歌山二级水电站增效扩容改造水轮机转轮选型分析.pdf

技术改造 s m a l l h y d r o p o we r 2 0 1 2 n o 5 ， t o t a l no 1 6 7 歌 山二级水 电站增效扩容改造 水轮机转轮选型分析 王学锋 杨剑锋 ， 。 吴韬 ， ( 1 水利部农村电气化研 究所浙江杭州 3 1 0 0 1 2 ； 2 杭 州亚太水电设备成套技术有限公 司 浙江杭 州 3 1 0 0 1 2 ) 1 工程概况 歌山二级水 电站位于浙江省横锦水库总干渠下 游的歌山村 ，为引水式电站，利用6 5 k m长的总干 渠在非灌溉期间引水进行发电。电站建于 1 9 8 0年 ， 运行水头为 1 3 m，发电引用流量为8 0 m 3 s ，装机 容量为 2 x 8 0 0 k w。厂房内原安装 2台轴流定桨式 水轮发 电机组 ，转轮型号为 z d 6 6 1 一i j h 一1 2 0 。电 站水工建筑物较稳定 ，因此选择更新改造方案 时， 首先要利用现有 的水工建筑 物来 拟定更新改造 的 方案。 2 必要性及推荐选用的转轮与方案 2 1 必要 性 z d 6 6 1 型号转轮为 2 0世纪 5 0年代从前苏联引 进 的转轮 ，其模型效率较低 ，过流能力较小 ，而且 气蚀 性能较 差。歌 山二级水 电站 的 z d 6 6 1 一i h一 1 2 0型号转轮已运行超过3 0 a ，在气蚀与泥砂磨损 的联合作用下 ，转轮叶片磨蚀较为严重，经过多次 补焊 、检修 ，叶片 已经变形 ，致使水轮机效 率下 降 ，影响了机组 的 出力。因此 电站需 通过更换转 轮 ，提高水轮机的能量性能和空化性能 ，增加过流 能力 以达到提高出力的目的。 2 2 厂家推荐选用的转轮与方案 1 )厂家 a的方案 厂家 a的技术人员通过对歌山二级水 电站水 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 61 9 作者简 介：王学锋 ( 1 9 8 2 一) ，男 ，助理工 程师 ，主要从 事 水 电站技术改造相关工作 。 ema i l ： x f wa n g h r c s h p o r g 5 2 头参数 、电站过流量与电站出力方面的计算 ，根据 电站的水文参 数推荐 了 z d j p 5 0 2 、z d 5 0 0 、z d j 5 4 0 ( z d k 5 o 9 )等型号的转轮。厂家 a认为所选定 的水 轮机转轮不但要具有较高的效率 ，而且还要根据水 轮机的模型综合曲线和真机工作特性 曲线选择工作 范 围最好 的转轮 ，以保证水轮机运行时达到较高的 工作效能。由于电站为改造电站，应在尽量不改变 土建的基础上选用新的转轮 ，各方面的参数如导叶 高度 、导叶分布圆直径 、转轮直径 、蜗壳尺寸、尾 水管的流道尺寸都必须与电站原机组相对应的参数 相匹配，否则很难达到机组增效扩容的效果。对导 叶高度、导叶分布圆直径和机组在模型曲线上的运 行工况点 等参 数进行 比较计算后 ，厂家 a的技术 人员认为选用 z d j p 5 0 2型号转轮比较合适 ，但通过 对 z d j p 5 0 2 转轮模型流道与歌山二级水电站的流道 计算对比发现 ，电站的流道设计偏小 ，因此通过机 组的过流量会减少 ，会影响到电站增效扩容后机组 的出力 。通 过计 算 ，电站 增 容后 出力 如 需 达 到 1 0 0 0 k w，机组 在 1 3 i n 水头下 ，需要 的过 流量 为 9 5 m 3 s 。根据电站原流道尺 寸与流速参数计 算 ， 通过机组 的最大过流量 约为 8 59 m 3 s ，过流量 不能满足机组增 效扩容后 出力达 到1 0 0 0 k w的要 求 。因此建议对电站的流道进 出口进行拓宽 ，增加 机组过流量以达到增效扩容的要求。 2 )厂家 b的方案 厂家 b的技术人员根据歌山二级水电站水头 、 过流量 、出力和水文参数推荐了 z d 6 0 8和 z d 6 0 9两 种型号的转轮，这两种转轮都是克瓦纳 k 3 0 5系列 的型号 ；但通过比较 z d 6 0 9型号转轮的尾水流道与 小水电 2 0 1 2 年第5 期 ( 总第 1 6 7 期) 技术改造 电站原先的流道发现，无论是尾水管高度还是尾水 管 出口尺寸 ，两者都相差较大 ，不能满足机组增效 扩容的要求 ，所以推荐选用 z d 6 0 8型号转轮。