丹江口小水电站增容改造探讨

技术 改造 S M A I I H Y D R O P O W E R 2 0 1 1 N o 5 T o t a l N o 1 6 1 丹 水 电钻 僧 客 改 造 探 讨 何立功 丹江口小水电有限公司 湖北丹江口4 4 2 7 0 0 李建松 丹江 口电厂 湖 北 丹江 口442 7 0 0 摘要 随着南水北调中线工程丹江口大坝加高即将 完工 丹江口小水电站水库正常蓄水位将由1 5 7 m 提高至1 7 0 m 电站水头提 高 需对 引水部分强度值重新校 核 并对水轮发 电机组进行 增容改造 以满足新水 头下安全运行的要 求 关键词 小水电 站增容改造计算 1 概述 丹江 口小水电站位于南水北调中线工程水源地 丹江 口水利枢纽大坝右岸 电站建于 1 9 9 2年 电 站发电采用长 1 3 3 3 m 主 引水钢管l 联 合供水 再 分岔为两分支引水钢管经液动平板蝴蝶阀门与机组 蜗壳连接 电站装机为2 0 Mw混流式发电机 2台 随着丹江 口水利枢纽大坝加高工程即将完工 水唪正常蓄水位将由1 5 7 1 提高至 7 0 IT I 电站发 电 最大水头 由6 5 m提高至7 8 m 最小水头由4 7 1 11 提高 至5 3 m 平均水头由5 7 5 m 提高至6 8 1 7 1 水轮机经 常运行水头范 围为 6 4 7 4 n l 因 电站引水水头发 生了较大变化 所以也影响电站与发 电相关设备正 常运行 1 由于水头上升 水压变化 引水部分引水 钢管及机组蜗壳强度能否满足加高后水位下正常安 全运行的要求 其强度值需重新进行校核 2 由于水头变化 水轮机运行工况严重偏离 最优水头运行区 效率变低 空化性能和运行稳定 性也出现问题 水轮机需进行改造以适应新水头运行 3 由于水头上升 为充分利用提升 的水头潜 力 应对水轮发电机组进行合理改造 增加 发电 效益 2 引水部分强度校核 电站引水系统是按初期水头条件设计 引水钢 管 蜗壳承受最大计算压力为9 5 m水柱 由于大坝 收稿 日期 2 0 1 1 一O 5 2 6 作者简介 何立功 1 9 7 1 一 男 工 程师 主要从 事水 电 厂生产技术管理工作 E m a i l ug 4 2 5 5 1 6 3 c o m 6 0 加高 水头上升 机组水力过渡过程需进行重新核 算 以验证是否超出初期设计计算压力值 2 1 引水钢管及蜗壳 2 1 1 关闭蝴蝶阀水锤压力计算 水锤压力计算公式为 H h M h M a v T 式中 h M为最高水头 取值7 8 m a为压力 波速度 o 8 9 2 m g为重力加速 K D 丽 度 取值 9 8 1 I n s 2 V为管 道内水 流速 T为压 力波传播 1 个周期的时间 设定为 T 0 3 S t 为 关闭时间 设定为 t 9 0 S 1 用总管流速 7 4 m s 计算总水压力 詈 7 8 4 8 0 2 m 水柱 2 采用叉管流速 Jn 5 9 4 m s 计算总压力 M 詈 7 8 5 9 譬 7 9 8 m水柱 故可得到蝴蝶阀前水柱压力为8 0 l 左右 因蝴 蝶阀关闭时间为9 0 S 在 阀门前 引起的压力上升很 小 因此在9 0 s 内压力波己经衰减到非常小 但是 与蝴蝶 阀很 近 的导 叶其 调 速 器 的 关 闭 时 间 设 定 为 6 3 s 远远小 于蝴蝶 阀关闭时间 故蜗壳处 的压 力 上升可 能较 大 故 需校 核计算 2 1 2 导叶关闭时蜗壳压力上升计算 蜗壳压力上升计算主要 目的是计算最大压力上 升值 校核给定的调节时间是否合理 计 算最 大压 力上升值 分 不考虑 调速 器延迟 关闭 的影 响和考虑 调速 器延迟 关 闭的影 响两 种情 况 另 小水电2 0 1 1 年第5 期 总第 1 6 1 期 技术改造 外 不考 虑延 迟关 闭 的压力 上 升系数 一 定是 小于 考 虑延迟关闭的压力上升系数 所以在这里只例举考 虑延迟关闭时压力上升系数 的计算过程 调速器关闭时间为 6 3 S 延迟 系数 k 0 8 压力波传 回到导水机构的时间为 T 0 3 4 