澄厂水轮机改造后的反思.doc

澄厂水轮机增容改造后的反思黄 祖 敏广西百色市澄厂 533021 摘要：对澄厂的增容改造做一个回顾和总结，回答了增容改造后遇到的几个问题，说明增容改造不一定是顺利或成功的，增容改造的工作要做得更细致一点才能能使增容改造发挥实际的效益。 关键词：增容改造、模型综合特性曲线、汽蚀、水库调度前言：澄厂从1997年10月到1999年5月期间进行增容及技术改造工作，完成了厂内4台水轮发电机组的增容改造工作，用JF2513转轮代替HL702转轮，其它零件不改变，水轮机额定容量从6500MW增加到7500MW，额定流量从15.5 m3/S增加17.5 m3/S。水轮机装机的高程126m，正常尾水位是126.3m，水电厂为坝后引水式电厂，两条引水管，引水管总长361m，单管连双机，水轮机入口直径为2m。水电厂有多年运行各种数据存档，澄厂水库正常高水位185m，库容9.400108m3，死水位165m，库容3.400108m3，水库现有完善的水情自动测报系统和多年水库运行数据存档。增容改造工作完成后，经过了几年的运行和检修，增容的实际效果已得到初步地验证，下面就水轮机增容改造后的几个问题，对增容改造做一个回顾和总结：一、 原改造设计方案与实际实施改造型号不一致的原因澄厂原采用的是HL702型水轮机，即HL220型水轮机。在增容技术改造可行性分析论证报告中建议采用的型号是JF2512转轮，而实际实施的是JF2513转轮，在这两种水轮机的模型综合特性曲线上取得如下最优工作状况和在效率91%时的不同比转速与流量的数据，如表1：表1型号最优单位流量最优单位转速最高效率限制工况限制效率单位飞逸转速10（m3/S）10(r/min)man(%)Q1*（m3/S）man(%)1R(r/min)JF25121.0674.2921.25881.34JF2513351.147292.11.35881.34在模型效率91%时的不同比转速(r/min)与流量（m3/S）的关系 比转速型号67.5707577.580效率91%最高比转速与流量JF25120.981.050.9711.120.851.141.031.13无79/1.10JF2513351.071.151.081.221.131.261.171.281.231.2881/1.27从水轮机模型综合特性曲线上可以看出它们之间的差别， JF2512水轮机在低流量下、低水位下有更高的效率。JF2512转轮型号之所以改变为JF2513转轮的主要原因是采用JF2513转轮后不用改变转轮下环的高度和尾水管的出口钢板护面不用改变，固定导叶也不用修整了，大大缩短了改造时间及改造的难度。但这样的改造方案还是可以更进一步探讨的。二、 增容的理由是充分的，但不是必要的水轮机的增容理由有以下几点： 1、 因为HL702水轮机出力和效率不高，要用含有高新技术的高效水轮机更换。用高效水轮机更换旧水轮机是科技发展的趋势，是增容改造中最有效和最直接的方法。 澄厂的改造是采用了JF2513转轮，转轮叶片采用了不锈钢材料，不锈钢叶片的材料是ZG0Cr13Ni5Mo，最适合的补焊焊条是G232或CHK232等，因为这种焊条的价格比较昂贵，维修材料费很高，而且母材和焊条都要预先加热才行，焊接程序烦琐，焊接时还容易产生裂纹和夹渣现象，所以澄厂在补焊水轮机时改用了普通的A102不锈钢焊条，价格低，对焊接条件要求也不高，不易产生裂纹和夹渣现象。JF2513转轮的汽蚀部位有三个地方，而且是面积大、深度较深，汽蚀的补焊费工费时，材料费更比HL702转轮增加了几倍；还因为补焊造成了下环上部与导叶连接处呈波浪状变形，以后这种变形会随着焊接的次数增多而加大，这种变形增加还会造成机组运行的不稳定、机组振动增大和效率下降，汽蚀严重是JF2513转轮的明显弱点。2、 原2#、3#机组的转轮叶片经过切割，效率低，出力降低。原来2#、3#机组的转轮叶片确实被切割过，效率低，出力降低。增容后，四台JF2513转轮形状是一样的，经过在整个水位变动范围的运行，得出了不同水位下的出力值。由于改造后2#、3#机组的水轮机在不同水头下也显示出比1#、4#机出力小。现在看来这个理由不充分。