通过 计算 ，z d 6 0 8 转轮的模型尾水管高度尺寸基本与电 站的尾水管 流道 相 同，但其 尾水肘管 出 口尺寸稍 大，在不改变尾 水管流道 尺寸的情况 下，如选用 z d 6 0 8型号转轮 ，则当水头为1 3 r n ，机组过流量为 8 7 9 m3 s ，水 轮机 效率 为 9 1 8 ( t l = +0 5 ) 时，发电出力为 9 6 0 k w，不能满足 电站机组增效 扩容后达到1 0 0 0 k w的要求。所 以建议将转轮直径 由原来的 1 2 m加大到 1 2 2 m，并且 扩大 电站尾水 管的 出 口尺寸 ，使机 组 的过 流量 达 到9 1 6 r n 3 s ， 这样就能满足机组增效扩容后 的出力要求 ，但电站 改造预算限制了土建基础方面的改动。因此又设计 了另外 1种方案 ，即不改变尾 水管尺寸 和转轮直 径 ，当水 头 为 1 3 3 m，机组 过 流量 为8 8 6 4 m 3 s ， 水轮机效率为 9 1 8 时 ，基本 上能满足 电站机组 增效扩容后的出力要求 ，但需要将 电站的额定运行 水头提高0 3 m。 3 )厂家 c的方案 厂家 c的技术人员根据歌山二级水 电站水头、 过流量 、出力和水文参数推荐 了 z d k1 6 0型号 的转 轮 。该转轮原为转桨式转轮 ，现改为定桨式转轮 ， 已在 国 内数座 电站使 用 ，效 果 良好。通过 算发 现 ，当水头为 1 3 m，机组过流量为9 2 m 3 s ，水轮 机效 率 为 9 1 6 ( =0 )时 ，发 电机 出力 为 1 o o 4 k w，满足电站机组增效扩容后 的出力要求 。 技术人员认为影响机组过流的位置主要是在尾水管 扩散段的最终出口处 ，而不是在尾水肘管的出 口截 面。通过对几座电站的对 比计算 ，歌山二级水电站 的尾水管流道基本能满足机组增容所需过流量的要 求。由于尾水管的出口过小 ，流速发生变化而产生 了水头损失的情况 ，取水头为 1 2 7 m，水轮机效率 为 8 9 9 ( 考虑 流道异形效应 ，取 =一1 5 ) 时 ，发电机出力达到1 0 0 0 k w，机组需要 的流量为 9 5 4 m 3 s ，还需要复核蜗壳 进 口的面积能否满足 机组增效扩容的过流要求。经过对比核算，电站的 蜗壳进 口面积偏 小 ，厂家 c的技 术人员要求提供 准确的电站运行水头 ，才能计算 出电站增容后 的 出 力 3 综合比较与分析 转轮选 型是小型水 电站增效扩容改造 的关键 。 根据歌山二级水电站增效扩容改造的设计原则 ，电 站改造后 ，机组容量需增加 2 5 ，而水轮机安装 高程基本不变 ，转速不变 ，且直径不能增大 ，因此 必须选择与电站流道近似的效率高、过流量大、空 化和稳定性较好的新 型转轮 ，才能满足上述要求。 新转轮的导叶相对高度和导叶布置圆直径应与原转 轮相 近。原 水 轮 机 的导 叶布 置 圆直径 d 0 d = 1 2 5 ，导 叶 相 对 高 度 6 0 d1=0 4 ；通 过 计 算 ， z d j p 5 0 2 、z d 6 0 8 、z d k1 6 0这 3种 型号的转轮基本 都满足以上要求。 水轮机的蜗壳进 口面积 、尾水管出口面积会对 水轮机的出力产生一定的影响。通过计算 ，电站的 蜗壳进 口面积 、尾水管流道出口面积比上述 3种模 型转轮蜗壳进 口、尾水管出 口换算的面积要小 ，所 以水流在蜗壳与尾水管中会产生流速的变化 ，导致 一 定 的水 头损失。如果水 头损失 h=0 2 m，根 据测量 ，电站运行的最高水头为1 2 8 m，取计算水 头 h=1 2 6 m，蜗壳进 口流速为3 0 2 m s ，蜗壳进 水 口前 的进水圆管直径为 5 6 =2 0 0 0 1 l l q fl ，可 以计算 出机 组 的最 大 过流 量 为9 5 2 m 3 s 。