s 采用计算方法求最大压力上升系数 得到在水轮机 关闭末 了时且考虑延时关闭影响时的压力上升值为 3 3 5 由此可得到蜗壳 内的压力值 H M h M 1 7 8 1 3 3 5 1 0 4 1 m水 柱 由此看出 蜗壳的最大压力值为 HM 1 0 4 1 m 水柱 超过初期蜗壳承受最大计算压力9 5 m水柱 为确保引水系统安全运行 又不进行大规模 大资 金投入对引水系统进行改造 最终通过论证可以调 整调保计算值 将调速器 紧急关 闭时 问由6 3 s 调 整至8 S 有效地降低 了水锤压力上升值 经计算 当 8 s 时 蜗壳最大压力值为9 4 7 6 m 水柱 由前面的计算得到下面的结论 1 导叶关 闭引起 的压力上升值大于蝴蝶 阀关 闭引起的压力上升 故引水管强度计算要以此为依 据 通过调整调保计算 值后 蜗 壳最大压 力值 为 9 4 7 6 r n 水柱 引水管有足够的强度 2 蜗壳 的压 l力接近允许值9 5 m水柱压力 经 分析问题不大 因为计算中使用的流速偏高 导水 机构一动作 流量就开始减少 流速就下降 压力 上升将小于计算值 2 2液 动平板 蝴蝶 阀 门的 强度 液 动 蝴蝶 阀 门为 初 期 水 头 设 计 安 装 投 入 运 行 经强度核算 水头提高后 蝴蝶阀门控制接力 器油缸容量偏小 操作力矩偏小 不能保证动水关 闭安全 无疑使机组失去 了防止事故飞逸转速保护 的措施 同时在新水头压力下 蝴蝶阀阀门上 下 游法兰和分半法兰弯曲应力要求偏高 平均应力达 1 0 5 M P a 综合应力与局部应力会更高 螺栓应力 达1 5 1 MP a 活门轴应力也偏 高达 1 1 5 M P a 初期液 动蝴蝶阀门在运行中可能会造成诸多危害性变形甚 至破坏的隐患 因此 液动蝴蝶阀门必须进行整体 更 换 以满 足新 水头 下 安全运 行 的强度 要 求 3 水轮机部分改造 电站原 H L D 7 5转轮是制造厂家 当初在 2 0世纪 8 O 年代为三峡工程研 制 限于当时水轮机设计试 验水平 针对防止进水边空化等措施考虑不足 再 者 H L D 7 5转轮材质为普通碳钢 水力机械设计手 册对普通碳 钢材料推荐 K值 为 1 1 0 1 1 3 实 际 运行水头区间 值 为 i 2 5 1 7 6 对应 的空化系 数 盯 值为 0 1 4 4 0 2 1 1 难 以保证水 轮机在新水 头 下安 全运 行 水头提高后 特性水头下原水轮机额定工况运 行空化系数明显降低 转轮叶片进水边负压面将产 生涡流 叶片进水边 空化气蚀破坏 空蚀特性 变 差 难 以保证水轮机转轮在高水头条件下的无空化 安全运行 运行 区严重偏离最优效率区 效率明显 下降 机组额定 出力时导叶开度明显减小 导叶开 度可能经 常运行在 5 0 7 0 区问 机组 高频震 动加大 严重影响机组安全运行 因此 必须进行 水 轮机 改造 新水轮机转轮研发是结合 电站现场 已有具体条 件 并在考虑引水系统流量 水轮机涡壳等埋设部 件保持不变的情况下进行的 笔者所在公司技术人员与某大学水力学试验室 密切合作 充分利用 大学师资 力量 和先进 的 C F I 计算机设计试验室 经过多次模拟解析验证和多次 数据修正改进 最终研发出适合电站的最优工况新 HL D 5 0 3 转轮 经东方 电机厂水力试验高台试验后 证明 新 H lf J T 5 0 3 转轮在新水头下运行 空蚀系数 较少 压力脉 动值 2 2 能量指标 9 4 2 综 合总结各特性指标 及稳定性方 面得 出 H L D 5 0 3转 轮适合水头运行条件 且运行性能也较优 良 电站最大水 头提高后 机 组轴系受 力随之增 大 经核算 后查对原机组 东方 电机厂设 计资料得 知 原机组轴系设计预留的裕量较大 仍在许用应 力范围内 则 原轴系经检 测后如无 问题 可 以继续 使用 4 发电机部分改造 水轮机出力 由原2 0 6 2 M w增加到2 5 5 M W 为 增加机组运行利用率 充分利用水轮机改造后设备 的潜力 2 j 同时进行了发 电机改造 合理增加发电 机的容量 通过更换发 电机定子铁芯 