浅谈刘家峡水电站水轮机改造增容.doc

浅谈刘家峡水电站水轮机改造增容毛支,1一.I8K浅谈刘家峡水电站水轮机改造增容杨家实,(甘肃电力试验研究所)摄耍刘家峡水电站运行于多泥沙的黄河之上,经多年运行,水轮札巳不能适应泥沙条件,磨蚀气蚀相当严重,效率明显下降.奉文概逆7对2机组改遣增容等问题进行的分析论证.通过l口88年l2月l991年lO月大量的模型试验,充分证明7刘牢峡水电站水轮机瘦造增客在披木上是可行的,是可吼满足水电站长期安奎,稳定,可靠,运行要求的.关奠调泥沙气蚀机组增容试验成果一,概述刘家峡电厂运行于多泥沙的黄河之上.年平均入库沙量8700万t.l969年3月20日第一台机组发电,1974年5台机组全部投产,担负着西北电网的调频词峰任务.经多年运行,水轮机不能适虚多泥沙条件,磨蚀气蚀相当严重,效率明显下降,部分电机绝缘明显下降,原制动环结构不能适应频繁起停机要求,以产生裂纹,机组振动范围宽,影响负荷的调整.电厂从l986年开始研究机组改造问题,认为225Mw机组结合技术改造,不仅可以达到改善机组性能和提高设备可靠性的目标,而且机组的容量还可以增加.二,水轮机存在的主要问一84题(一)过流部件的磨损和气蚀l,转轮转轮磨蚀严重,每次扩修需补焊磨蚀破坏较严重的补焊面积达30m45131,焊条数量达6t左右.典型的气蚀发生在转轮的上冠流道,叶片进水边的背面和叶片正面出口边靠上冠的所谓三角区典型的鳞坑发生于叶片正面,上轻下重,出水边靠近下环的摄低处常常磨成锯齿状的薄片或被磨穿,下环流道靠出口三分之二的流道鳞坑密布.最深可达20mm以上,整个转轮破坏最严重的区域是叶片背面靠近下环的兜界处,其严重的程度由进口向出口减小,进口处的普遍磨蚀深度超过20mm,宽度可达150mm左右.l987年华中工学院,肃电研所和刘家峡电厂对3机转轮进行了叶型测绘,叶型测量的结果表明:叶片的厚度已平均减薄24,大面积补焊造成的叶片变形已导致水轮机效率下降和局部磨蚀的加剧,导致了恶性循环.l985年3f刘家峡电厂换上了OCr13Ni4M.叶片和一r环,20siMn上冠的铸焊结构的转轮.设转轮完全按<<TJr轮机通流部件技术条件组织生产和监督,转轮的叶型,几何尺寸,表面糙度和波浪度较原整铸转轮提高许多,且效率与出力也有提高.l989年该转轮运行27735h之后进行扩修时,转轮的气蚀区基本没有损坏.磨损和磨蚀区破坏面积缩小,但破坏最严重的区域的破坏程度仍与碳钢转轮相当.这表明转轮的磨蚀问题必须坚持综台治理方可能得到较好的懈决.2,迷富环上迷宫环在一个扩修周期中由2mm增大到l0mm,中迷宫环的间隙则增大到14I11m左右.扩修中转动迷宫环采用铺焊188不锈钢板进行修复,固定迷宫环更换A.板,以使迷宫环间嘹陕复设计值,即使这样仍解决不了迷宫环间隙扩大问题.3,导水机构导水机构的磨损是中高水头电站普遍存在的问题.荆家峡尤为严重.在导叶修理,对叶身上下端面,导叶密封面,整个进水叶面都铺焊了不同厚度的不锈钢板对绕流头部,轴和叶身联结处堆焊了不锈钢焊条后,导水叶仍不能耐水流的磨蚀.铺焊钢板磨穿脱落,密封面磨蚀破坏,上下端部间隙增大,导叶尾端磨出缺口同时上下抗磨板也被痔损甚至磨穿.导水机构的漏水量在经过I7300h后,就由1.5m/s增加到7m./s以上,造成快速闸门无法平压提升,导叶全关后转速降到3540I1之后不再下降,大大加剧了制动块和制动环的磨损,妊制动环产生裂纹的重要原因.(二)水力原因造成机组娠功大由于水力原因机组存在三个振区.