九子溪电站水轮机增容改造.docx

九子溪电站水轮机增容改造钢1权先璋2田成东3张进锐3吴(1. 华中科技大学 动力工程系, 湖北 武汉 430074; 2. 华中科技大学 水利电力及自动化工程系, 湖北 武汉 430074;3. 远安县水电管理公司, 湖北 远安 444200)摘要: 介绍了为九子溪电站水轮机增容研制的新型转轮. 实际运行结果表明, 在电站工况不变和未采取其他措施情况下, 新转轮使原机组功率增容相对幅值达 15. 3 %. 机组在不利的小负 荷工况下运行近 4 000 h , 未见磨蚀痕迹, 抗空蚀、抗磨蚀性能优于原转轮, 新转轮完全可替代老的 hl 702 型号水轮机转轮.关键词: 水轮机改造;中图分类号: t k 73混流式转轮;增容文献标识码: ab. 水轮机磨损、空蚀破坏严重. 由于电站地理位置条件的限制, 电站引水建筑无沉砂池, 过机 水质极差, 加上水轮机转轮抗空蚀性能不好, 水轮 机主要过流部件磨蚀严重. 修复后的转轮运行不 到 3 个月, 机组输出功率就下降了 4 % , 说明泥沙磨损和空蚀破坏已严重影响机组正常安全运行.为了不影响电站生产, 电站为两台水轮机配备了7 个备用转轮以满足机组运行需要; 平均每年有 2个转轮需进行大面积补焊修复, 电站为此耗费了 大量的财力和人力.为确保电站设备安全运行, 充分利用已开发 的水力资源, 提高经济效益, 迫切需要利用现代水电科技成果和实践经验对水轮机进行技术改造.1 电站基本情况1. 1基本参数九子溪电站为小型引水式电站, 装有两台功率 为 0.630 m w 水 轮 发 电 机 组. 电 站 引 用 流 量4. 5 m 3 s, 水轮机实际工作水头 40. 5 m , 机组年运行 5 500 h 以上. 水轮机型号 hl 2202w j 250, 额800 m w , 额定流量 2. 06 m 3 s, 额定水定功率 0.头 55 m. 发电机型号 t sw n 2994426, 额定功率0.630 m w , 电压 6. 3 kv , 电流 72. 2 a , 功 率 因数 0. 8, 额 定 转 速 1 0001 800 rpm.1. 2存在的主要问题rpm , 最 大 飞 逸 转 速电站增容改造方案2九子溪水电站已运行 20 多年, 虽然两台机组的发电机进行过较大的维修改造, 老化问题得以 缓解, 但机组仍存在两个主要问题:a. 机组功率长期达不到额定功率值. 机组历九子溪电站技术改造可行性研究得出的结论认为, 九子溪电站机组增容技术改造的主要措施 应针对电站实际工况选择或研制新转轮, 以更换 老转轮, 达到改善水轮机抗空蚀抗磨蚀性能, 提高机组功率的目的.2. 1 转轮综合特性参数分析2. 1. 1 老转轮综合特性分析hl 702 转轮是我国早期引进的前苏联的转 轮. 水轮机水力设计技术的不断进步、大量运行经 验及事实说明该转轮的能量特性和抗空蚀特性均史最大输出功率为 0.556 m w , 机组实际功率长期只有额定功率的 86% , 为 0. 542 m w ; 最差的 2号机组功率仅为额定功率的 81% , 即0. 510 m w ,远小于机组额定功率 0.630 m w .水轮机的实际工作水头为 40. 5 m , 按常规计算方法校验电站机组在现水头下运行的最大输出功率也仅为 0. 560左右, 这说明在现运行水头下, 采用原型号m w水轮机, 机组最大功率只能达到0. 556 m w .收稿日期: 2000204225.作者简介: 吴 钢 (19582) , 男 (汉族) , 湖北武汉人, 华中科技大学副教授.38水 电 能源 科 学2000 年较落后, 许多采用该型号转轮的水轮发电机组未能充分利用电站的水力资源, 且转轮空蚀破坏严 重. hl 702 转轮的主要特性参数为: 相对导叶高针对九子溪电站实际情况, 新转轮的基本设计指导思想是: 适当提高转轮的单位转速和单位 流量, 满足电站水轮机实际运行工况条件; 将转轮 的高效区向高单位转速和大单位流量区域移动, 保证转轮的额定负荷工况运行区为高效率运行区; 由于新转轮的单位流量与 hl 702 转轮相比,其相对幅值提高了 12. 5 % , 因而必须提高新转轮 的抗空蚀、抗磨损特性, 优化转轮流道内流速分 布, 其中, 设计优秀的翼型是新转轮设计的技术难点2 .度b0 = 0. 