定子线棒 转子磁极线圈 不更换转子磁极铁芯 磁轭和转子 支架 发 电机 出力可 由原 2 0 MW t 容 到2 5 Mw 1 定子铁 芯改造 定子铁芯损耗是发电机电 磁损失的主要部分 电站机组投产较早 运行 已近 2 O a 加之多年的长期满负荷 超 负荷运行 年平 61 技术改造 S M A L L H Y D R 0 P O W E R 2 0 l l T o t a l 0 J 6 均运行小时数高达8 4 O 0 h 造成铁芯松动 涡流 损失增加 硅钢片磁滞损失较大 电气绝缘老化 所以铁芯部分予以更新改造 其甲包括更换铁芯固 定方式 改造后可有效增加铁 导磁率 使发电机 效率进一步提高 2 定子绕组改造 将原 B级绝缘提高到 F级 减小主绝缘 的厚度 增加线棒的股线截面 可使有 效面积增加 1 5 左右 有效 降低绕组 的电阻和损 耗 同时利用线棒换位技术 提高线棒切割磁场均 匀性 最终达到提高电负荷的 目的 3 改变铁芯通风槽 的尺寸 增加铁芯和线圈 的冷却面积 使定子铁 芷 通风更加均匀 有利于降 低定子线圈和铁芯的温升及铁芯温差 相应增加 了 线圈的导线有效截面积 4 转子部分励磁绕组改造较简单 只需考虑 增加 由于定子电流增加引起的电枢反应去磁作用增 加的部分励磁功率即可 可采用更换励磁线圈并增 加线圈匝数和铜线线径的方法解决 同时改进励磁 绕组绝缘结构和适 当减小气隙值 5 转子磁极机械强度在机组甩负荷导水叶紧 急关闭时 可延长导叶关闭时间 有效地控制转速 上升率 经过核算 在最大转速上升率出现时 转 子磁极 T 尾 拉应 力及剪 应力均 小 于原设计值 1 3 5 0 k g c m 2 许用应力 磁轭平均拉应 力小于原设 计值3 6 0 0 k g c m 2 许用应力 材料的强度 已满足改 造后运行的要求 所 以也不需考虑进行再改造 5 结语 通过增 容改造 使机组在新工况下能够安全可 靠运行 设备运行稳定性也有了明显改善 同时提 升了机组的性能指标 建议增容改造完成后在合适 机会还应进行科学的改造论证试验 如进行超出力 运行试验 稳定性试验 噪声测量等试验 同时还 应关注新转轮运行工况 以论证机组改造后的性能 是否能达到改造当初的设计要求 参考文献 1 潘家铮 压力钢管设计E M 北京 中国水利电力出版 社 1 9 9 0 2 黄定 奎 陈 贤明 东风发 电厂机组 改造 增容 工程介绍 J 贵州水力发电 2 0 0 5 3 5 1 5 3 责任编辑吴昊 止J止 业 屯 也 j也j s 屯j j也 址 屯j Lj j j 上 姒j 4t L4L L 屯j J tj也 j Lj止4 业j j也 L s 止 上接 第 6 4页 二 P g Mo o N H p g Q 结果对流道进行改进设计 最终使卧式机组的性能 与原立式机组 的性能一致 说明将基 于 C F D的混 流式水轮机性能预估方法应用在水轮机的水力设计 2 和改造中 可以大大减少模型试验次数和缩短产品 3 开发周期 汁算 结果 表 明 依 据 电 站要 求 改 进 的 机组 HI A6 7 8 一wJ 一 1 2 0的性能满足机组的性能要求 性 能与 H T J A 6 7 8 一L I 一 1 2 O相当 故在该技术参数的电 站下运行 H L A 6 7 8 一wJ 一1 2 0可以为满足电站布置 要求而取代 H L A 6 7 8 一U l 2 0 从图 3中可看出立式机组 内水流运动迹线很顺 畅 见图 3 而在卧式机组尾水管出 口上侧存在 涡流 涡流 的产 生 与机组 的布置 型式及尾 水管 的倾 斜等有关 由于该涡流远离于转轮出口 故对机组 的性 能影 响较小 3 结语 改进后的流道经实际电站运行 不仅满足电站 布置要 求 也 满 足 了机 组 性 能 要 求 基 于 C F D对 H L A 6 7 8 进行全流道三维数值模拟分析 依 据计算 62 参考文献 1 郭鹏程 罗兴绮 郑小波 等 混流式水轮机内三维定 常湍流数值 研 究 J 水 动力 学研 究 与进 展 2 0 0 6 2 1 2 1 8 1 1 8 9 2 齐学义