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湖北省水电厂水轮机增容改造述评2006年第1期20o6Numberl湖北水力发电HUBEIW【ERPOWEH总第63期Tc)IdNo.63湖北省水电厂水轮机增容改造述评王春暖(湖北省电力公司,湖北武汉430077)摘要简述了湖-lt5个水电厂水轮机(HL2l】,HL702,ZZ587,ZZ105,ll23)改造增容的实例;提r增容改造实施中的几个具体问题及建议.关键词水轮机增容改造混流式轴流式转轮已运转2530年以上的水电厂(简称老水电厂),其水轮发电机组等设备多已老化,技术装备也落后,常需进行技术改造.通过改造,又常会获得增容的效果.增容改造的内容包括:提高没备的可靠性,延长设备大修间隔;提高机组的出力,增大调峰能力;适当提高水轮机效率.机组增容改造的关键是选好水轮机的技术改造方案,并要根据增容的幅度,同时改造发电机,推力轴承及相应电气没备和有关控制设备,自动化元件,确保机组安全稳定运行,提高全厂自动化水平,以适应无人值班(少人值守)的要求.增容改造的具体做法,可根据技术准备及资金的筹措情况而定,可利用一次机组大修的机会全面完成,如富水,丹江口水电厂(除2号机外)等.也可分批,分阶段实施,例如白莲河水电厂的发电机容量尚有余度,暂予改造,仅更换水轮机转轮.又如黄龙滩和南河水电厂,因当时尚无既口J增容又能提高效率的较优良水轮机转轮可选,只好在暂不更换水轮机转轮的情况下,利用水轮机的高水头力余度仅改造发电机及其他相关的电气设备,而达到机组增容的目的.再如总装机容量2715MW的葛洲坝水电厂,2003年长江电力公司经科学论证和成功试验,决定对已运行20余年的l9台125Mw的机组分批进行换型改造,采用经过翼型优化后的ZZAl46cLH一1020,zz50oALH一1020新型叶片,提高水轮机转轮过流量一同时对发电机的转子和定子进行改造,使单机额定出力由125MW提高到146MW,每台机组增容为21MW.为不影响F常发电,葛洲坝水电厂的机组增容改造将利用每年冬季枯水期机组检修进行,2009年前全部改造后,电厂总装机容量将增加399MW,相当于一个投资数_卜亿元的大型水电站.小型水电厂的增容改造工作也在迅速行动.例如,装有三台容量为1560kW机组的二道河水电站,1998年进行增容改造,单机容量提高到2100kW.应指出的是:最近几年来,管理体制有变化,很多水电厂易主,因而对于机组增容改造的必要性和迫切性,必须使新的主管部门或领导层有所认识.l对老水电厂水轮机进行技术改造的必要性和可能性1.1必要性1974年4月,国家-JL部,水电部颁发了反击式水轮机转轮暂行系列型谱(草案)(简称1型谱).老水电厂的水轮机绝大部分采用旧型谱中所列型号.结合这一特点,湖北省老水电厂水轮机进行技术改造的必要性有以下五个方面:(1)旧型谱中所列水轮机,不论在型号及其应用范围方面,还是在各项性能,水力参数等方面,大部分内容已陈旧,落后.(2)由于运行时间长,已出现设备老化,大修间隔短,检修工期长,以及运行参数下降,故障率卜升等问题.(3)梯级水电厂联合运行,下游电厂有条件增大过机流量.(4)有些机组先天性不足,所用材料的性能差,制造质量低下.部分小水电厂所用水电机组设备,是非正规电机制造厂生产,材料质量差,J二艺水平低下,致使机组长期带病运行.(5)在上世纪6O年代投产的个别水电厂,由于供货困难,不得不勉强装用了与水电厂水能参数不相匹配的水轮机.1.2可能性在改革开放政策的指引下,我国水轮机的设计,制53湖北水力发电2006年第1期造和使用材料等方面都有了很大进步,机电制造行业有能力为水电厂的增容改造提供优质的水轮机换代产品.从20世纪80年代中期,先后从国外引进了关键设备和一批优秀的转轮,在消化吸收国外先进技术的同时,提高了我国水轮机的制造质量和技术水平.