25, 最优单位转速 n 110 = 70 rpm , 最优单0 m 3 s, 限 制 单 位 流 量 q 11m ax =位 流 量 q 110 = 1.1. 12 m 3 s.2. 1. 2电站实际工况下要求新转轮的特性参数当水轮机工作水头 h 为 40. 5 m 时, 单位转 速 n 11 为 78. 57 rpm ; 当 机 组 功 率 p 为 0. 630m w , 暂设定水轮机效率在原水轮机的效率85 %上提高 1 % , 为 86 % , 工作水头仍为 40. 5 m单位流量 q 11 应为 1. 26 m 3 s.时,2. 3提高转轮特性的其他措施在转轮改型设计中除了要设计较为优秀的叶片外, 还应采取以下措施:a. 取消上冠减压孔. 这样既可改善转轮叶片 出口水流流态, 消除水流对转轮特性的影响, 还可减轻含砂水流对转轮上冠密封的磨损. 但在采取 此措施时, 应特别注意水轮机主轴密封的可靠性 问题, 如果主轴密封已受损, 必须对主轴密封进行 修复, 以保证其安全运行.与 hl 702 转轮特性参数比较, 电站增容所需的新转轮在水轮机实际运行工况下, 单位转速提 高的相对幅值达 12. 24 % , 单位流量提高的相对 幅值达 12. 5 % , 效率提高达 1 %. 根据九子溪电站实际运行工况和计算, 比较现有同档次或相近 档次混流式转轮特性参数, 以及目前国内优秀混 流式转轮水力设计水平, 经统计分析, 确定九子溪b.c.13 片.d.等等.适当增加叶片轴面流线长度.减少转轮的叶片数, 由原来的 14 片减至电站水轮机转轮水力参数为: 相对导叶高度b0 =0. 25, 最优单位转速 n 110 = 78 rpm , 最优单位流量q 110 = 1. 26 m 3 s.目前执行的中小型轴流式混流式水轮机转 轮系列型谱中无满足九子溪电站减振、改善水轮 机空蚀特性及增容要求的水轮机转轮, 研制新型 转轮是九子溪电站水轮机改造切实可行的途径.2. 2新转轮的基本设计思想对于已建电站, 在不改变水轮机通流部件尺 寸 的 条 件 下, 由 水 轮 机 功 率 计 算 公 式 p t =转轮制作材料采用不锈钢 0c r13n i5m o ,由于受改造经费、改造时间和电站当年生产任务等诸多因素的影响, 九子溪电站水轮机改造主要 以更换转轮为主, 其他技术改造措施均未实施.改造前后实测结果对比分析30. 00 981d 2q 11hh t 知, 当 d 和 h不变, 增加电站水轮机更换新转轮后, 进行了改造前后对比技术测试. 为了节省测试费用, 水轮机改造前 后特性对比测试用的各种仪器仪表均采用电站运 行仪器仪表, 虽然其精度不太高, 但对进行相对对 比测试来说, 测试数据完全可以说明机组技术改 造结果 (见表 1).由表 1 测试数据绘制的功率 p 与开口 a 0 关 系曲线 ( 见图 1) 可以看出, 更换新转轮后, 1 号机的减荷过程测试曲线 1 和增荷过程测试曲线 2 的 起始点基本重合, 测试结果的重复性很好, 测试结 果是可信的.在改造设计中, 按新转轮的设计技术参数对 原水轮机导水机构的最大开口进行了核算, 原导 水机构最大开口接近新转轮的运行要求, 但要达到机组额定功率 0. 630 m w 的设计指标, 估计需水轮机功率只有两个途径: 一是提高水轮机效率t , 二是提高转轮的单位流量 q 11. 近年来, 混流式 转轮模型效率有所提高, 一般提高为0. 01 0. 03, 但只靠提高模型效率是难以满足电站实际增容相对幅值达 10 % 以上的需要. 因此, 增加水轮机转轮的单位流量是水轮机增容改造的主要措施. 增 加单位流量, 势必增加水轮机的过流量, 由于引水 系统和水轮机主要通流部件尺寸未变, 水力损失也就必然会增加, 增容后水轮机单位千瓦耗水率 成为电站所关心的技术指标; 另外, 流量增加, 水 流流速增大, 对水轮机抗空蚀和抗磨损特性有很 大的负面影响. 水轮机技术改造, 既要求增容, 又 要求耗水率小, 还要有较好的水轮机抗磨损、抗空蚀特性, 电站增容改造对水轮机新转轮提出了更 高的技术要求1 .39第 18 卷第 4 期吴 钢等: 九子溪电站水轮机增容改造表 11 号机更换转轮后的减、增荷测试数据及数据处理总表流量(m 3 s- 1 )工 相对导叶开口%况导叶开口mm机组有功功率m w电站毛水头m发电机效率%机组段效率%号减荷增荷减荷 增荷减荷增荷减荷增荷减荷增荷减荷增荷减荷增荷123456794807060503520920355060758083. 