī)組效率,達(dá)到增加發(fā)電量的目的,對今后我省中小型水電站機(jī)組改造技術(shù)研究和應(yīng)用,特別是老電站機(jī)組改造,具有十分重要的參考意義。