哈尔滨电机有限责任公司(哈电),东方电机有限责任55MW)等水电厂的机组设备招标中,均为东电的HLD294水轮机中标;而哈电的HLA384型水轮机,在招徕河(3台,12MW)中标,HA551型水轮机则在朝阳寺(1台,30MW),长顺(4台,10MW)等水电厂得到应用.2几种型号水轮机的增容改造实例公司(东电)参与此项工作,获得了从国外引进的优水轮机进行技术改造和增容,主要措施有:更换新秀转轮制造技术,比如HLA384,HLA551以及HLD294,转轮;对原水轮机转轮叶片进行更换或改造,修型;水HLD267等,这些转轮一经投放市场,即获得了广大用轮发电机组整体更换,即水轮机的通流部分及转轮全户的欢迎,不仅成为各设计院进行水轮机选型时的推部更换.现将湖北省境内五个水电厂的HL211,P0702荐方案,而且在设备招标中一举中标.一些中小型水(HL702),170123等混流式及ZZ587,71105等轴流转桨电厂获得了性能较优良的水轮机,在洞坪(2台,式水轮机的增容改造实例(见表1)综述如下.表1一些电厂水轮机转轮增容改造实例水电厂(台XMw)水头范围/m原转轮型号新转轮(制造厂家)(投产时间)型号(NtV家)(投产时间)转轮材质注:除丹江口水电厂原5号水轮机转轮叶片材质为15MnMoVcu外,其余各厂原水轮机转轮叶片材质均为铸钢(ZG20MnSi,ZG30).2.1白莲河水电厂HL211转轮的更换白莲河水电厂由于当时的供货原因,所装用的HL211转轮额定水头为45.8m,高于电厂的电能加权平均水头43.6m,致使15MW的发电机额定容量不能充分利用,另外其效率低,空蚀严重.经比较,将原HL211转轮更换为东方电机厂生产的HLD74转轮.54由于HL21l转轮的导叶高度b0=0.3Dl比HLD74的bo=0.28D1高,因此需对HLD74的上冠进行抬高(对提高单位流量有利),取名HLD74B,有l4个叶片.1992年2月完成3机的增容改造.经1992年4月及1993年8月先后进行的效率试验及补充试验证实,机组效率提高约6%,出力提高lMW,水轮机的额定水头由原来的45.8m降到42m,使原发电机15MW#魅王春暖:湖北省水电厂水轮机增容改造述评2006年3月的额定容量得以充分利用.1994年初,召开了3机的增容改造评审会,全国装有HL211水轮机转轮的各水电厂,应邀参加了会议,推动了全国其他厂的HL211水轮机的增容改造工作.之后,在1994年初和1995年初,又相继完成了l,2水轮机的更换任务,但2机组出力未达到协议书的规定值.2.2丹江口水电厂PO702(HL702)转轮的更换丹江口水电厂装有6台单机容量为150Mw的机组,水轮机型号1,2机为P07o2一BM_一550,由前苏联列宁格勒金属工厂(.YlM3)制造;36机为HTJ702_U一550,东方电机厂制造,水头范围4981m(远景).丹江口水利枢纽管理局和长江水利委员会于1990年l0月正式委托东方电机厂开展模型转轮的试验研究,并签订了丹江口水电站改造增容水轮机转轮研究技术协议.经19911992年的试验研究,模型装置的通流部分完全模拟丹江口水电厂真机的尺寸,形状,从设计,试验的9个转轮中,优化出HLDI87转轮.1991年11月,由水利部计划司等联合主持,水科院,长江委,湖北省电力局等单位组成的专家组,对丹江口水电厂设备改造增容可行性研究报告进行了评审,决定将HLD187转轮用于丹江口水电厂的增容改造.1994年9月,东方电机厂提出了丹江口水电站D187转轮170m蓄水位性能分析和改造方案研究.按签订的技术协议要求,转轮更换后,在额定水头63.5m不变,现有埋人件不变的条件下,水轮机出力由原来的154MW增加到165Mw,增容幅度达到7.8%;在水头65m时,水轮机出力可达171MW,且在机组正常运行水头5763.5m范围内,具有较高的效率,新转轮的空化性能应满足电站实际运行吸出高程.待增容改造任务全部完成后,丹江口水电厂的总装机容量将从900MW增至为1000Mw以上.丹江口水电厂已完成了4台机组的增容改造任务,其中1,3,6机组是利用一个大修期间,同时完成既改造发电机(包括定子铁芯,定子线圈,转子线圈的更换),又更换水轮机转轮的任务.增容改造后的1机组,在额定水头63.5m时,发电机有功功率已达l6.3万kW,超过了技术协议书规定的l6.2万kW的设计值,且在相同负荷下定子温度比其他未改造的机组低3050.1,2,6机组的水轮机转轮,均更换为东方电机厂研制的D187转轮.