18 12. 4380. 66 25. 3374. 05 40. 7564. 56 55. 1056. 57 63. 1842. 84 77. 0825. 98 80. 270. 6200. 6100. 6000. 5400. 4500. 3250. 1600. 0000. 0100. 1300. 3000. 3900. 5300. 57042. 99343. 00443. 02943. 261. 9821. 9561. 9371. 7981. 5911. 2400. 8220. 7791. 1871. 4151. 7721. 8620. 920. 920. 920. 9180. 900. 8730. 770. 720. 8650. 8850. 9180. 920. 73940. 73910. 73400. 71200. 67000. 62000. 46000. 3930. 5960. 6500. 7070. 7240. 743 43. 026 43. 25543. 043 43. 20843. 078 43. 12543. 1343. 112 8 5 95 8. 77 83. 39 0. 000 0. 620 43. 042 1. 975 0. 920 明新转轮的增容效果很好.由测试结果 ( 表 1) 和图 1 曲线 2 可以看出, 改造后 1 号机的增荷过程曲线在大开口处保持继 续上升的趋势, 说明水轮机功率还未达到最大值, 若继续增加导叶开口, 机组输出功率会继续增加,更换 ya 98250 转轮后的机组还有潜力可挖. 但需 认真分析功率增加与水力损失的经济比较.4结论九子溪电站水轮机改造只更换了水轮机转轮, 机组增容相对幅值就达 15. 3 % , 设备改动面 小, 投资少, 见效快, 风险小. 改造前后对比测试结 果表明, 九子溪电站水轮机增容改造是成功的, 新 转轮完全可以替代老的 hl 702 型号转轮, 达到改 善转轮抗空蚀抗磨损性能、机组增容的目的.图 1 1 号机改造后机组的功率 p 与开口 a0 关系曲线适当增大导叶的最大开口. 由表 1 以及机组运行 记录可以看出, 更换新转轮后 1 号机组在原导水 机构未作任何改造的情况下, 机组输出功率由原 来最大不到 0. 550 m w 增加到 0. 620 m w , 电站 运行记录机组最大功率达 0. 635 m w , 与机组采 用老转轮的运行记录比较, 换新转轮后的 1 号机 增容相对幅值达 15. 3 % , 与采用老转轮的 2 号机 实测结果比较, 增容相对幅值达 24. 5 % , 结果表参考文献1sw a roop a. a p ro cedu re fo r up g rad ing by runne rrep lacem en t j . in te rna t io na l w a te r pow e r & d amco n st ruc t io n, 1995 (9) : 16221韦彩新, 谭月灿. 改善水轮机转轮空化的新方法 j .大电机技术, 1997 (4) : 492512the w a ter turb in e upgra d in g of the j iuz ix i hydro powerp lan tw u g a n g 1 q u a n x ia n 2z h a n g 2 t ia n c h en g 2d on g 3 z h a n g j in 2ru i3( 1. d ep t. o f pow e r e ng. , hu st , w uh an 430074, c h ina; 2. d ep t. o f h yd ropow e r and a u tom a t io n e ng. , hu st ,w uh an 430074, c h ina;3.yuan co un ty w a te r pow e r m anagem en t co rpo ra t io n, yuanan 444200, c h ina)a bstra c t: t h e n ew ru n n e r is m ade b y th e requ