由尾水管涡带f起的开度在40%70范围内的振动区范围宽,相对水压脉动值在0.2左右,又由于尾水位较高,无法补气,从而使机组的稳定运行区域受到限制.在水头高于100m时在2025开度范围内有一范弱很窄,但脉动相对值可达0.3的剧烈振区,其上机架垂直振动幅值可达1.4m111危害极大.而在设计水头附近,高于90开度时也有相对水压脉动接近O.1的振动较大区域.(三)结构刚度和强度不足水轮机顶盖的刚度偏小,面顶盖加内盖的结构中内盖的刚度和强度特别薄弱.从而导致水轮机顶盖变形大,振动大,个别焊缝开裂窜水.内盖和其上的止水密封的固度螺钉也频频断裂,严重影响安全运行.转轮引水板和上迷宫环则由于焊口受到磨损,结构又单薄,在运行中几次脱落,被迫停机处理.三,机组的改造目标(一)提高机组运行的可靠性提高机组运行的可靠性是所有机组改造的首要问题,随着电网的扩大,电力系统对发电设备的可靠性提出了愈来愈严格一85的要求.(二)提高机组效率,减少损耗提高机组效率减少损耗意味着对水能的充分利用,也是机组改造的一个重要目标.对于一台机组来说,水轮机随着机组的运行,气蚀磨损的发展,水轮机的效率会有一定幅度的下降.就刘家峡的情况看,水轮机效率在5年运行中均下降34.(三)提高机组的有功功率和容量提高机组的发电能力,更好地发挥水电的调峰调频和事故备用的作用.(四)启停灵活,稳定运行范围宽为了适应机组调频调蜂的要求,能灵活起停,有较宽的稳定运行范围,就成了机组改造的一个重要目标.(五)结构上方便检修四,刘家峡水轮机改造的前期工作(一)刘家峡水轮机增改造模型试验l,模型试验的基本要求(1)试验在完全模拟荆家峡水电厂现有装置(固定导叶,蜗壳,座环,尾水-管等)条件下进行,并按水轮机模型验收试验规程(IEcl93)进行.(2)lO0in水头水轮机额定出力不小于256Mw.(3)飞逸转速不超过250r/mj13.水推力不超过850k(4)模型水轮机在名义直径大体一致的情况下,最高效率额定工况点效率及加权平均效率均应高于原HL0Ol模型转轮相应效率的l%.(5)壤优单位转速接近而不超过一68.75r/rain.(6)在下列水头段内当水轮机出力为4070额定负荷时,转轮下方的水压脉动相对值分别不超过如下数据(见表1).袭l;运行水头(m)708O8006901001001141水压脉动相对值Hr765l4(7)在相同流量下,新模型转轮的气蚀系数应比HL0Ol低O.O02,要求要求转轮表面相交区域,表面凸率较大处,靠近进出水边等部位不发生气蚀.(8)导叶区叶片进出口处流速没有明显增大,流速分布比较均.2,试验骥目及计算分析(1)模型转轮直径D350min,试验水头H25in能量(试验范围包括电站实际运行范围).(2)气蚀试验<试验水头H25m).包括气蚀系数的测定及在电站尾水位(H:4nll0m)情况下初生气蚀的观测(提供相应录像记录),以及指定二个工况下的易损涂层试验.(3)在不同尾水位下(H,=一4m一l0ra)转轮下方水压脉动试验.在水头H=85I12,l00m,ll0m条件下,水轮机出力4070额定负荷下,H由一4m一10m每变化2m测定一次水压脉动,其它工况和水头可在出现最大水压脉动时的尾水位下进行测量.测量部位为靠近尾水管下游侧,转轮下方高度为0.4D和1.0D处及蜗壳进口处.等相对水压脉动线可按尾管下方0.4D处测值绘制.(4)对推荐叶型和推荐分布园下二个导叶开度位置的导叶区的流速分布进行计算分析或测量.(5)对转轮进口区的压力及流速分布进行计算分析或测量.(6)进行水轮机消振措施的试验研究.