由于转轮的重量达l10t,尺寸较大(高度3112mil1),整体制造及运输有困难,为此在厂家分瓣制造,运人现场后再组装.3号机组的增容改造,于1999年8月对水轮机的设计,制造工作进行考查后,水轮机转轮更换为上海希科公司供货的HLS204一U一560型新转轮,改造完成后于2001年6月投人运行.在2003年下半年水库来水较好的情况下,3机组最大出力达到178Mw,运行情况良好.经2003年11月的绝对效率试验及出力验收试验可以看出:机组出力增加约为20MW,在4o160Mw负荷范围内,机组平均效率约增加3%,增容改造取得成功.尽管采用了不锈钢叶片,在机组改造投入运行后,丹江口水电厂仍注意了对叶片的空蚀观测.2001年,2002年丹江口水库来水量较小,库水位长期在死水位附近运行,而1机组是带基荷满开度运行,造成1机转轮不锈钢叶片严重空蚀,每年需进行两次补焊.2001年l2月,对1机转轮的4个对称的叶片进行了修型,修型后经一年的运行,于2002年l2月停机检查,发现空蚀有所改善.而3机组严格按厂家提供的运转特性曲线运行,自改造后投产至今,转轮尚未发现空蚀.2.3富水电厂ZZ587转轮的更换富水电厂装有两台水轮发电机组,水轮机为ZZ587一LJ一330,1机,2机分别于1966年9月和1972年7月投产.1994年开始研究增容改造,当时有JK6o235,ZZA623-35,ZZD32B-35三种较优秀转轮可以替代ZZ587,其模型参数列入表2中.表2适于更换587水轮机转轮的新转轮模型参数比较由于考虑到在改造增容中既要选用先进的模型转轮,又要考虑轮毂比的缩小而带来的新转轮结构设计的难度,也考虑到制造能力及报价等因素,最后决定采55湖北水力发电2006年第1期用哈尔滨大电机研究所专门为40m水头段研究开发的A623新转轮,并由机组原设计,制造单位供货,在国内首次对77,587转轮进行改造增容.A623转轮与ZZ587转轮比较,在结构上有以下的改变:(1)原ZZ587转轮的轮毂比(10/dI=0.5,而A623转轮为d0/dI=0.46.这样,转轮体直径由原来的1.65H-缩小到1.52m.新转轮的结构设计有一定难度,经对新转轮精心布置,满足了电站原有油压系统的条件,并使零部件应力保持在原水平.(2)转轮叶片密封原为入型结构,改造后新转轮采用我国首先在福建水口电站使用D型密封.该结构简单,易装拆,密封性能好,无点滴渗漏.(3)为了减d,n-片外缘与转轮室之间的间隙空蚀,在叶片外缘背面侧加了裙边带,这样还可提高运行稳定性.1995年l0月与哈尔滨电机有限责任公司签订合同.1997年14月,电厂结合大修进行改造及新转轮的安装并投入运行.转轮更换前后参数对照,见表3.1997年10月,经湖北省电力试验研究所完成的效率试验,与改造前(19901991,1995年)的试验结果对比表明:机组额定出力由17MW增容到20Mw(水轮机额定输出功率为20.833MW),出力增加17%;效率提高10.62%,而且91%一92.6%的高效率区运行范围宽,机组振动,摆度和各部瓦温等均正常,可保证安全稳定运行,改造取得实效.1997年lJ月,组织专家进行了评审,验收.l999年,又完成对l机组进行改造及新转轮的安装并投入运行.表3富水电厂转轮更换前后的参数对照水轮机型号ZZ587一LI一330(旧)ZZA623一U一330(新)2.4陆水水电厂ZZ105转轮的改造陆水水电厂原装用的水轮机型号为ZZ1o5一IH一330,系我国引进的捷克转轮5K.该转轮反映上世纪56506o年代的技术水平,与目前国内先进技术相比,效率约低5%以上.陆水水电厂经比较最后选定水科院开发的5叶片的轴流转桨式JK508转轮,首先进行2机的改造.由于是在原流道及轮毂体均保持不变的情况下,只更换转轮叶片,因此取名LS591.另外还对转轮室进行了处理,按JK508模型转轮重新制造泄水锥.该电厂还同时改造了发电机定子线圈,更换了推力瓦和上下导轴瓦等.更换了转轮叶片的机组具有效率高,稳定性好,高效率范围宽,空化性能好等特点,并使机组出力由原来的8.8MW增加到10.1MW,水轮机效率提高9%,真机效率可达9l%以上.