改造前后数据如下表3： HL702转轮和JF2513转轮出力比较 表3状态水位(m)改前(kW)水位(m)改后(kW)1号机2号机3号机4号机1号机2号机3号机4号机单管单机182.87.67.27.27.5182.348.58.28.28.4177.076.46.16.16.4177.077.57.27.27.4单管双机182.876.66.66.9182.347.87.47.47.7177.075.95.75.75.9177.076.86.46.56.7虽然只列出2个水位，但有普遍的代表意义，在不同的水头下，新旧2#、3#水轮机的出力都有所降低，估计在2#、3#机中的过流通道中有不明原因的阻碍，形成了稍大的水头损失而造成的，确切的原因有待于做试验后进一步认定。3、 澄厂水库为多年调节水库，希望能在汛期到来前尽可能的降低水位，又能在大汛时能多蓄水、多发电，尽量减少弃水。在汛期到来时，各个大中小型水电厂基本都在满发，电网的电能相对是十分充裕的，这时调度反而希望有调节能力的水库发挥调节水库的作用，在这个时候多蓄水，留水待在枯水期才发电，起到调峰填谷的作用。澄厂水库的多年月平均来水量如表4： 表4多年月平均(m3/S)一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月十一月十二月7.55.55.68.334.387.3115.6110.553.228.115.69.2从表上可以看出，蓄水期为69这4个月，这4个月要蓄水又要发电，很矛盾，在汛期到来之时，从大的方面考虑，澄厂首要的是先要蓄水，其次才是发电。要利用汛期时多发电对小库容的河床式电站来说是最合适的，对有多年调节性能的大型水库不一定合适。如果遇到是枯水年，就是全部的来水量都用来蓄水，也是不可能蓄满有多年调节性能的澄厂水库的，所以每个水电厂的增容方案是要根据自身的不同情况，经过十分充分和周密的论证。三、增容后发电量并不相对增加增容后能不能增加发电量，这个结果是评价增容后经济效益的最重要条件之一，也是评价增容改造后成功与否的标准之一。水电厂增容改造不能为了增容而增容！增容不增发电量意义就不大了。预期采用JF2513转轮每年能增加1700万度的电能，可实际不如人愿。现用改造前后各参数很相似的几个时段来进行比较说明HL702转轮和JF2513转轮的差别。表5，表6所示。 19851987年和20002002年的主要参数比较： 表5年代年初库容来水量发电用水总电量年代年初库容来水量发电用水总电量108m3108m3108m3108kWh108m3108m3108m3108kWh19854.7289.1758.3760.7220005.7157.2677.9730.7219865.52713.14310.751.1320015.00913.06411.5711.1519877.9211.71511.8511.2220026.50212.47811.5881.241987年末存水量7.784108m3，2002年末存水量7.392108m3。所有表中20002002年已扣除1 m3/S的城市供水量。发电用水水量=开始月初水库存水量各月来水总量最后月末水库存水量。每月来水量=月平均每秒来水量360024当月天数 ，总来水量是各月的水量相加。1986年和2001年前九个月数据比较： 表6一月二月三月四月五月六月七月八月九月十月1986年来水(m3/S)6.24.43.56.318.976.813610082月初水位(m)173.46171.82169.92167.47165.76166.23171.97180.43183.31184.3发电量(10kWh)8454846244048650088201404869409501601499052199522813281242001年来水(m3/S)3.8538.328.2109.6155.7138.220.5月初水位(m)171.64170.37169.23167.71166.45167.48174.73182.82184.62183.34发电量(10kWh)433524373824400812421620433176822756166610423330401265988从表5、表6中可以知道，不同的调度方式使发电量有较小的差异，但对大局影响不大。 