(二)试验研究阶段的成果分析1,试验研究阶段按照刘家峡电厂一方的要求,哈尔滨大电机研究所从签订协议之日起,开展了新转轮的试验研究工作.l988年l2月中旬开始了模型装置和转轮设计,模拟刘家峡电站225Mw真机尺寸,设计了适用于能量台及高水头试验台的模型装置.除了HL00l转轮,先后又设计了九个新转轮.(1)第一阶段试验:1989年9月l0月在哈尔滨大电机研究所大能量台作了HL00l,A429,A430,A431,A4545个转轮的能量试验,试验成果见表2.第一阶段大能量台试验结果表2最优工况限制工况飞逸转速型号备注ni.qi.oql1/snipr/Ininl/s%r/minIL0016874091.186088.4130.8A4296780090.493087.3119.3A48068.583591.195088.2127A481698609O.296087.6121.4效率低A454j89.8没做完(2)第二阶段试验t1990年2月啥尔滨大电机研究所又在高水头试验台上作了HLO01,A430及其余新设计的转轮的能量试验.随后又傲了A430,A459,HL001的气蚀和压力脉动试验,试验成果见表3.(3)加权平均效率:根据刘家峡电厂提出的效率加权平均悃子,计算了HL001A430,A459,A232,PO74l在单位转速n=69r/rain时的加权平均效率(见表4,表5).(4)压力脉动的测试结果(见表6):2,新转轮试验研究成果的评估(1)新转轮试验研究结果,新研制试验的多数转轮仅仅在功率要求上述到了增容目的,j;它各项指标远远一87第二阶段高承头台试验结果表3最优工况限制工况备注型号Qio.Qi6nior/rain1/s%l/sHL0016975690.6868890.062A4306985290.7943890.073A45367.578290.4因效率低没做全A48570.986290.3A4596983O91.0922890.068A4606777589.089487没馘气蚀与压力脉动A46166.581590.495687加权平均因子表4N/N10090806045wOo20.350.30.050.1rAl-HL001A430A459A232P0741达不到技术条件的要求.相比之下-4430,A459性能略好,效率略高于HL001的效率,并经流速场计算,叶片表面流速下降l520,有利于抗磨蚀性能的提高.(2)转轮效率偏低的原因分析从国内实践和国外一些资料看对直径D=350mm的模型转轮,只有最优效率达到92.5才有竞争能力.哈尔滨大电机研究所在近几年的国内一88一HLO01,A459A430压力脉动值袭6N/NAH()HL001A459A43011O407.17.58.1110559.18.28.9110704.35.19.61004O6.08.28.1100558.97.38.5100705.75.25.385407.99.65.985556.38.90.385708.77.15.7外招标竞争中,逐步提高比转数的同时,效率也逐步接近并在某些水头段达到国际水平.但啥尔滨电机厂在刘家峡改造增各水轮机转轮水力试验研究中,转轮效率水平难以提高,初步认为有下面的三个原困l导叶高度偏低t随着强度计算,试验技术以及材料性能的不断提高使得在相同水头下,转轮导叶高度有了很大的提高.就刘家蛱电站为例,在最高水头H=114121条件下.如果是现在设计,就要采用b.=O.28D.的转轮,而不是HL001的b.:0.2D.