该电厂技术改造完成后,出现叶片断裂问题,影响机组安全运行,经研究后进行了处理.2.5三道河水电厂水轮机的增容改造湖北省有6台l560kW的机组,水轮机型号为P0123一BM一84,系从保加利亚进口,其中南漳三道河水电厂3台,麻城三河口水电厂2台,随州大洪山水电厂1台.i道河水电厂增容改造分两期进行:第一期先改造三台发电机,使其绝缘由A级提高到F级;第二期为更换水轮机转轮,将l4个叶片的Pol23一BM一84型转轮更换为哈尔滨电机厂生产的具有13个叶片的HLA501BLJ一85新转轮,并将原水轮机尾水管进口,顶盖,底环上的面板加以改造.在改造中还将巴氏合金推力瓦改用弹性金属塑料瓦,并装用了可控硅励磁.增容改造于1998年2月完成,单机容量从1560kW提高到2100kW,3台机组共增容1620kW.3增容改造实施中的几个具体问题(1)水电厂的增容改造工程,自始至终应把确保机组安全稳定运行摆在首位,如经技术改造后的机组不能确保安全稳定运行,则属失败的改造工程.(2)水轮机增容改造工作可分以下阶段进行:首先要进行调研.水轮机增容改造工作,首先遇到的仍是水轮机的选型问题.因为它直接影响增容改造的效果和整个水电站效益的发挥.因此,首先要到水轮机转轮的研发,制造单位,以及具有同类型水轮机改造成功经验的水电厂调研.在调研的基础上委托设计或试验研究单位编制机组增容改造可行性研究报告,并提交主管部门(或董事会)组织专家评审后批复.由电厂发出水轮发电机组增容改造招标文件王春暖:湖北省水电厂水轮机增容改造述评2006年3月或水轮发电机组增容改造方案征集函,经评审后,确定承担水轮机和发电机技术改造任务的厂家.水轮发电机组增容改造任务,对于大型水电厂来说,只有大型电机制造厂有能力承担;而对于中小型水电厂来说,承担水轮机和发电机技术改造任务的厂家,既可以是一家,也可以两家分别承包.各中小型电机厂均可承担发电机的技术改造任务,而对高效的水轮机转轮的制造,则在全国仅有少数单位能掌握其研制的核心技术.因此,要货比三家,力求选取优秀的水轮机转轮替代产品:出力提高明显,额定点及加权平均效率最高,高效率区的运行区域较宽;通流部分基本相当,或改造工作量不大;报价合理.应该指出的是,老水电厂进行增容改造时由于埋入的尾水管,导水机构,蜗壳等流道部分改造难度和费用太大,一般只换以水力性能先进的转轮,而无相应先进的流道条件相匹配,所以必须估计到对水轮机性能的影响,效率等参数耍比新转轮低.与厂家签订技术办议及合同.技术协议应包括:更换后的主要参数及保证值,更换部件技术要求,设计与制造使用标准,改造工作量及双方应互相提供的资料等;合同中应包括:甲,乙双方的责任,费用及付款方式,交货t寸间与方式,产品质最保证期等.组织实施及试验,验收.包括制造厂内组织加工,转轮出厂的质量检测,有时需将水轮机主轴运抵制造厂,完成新转轮与主轴止口螺栓孔等的配制;对于在厂家分瓣制造的转轮,要运往现场后再组装;电厂内部结合机组大修进行施工安排,机组试验,验收,总结等.装机容量10MW及以下的小水电厂,上述步骤可适当简化,主管部门或新转轮的研制单位应上门服务.(3)关于替代转轮的命名,一般有以下三种情况:按模型试验时的编号取名.对于一些有经济实力的大水电厂,其水轮机改造增容的转轮,可委托科研单位,完全按原水轮机的流道研制出换代产品.如丹江口水电厂水轮机用于改造增容的转轮,系完全按原HL702的流道研制出,因而就按试验台上模的编号命名为HLDI87.按新开发的转轮安装在原水轮机流道上命名.白莲河电厂所用HLD74转轮,因其安装在原HI211水轮机的流道上,因而取名HLD74B以示与HLD74的区别.富水电厂所用的ZZA623转轮,因其安装在原ZZ587水轮机的流道上,因而应取名ZZA623B.按新开发转轮叶片安装原水轮机转轮体上命名.如陆水水电厂选用的JKS08转轮,用来对水轮机进行改造,由于是在原流道及轮体均保持不变的条件下,仅更换转轮叶片,因此另取名IS591.(4)实事求是,早改造早受益.对于已有成功增容改造经验的机型或者已有成熟的方案时,则应只争朝夕,早改造早受益.而对于尚无成熟增容改造经验的机型来说,应实事求是,多观察,一旦有可行的方案时再动手也不晚.