水位和库容容量关系 表7水位(m)166.12167.47167.71168.15169.50171.82173.46176.75179.50183.34184.3库容(108m3)3.6243.73.9754.0874.4205.0605.5276.4927.3958.7569.16从表6、表7（较精确的是从水位和库容容量关系表查）算得出表8： 相近水位变化时的水量与发电量的关系: 表8年份月份水位变化m来水量108m3发电用水108m3差额108m3百分数%发电量(kWh)差额(kWh)百分数平均耗水率m3kWh1986 23171.82167.470.2011.5610.22116.514894120281252023.210.482001 13171.64167.710.3061.341208160011.911987 4172.73168.150.1791.4061202532011.691986 49167.47184.3011.0685.608-1.746-23.7618003607626480-119.072001 49167.71183.3412.1357.3546946284010.59198735176.84166.120.8063.7120.51316.037798080606972019.19.82200214176.75166.550.4173.1993172836010.08差额改造前数据改造后数据；百分数差额改造后数据百分数。从表8上可以看出： 1、1986年和2001年的枯水期对比，在171.82167.47m水位之间，HL702转轮能用比JF2513转轮多16.5%水量和少30天的时间（开单管双机时间多，不然发电量更多），发出多23.2%的电能。1987年和2002年的枯水期对比，在176.84166.12m水位之间，HL702转轮能用比JF2513转轮多16.0%水量和少30天的时间（开单管双机时间多），发出多19.1%的电能，所以在枯水期HL702转轮比JF2513转轮有优势。2、在1986年和2001年49月蓄水期水位的升高过程中，在相同的发电时间里，JF2513转轮在整个蓄水期用了比HL702转轮多23.7%的水，而且是水位普遍比HL702转轮高的情况下发电，才发出比HL702转轮多11%的电，而这个多出来的水量（1.746亿立方水）给HL702转轮在枯水期时(例如1986年2-3月)的低水位发电，它能再发出1500万度的电，如果这个水量放在较高水位时发电，发电量一定大大超过1500万度。所以HL702转轮也显示出了它的优势。3、如何理解1987年4月HL702转轮为什么引用的水量多，水头高，而发的电又比2001年13月的少呢？因为在这个月发电的时间短，多处在单管双机运行，引用的流量大，压力钢管水头损失大，所以单机效率低出力小，在总发电用水量差不多的情况下总发电量相对小。如果HL702转轮发电时间拉到和JF2513转轮一样长，相对它引用的单位流量就小，水头损失小，它发出的电会更多。4、JF2513转轮虽然为高效转轮，但其优势在澄厂没有体现出来。从出力公式N出力9.81QH可以知道（式中为效率，Q为流量，H为水头净高程），在H和基本不变的情况下，JF2513转轮要有超出力运行，主要是靠其流量Q的增加得到的，流量Q的增加必然导致压力钢管水头损失的增加，压力钢管水头损失是与流量成正平方比的，HCAQ2（A是和钢管粗糙度、长度、直径大小有关的一个常数），当流量增加时，流量所造成的压力钢管水头损失以平方数增加的，所以发出的出力就相对的少了。压力钢管水头损失的增加抵消了JF2513转轮所提高的23%的效率，JF2513转轮发电量少的原因很大程度是压力钢管水头损失太大造成的。如何减小压力钢管水头损失也是值得探讨的。5、从表8上还可以看到，无论在低水位还是高水位，JF2513转轮的耗水率都大于HL702转轮的耗水率，即每发一度电，JF2513转轮的用水电都大于HL702转轮的用水量。耗水率是衡量转轮是不是运行在高效率、机组是不是经济运行的一个指标，耗水率应越低越好。综上所述，增容后的发电量并没有明显的增加，反而JF2513转轮在和HL702转轮的发电量在对比中反而有所降低，所以增容后不但不能使发电量增加，反而使发电量减少了，达不到增容后增加发电量的效果。四、增容后对水库调度的影响较大 在增容改造成后，机组的发电用水发生了较大的变化，水库调度方案也随着发生了根本性的改变，如何用好水库里的水成为一个新的课题。澄厂水轮机增容的一个目的就是丰水期能多发电，尽量不弃水。现在看来增容后在丰水期多发的电量，不足以弥补在枯水期因机组总效率下降造成的发电量损失。由于JF2513转轮引用流