提高导叶高度可以减少导叶区与叶片间平均流速,减少水力损失,进而提高转轮效率.在喻尔滨电机厂与加拿大G-E?c合作生产的清江电站,最高水头H181.5m,取导叶高度bo=0.27D,使用单位流量Q,?=9761/s,最优单位转速I1o,_75r/min,直径Dl=305.8IllI/1-的模型转轮最高效率达到93.3.大量的试验研究表明:在bo0.2D导叶高度下,较HL00l的过流量小的转轮,可获得较高的效率,对较HL001过流量大的转轮,b.=0.2D-导叶高度显得低了.蜗壳偏小t荆家峡水电站蜗壳进口流速系数是=1.O33QL而bJ=0.225Dl导叶高度所用蜗壳进口流速系数是a=O.8Q,根据国外资料,在过流量Q=920l/s时,同一转轮用前一种蜗壳转轮的效率要低O.6左右.其它通道尺寸的影响t胡家峡电站这次改造将分布园直径从D.=1.16D,增大到1.t7D,但比b.=0.225D导叶高度通道的分布园直径Do=1.2D小.另外,刘家峡尾水管长度L=4.0D,宽度B=2.7D,带一宽b=0.36D的支墩,实际宽度减少到B=2.34D,与b.=0.225D-导叶高度通道内尾水管相比(L=4.5DI,B=2.7D,都小得多,这在不同程度上影响转轮效率.(3)新转轮模型试验的评估结果甘肃省电力局于i99O年6月在兰州召开了有科研单位,制造厂,设计院,大专院校,电厂参加的刘家峡水轮机增容改造转轮模型试验评估会,与会代表认为?哈尔滨大电机研究所对荆家峡水轮机在完全模拟刘家峡现有装置条件下进行了1O个转轮(包括原HL0O1)的试验,在能量性能方面进行了比较详尽完备的工作,从试验结果看,在流遭不变流量增加l0条件下,A459A430的加权平均效率与原HL001相同,其最高效率还略优于原HL00l转轮.在D.相同的模型试验中A430限制工况的单位流量大于A459限制工况流量更有利于达到增容的目的.另外,根据两个转轮的气蚀系数和易损涂层试验韵结果,认为A43O略优于A459而且均优于HLOO1.,考虑转轮的综台性能认为可在完全模拟刘家峡通道条件下先进行A43O的模型试验,如性能相当或优于原试验结果即可进行模型验收试验,如性能变差或发生较大变化,则有必要对A459也进行试验.(三)刘家峡水轮机增容改造模型验收试验成果199O年8月对哈尔滨大电机研究所用于刘家峡的A43035模型水轮机与原HLO0135模型水轮机进行了同台对比验收试验.验收试验是在啥尔滨大电机研究所高水头试验台上进行.验收前对各种试验搜表原位率定结果一89表明,.各测量参数的精度达到了要求,效率的综合误差在0.3以内,效率的重复误差在O.I5以内.验收人员对A43035和HLO0I一35转轮分别进行了能量,气蚀,尾水水压脉动,飞逸转速和易损涂层气蚀试验,对模型转轮及装置的几何型线和尺寸进行了认真测量,具体结果如下:l,能试验(1)出力:在验收试验中模型限制工况点单位流量962l,效率88.7,满足技术协议条款保证值256Mw的要求.(2)效率:模型最高效率实测为9O.8,额定工况点效率为88.98,加权平均效率为88.42,略高于原HL001模型相应效率,但未达到技术协议条款.2,气蚀试验(1)最优工况点模型气蚀系数6;0.08l,未满足(技术协议要求的保证值6=0.06.(2)在限制工况点模型气蚀系数6.=0.096,未满足技术协议*要求的保证值6=0.0644.(3)其它工况点模型气蚀系数也均太于HLOOl相应数据.3,尾水管水压脉动【1)在H:110m水头下,4O%一7O额定负荷范围内出现较强涡带,水压脉动幅值大于K技术协议要求的4,最大值达l1.O67.