待有了成功经验时再更换,虽是晚改造,但可选用性能更优的转轮.(5)多台机组的电厂应在条件成熟后,着手进行增容改造,先改造一台,及时总结经验,继续优选;逐台改造,不断调研,不断优选.(6)从目前已进行增容改造的水轮机来看,水轮机转轮叶片材质均采用不锈钢材质(见表1).4对增容改造的几项建议(1)国家技术监督部门应发布指令,明确报废一批性能差,参数落后的水轮机机型.(2)统筹安排转轮换代产品的研制任务,要重视机组改造前后水轮机的效率试验二作,及时总结经验加以推广.有关主管部门应组织,协调,使研制各种类型老水轮机转轮换代产品的任务,分别由掌握现代水轮机模型研究方法,具有设计开发能力并拥有水力试验台的单位,分工负责地进行,以避免同一类转轮替代产品的重复开发,分散精力和物力.一旦有了成果,即有组织地进行模型验收及更换前后的真机的各项试验(主要是水轮机的效率试验)工作,直至总结经验加以推广.(3)关于农村中小型水电厂水轮机的增容改造.中小型水电厂大部分地处偏远的农村,对水轮机技术改造的信息不灵,有一大批在上世纪6o一70年代投产的水电厂装用的HL123,HL263,HL129,HL638,HL702等转轮,性能差,效率低,设备陈旧,应促进其尽早更换为优质高效的新转轮.国家应拨出专项基金扶持中小型水电厂水轮机转轮换代产品的开发,并将其中转轮的术模图及其生产技术,部分地转让给中型电机制造厂,以便满足广大农村中小水电厂水轮机增容改造的要求.要把广大农村小型水电厂水轮机的增容改造,作为科技下乡的内容之一,做到送技术上门.(4)增容改造后机组的铭牌与电厂装机容量.机组改造增容后水轮机及发电机的有关参数已有所改变,建议改造完成一台,即由承担任务的厂家另做一个铭牌,与原有的铭牌并存,以便比较;待全部机组改造完成后,电厂的装机容量已增大,建议委托电厂原设计单位对各项水能指标重新复核,并将装机容量,多年平均发电量等新的数据,正式发文上报省计划,统计及主57湖北水力发电2OO6年第1期管部门备案,全国性的水能资源晋查,经济晋查等一类电,1999(9)-的活动,应按新的数字上报.6黄炜,张起和.陆水水电厂的改造和增容.湖北水力发电,参考文献2002(1)?1王春暖.白莲河水电厂HI_211水轮机的改造增容.水力发7魏进禹,赵宏亮-三道河电站机组增容改造和经济效益分电,1995(1).析?大电机技术,2002(1)?2石小平,刘焱明.丹江电厂2机组机械部分的增容改造.水8郭生柱,张维平-丹江口水力发电厂水轮机空蚀研究?大电电站机电技术,1996(1).机技术,20o4(4)?3徐洪泉,沈祝平.陆水水轮机的增容改造.水力发电,19989建斌,熊文彬?丹江口水电厂3机组绝对效率试验?水电站(4).机电技术,2004(5)?4郭生柱.丹江口电厂1机组的全面改造增容.水电站机电作者简介技术,1999(2).王春暖,男,教授级高级工程师5王春暖.黄龙滩水电厂和南河水电厂机组增容改造.水力发(收稿日期:2005一o721)CommentaryonCapacityExtensionofHydroturbinesinHubeiProvinceWangChunnuan(HubeiElectricPowerCo.,Wuhan,Hubei,430077)Ahstract:Thecapacityextensioncasesofhydroturbines(HL211.HL702,ZZ587,ZZ105,PO123)inHubeiprovincearede-scribed;inaddition.severalrelevantproblemsandsuggestionsforimplementingcapacityextensionofhydroturbinearepro-pOsed.Keywords:hydroturbine,capacityextension,mixedflow,axialflow,runner扩扩扩扩0,护矿(上接第52页)位移观测.另外,我们试验的视准线固定工作基点间建五,最大距离为890m,固定工作基点至位移标点最大距缅晤离为700m,对间距大于以上数值的视准线,由于我们本文的经验公式是以T3,T】经纬仪实测数据为依没有安排试验,不能