在水 头 为 1 2 6 m， 过 流 量 为 9 5 2 m 3 s ， 机 组 转 速 为 4 2 8 6 r ra i n时 ， 可以 得 出z d j p 5 0 2 、 z d 6 0 8 、 z d k i 6 0这 3种型号转轮的效率 ( 见表 1 ) 。 表 1 3种转轮 的效率 转轮型号 效率 ( ) z d j p 5 0 2 一 一 l 2 0 zd6 o8 一- i h一 1 20 zdk1 6 0 一 i 一 1 2 0 8 9 5 8 9 8 91 ( 水轮机效率修正 ：考虑工艺修正 和流道 的异形效应 ， 取 7 7 =一0 5 ) 从表 1 可 以看 出，z d k 1 6 0型 号转轮在 上述条 件下效率最高 ，而且在模型曲线上 ，其工作点基本 在转轮模型的高效区范 围内。在 电站的水文参数条 件下 ，水轮机转轮工作区效率较高 ，高效范围比较 宽 ，在小流量 区工作 ，转轮空化性能较好 ，效率接 近最优区。当水头 日为1 2 6 1t i ，过 ( 下转第 5 1 页) 5 3 小水电2 0 1 2 年第 5期 ( 总第 1 6 7 期 ) 类型的发电机 ，都可以选择晶闸管励磁技术 ；尤其 是6 3 k v的发电机 ，毫无例外的应采用微机励磁的 自并励系统。 为了使励磁系统更简单 、可靠 ，已有采用绝缘 栅双极型功率管 i g b t的励磁系统 ，实现 了发电机 励磁电流的 自动控制 ( 见图 1 0 ) 。 技术改造 图 1 o 采用 i g b t的励磁 系统 网 u v w 采用 i g b t自关 断器件代替传统的可控硅元件 作为功率元件 ，其工作原理是将三相电源经不控桥 整流为脉 动直流 ，控 制 i g b t的导通 、关断 时间 ， 利用 i g b t斩波方式 ，调节发 电机 励磁绕组 电压。 i g b t运行时 只需一路脉 冲，这样极 大地简化 了功 率桥 的 结 构 。i g b t功 率 柜 单 柜 额 定 电 流 可 达 2 0 0 0 a 。i g b t自并激方式仅需一路控制脉 冲，结 构简单 ，可靠性高，该方式下不需同步。可控硅全 桥整 流方 式下 ，逆 变 电流经 过励磁 变压 器绕组 ； i g b t方式下 ，逆变 电流 经过续 流二极 管 ，可减小 励磁变压器的设计容量约 3 0 ，大大减少了成本。 4 结语 励磁系统是影响水电站运行的重要设备 ，应注 意进行配套改造 ，以获得最佳 的效果。在农村水电 站励磁设备改造中，采用先进的技术 ，如晶闸管励 磁技术 、i g b t励 磁 技术 是 一个 重要 的技 术 方案 选择 。 参考文献： 1 刘字， 李向明 三次谐波励磁发电机并网问题及改善 方法 j 黑河科 技 ，1 9 9 8 ( 4 ) 2 谭荣苏 小型水电站低压机组的改造与运行探讨 j 甘肃水利水电技术， 2 0 0 7 ( 1 ) 3 卢明兰 小水电站技术改造浅析 j 小水电， 2 0 0 7 ( 1 ) 4 李明才，电抗分流式发电机励磁系统改造 j 江西水 利科技 ，1 9 9 6 ( 1 ) 5 赵令骥 谈农村小水电站无功不足及补救措施 j 农 村电工 ，1 9 9 7 ( 0 6 ) 6 王 佩璜 相位复励励磁 同步发 电机经 变压器并联运 行 稳定 j 中南水力发 电 ， 1 9 9 7 ( 2 ) 责任编辑吴吴 址 s 址 s s 址 s 屯 s s ； 毒 s s s 止 址 l上 s 止 s s 址 s s 止 址 s 屯舢 s 址 址 址 s j止 己 s 屯 s 址 s s 屯 舢 s l上 s s l上 ( 上接 第 5 3页)流量 为9 5 2 r n 3 s ，水 轮机效率 为 9 1 时 ，得到发电机出力为 1 0 0 0 k w ( 发 电机效率 7 7 =9 3 5 ) ，满 足 电站增 效扩容 的 出力要 求。而 z d j p 5 0 2 、z d 6 0 8 两种 型号 的转轮 在 电站 的水 文参 数条件下工作 区效率较低 ，离最优区也较远 ，而且 在大流量时运行的工况 区也不够理想 。因此本 电站 推荐选用 z d k1 6 0型号转轮。 通过此次技术改造，更换了机组设备，选用了 高效率的转轮 ，电站 的出