(2)在H:l00H1水头下,4O一70额定负荷范围内出现较强涡带,水压脉动幅值大于技术协议要求的5,最大值达11.16.(3)在H=85m水头下,407O额定负荷范围内也出现较强描带,水压脉动幅动值大于技术协议要求的6,最大值达8.99.4,飞逸转速按试验条件a0=26m113,I1ll28r/min,换算到真机在H=ll4in水头下的飞逸转速为n=242.7r/min,满足技术协议最大飞逸转速不超过250r/min的要求.一905,易损涂屡试验A430和HL00l转轮各涂四巾叶片.在额定工况点试验时出现了三处剥落区.出水边背面每片叶片平均剥落面积A430约为HLO0l的95.7,进水边背面约为61.9,两转轮下环内侧各存少量剥落,但HLOOl在叶片正面也出现了剥落.6,几何尺寸和翼型的测根据IEc规程,对模型转轮和流道几何尺寸和形状进行了测量.水轮机模型装置水力通道单线图及通流部件的实际尺寸偏差符台IEc.规程有关规定.验收人员对A430转轮予以通过.(四)刘家峡水轮机增容改造浑水模型试验目的及试验成果l,浑水模型试验的研究目的(1)查明原HL0Ol转轮和推荐的A430转轮浑水条件能量特性和气蚀特性相对清水情况下的变化.(2)查明在浑水条件下两种转轮及相应流道磨损规律,分析相对磨损强度为选材和补强提供依据.(3)根据浑水模型试验结果在必要和可能的条件下,对水轮机流道提出局部补强或修改意见.2,浑水模型试验成果本项研究试验工作在水科l=;:机电所转轮直径为250m的浑水试验台上做模拟试验,古沙量分别为5,l0,l5,2Okg/m条件下傲浑水的各种性能试验.试验成果为:(1)从能量试验结果看,A430转轮达到了刘家峡机组出力上,在浑水试验条件下,未发现浑水对水轮机效率,出力和临界气蚀系数等有明显的不良影响.(2)A430转轮使尾水管水压脉动在多数不同工况比HLO0l转轮引起的压力脉动略大,范围有些工况较宽.(3)从流迹试验结果可以看出A430转轮正面流态比HLO0l要好,磨损较HLO0l轻,但下环内侧加重.建议一F环内倒和叶片下部正面出水边,区域采用强化抗磨措施.(下转第83页)分显着.经厂部决定,每台机扩修后,叶片和底环都要做环氧保护层,以延长检修周期.经初步检验耐磨程度提高三倍以上.如何延长水轮机叶片寿命,除非金属涂层外,我厂还与沈阳铸造研究所合作,对水轮机马氏体不锈钢叶片进行物理强化工艺.该项成果是国家七?五攻关项目,在其它行业已经鉴定台格.小水轮机上做试验效果良好,大中型水轮机上做试,验还是首次.强化后的3机叶片已投入运行,研究所要求两个汛期后做现场鉴定.要延长叶片寿命,除上述途径外,还要对水库进行定期拉沙,减少过机泥沙减轻磨损.在运行方式上我厂要求中调能尽量使机组按特性曲线运行,以减轻气蚀,改变以往的习惯管理为了从根本上解决青铜峡电站水轮机运行工况难题,本厂正与北京水电科学院机电研究所台作,正在研制适合青铜峡水流工况和过机泥沙量大等特点的新型转_本&,从根本上改善水机设备的技术素质.为了提高ll0kV主接线的安全可靠性,从l990年8月开始分三期对l10kV开关站设备进行改造,计划l992年底全部竣工.主要内容有ll,新建了一条ll0kV出线开关旁路母线.2,将全部进出线多油开关更新为SW,SW型少油开关.3,将全部母线隔离开关更新为防污(上接第90页)(4)HL00l模型转轮浑水磨损涂层试验表明,HL00l模型主要磨损区和相对磨损强度与真机