大型低水头电站改造.doc

大型低水头电站改造国际水力发电2002年第5期?o.o.o.o.5机电2?o?oo?o.大型低水头电站改造【摘要】严重的转轮叶片裂纹问题引起美国落基里奇水电工程开始水轮机改造的计划.华盛顿州奇兰县第一公用事业分区拥有和运营者美国第二大非联邦的水力发电系统.该区三个水电项目中的两个项目,落基里奇(RockyReach)和洛克(Rock)岛为哥伦比亚河上有11座水坝的系统的一部分.第三个水电工程为奇兰湖(LakeChelan)工程,这三个项目的总发电能力超过2000MW,每年的发电量大约为1000GWh.电力卖给奇兰县的居民,阿尔科阿的Wenatchee炼铝厂和四个大的购电公司(PugetSound能源公司,Avista公司,Pacifi公司和波特兰通用电气公司).1工程概况落基里奇工程为一个径流式电站,由大坝及坝肩系统,闸控溢洪道,鱼道设施,配电系统和安装有11台发电机组的厂房组成.以水力发电机组及其附属设备为重点的广泛的改造扩容方案最近已经进行.1号机组至7号机组为六叶片立轴轴流转桨式水轮机,额定功率为140000马力,水头为28m,转速为90rpm,于二十世纪六十年代初期由AUisChalmers制造.每台水轮机具有半蜗壳,2O个固定导叶,20个可调节的碳钢铸造叶片,半球形基础环,和一个弯肘形尾水管.转轮有6个可调节的叶片,叶片接力器位于水轮机轴和发电机轴之间的中间轴内.其余的8号至11号机组的原有水轮机为立轴定桨式水轮机,额定功率为177000马力,额定转速为85.7rpm,由Dominion工程公司于二十世纪七十年代初期制造.每台水轮机具有半蜗壳和弯肘形尾水管.导水机构有2O个固定导叶和2O个碳钢装配式活动导叶.原有的水轮机转轮有5只碳钢固定导叶.在二十世纪九十年代初期,1号机组至7号机组开始出现严重的转轮叶片裂纹,起初在叶片和枢轴之间的界面,后来逐渐沿着对角延伸到叶片边缘.因为在原设计中没有去应力槽,这种状况进一步加重.在没有适当地去应力的情况下,原位修补碳钢轴流式叶片中的裂纹的努力基本上都失败了.因此,对于落基里奇电站的1号至7号水轮机,没有考虑这种修补.1992年可行性研究确认了用新的现代化转轮替换整个转轮装置的技术和经济可行性.提出了水轮机改造项目的基本原理和方法.2.LiuGuangTingandHaoJutao,SimplifiednumericalmethodinstressanalysisofRCCarchdamwithlayerstructure,JournalofTsinghuaUniversity,Beijing,China,(inChinese),No.1,1996.3.LiuGuangTingandZhouRuizhong.Strengthofafinitebodywithmultiplecracks,EngineeringFractureMechanics,No.35,1990.4.LiuGuangTing.MaiJiaxuanandZhangGuoxin,ResearchonXiBingRollerCompactedConcreteThinArchDam,JournalofHydroelectricEngineering,Beijing,(inChinese);1977.5.Pekau,O.A.,Zhang,Z.X.,andLiu,G.I1.Constitutivemodelforconcreteinsainspace,JournalofEngineeringMechanics,No.9,l992.6.LiuGuangting,LiPenghuiandHuYu,TheRCCArchDalllStructureonTaxiRiverandWaterStorageMeasureDuringConstruction,Proceedings,InternationalSymposiumonRCCD,ChengDu,China;1999.刘国锋译自英(Hydropower&Dams>)2002年第3期丁红岩校一37国际水力发电2002年第5期采用了竞争性招标的办法,在独立实验室,对两个制造商提供的水轮机模型进行模型试验.然后将更换水轮机的设计,制造,运输和安装的合同的其余部分授予中标的制造商.意大利米兰的伏伊特里瓦水电公司和瑞士苏黎士苏尔寿艾舍维斯公司是两个最有资格的投标者.这两个公司都制造和试验了原有水轮机的1:20的类似模型,然后设计和开发了替换转轮.原有的流道是相同的,技术要求要求模型在相同的水力条件下进行试验,这对两个投标者是公平的.在独立的采购过程中,奥地利格拉兹ASTRO实验室被选为两个投标者重新进行模型试验的独立实验室.在1994年6月,竞争性模型试验之后,该区将1号机组至7号机组改造的合同授予了伏伊特里瓦水电公司.在模型开发期间,提出了与小鱼通过水轮机的安全鱼道有关的新思路.为了充分开发这些思路,伏伊特里瓦水电公司进行了补充的水轮机模型开发.主要基于消除了转轮叶片和邻近部件之间的楔形间隙,在模型上开发,实施并试验了利于过鱼的修改.消除上游叶片一轮毂间隙后来应用到了落基里奇电站的所有11台水轮机上,以及哥伦比亚河上的其它水电站,例如瓦纳普姆(Wanapum)电站和邦纳维尔(Bonneville)电站.一进行完模型试验,于1996年6月就开始进人制造阶段,更换部件由位于米兰的伏伊特里瓦水电公司和欧洲的各个分包商制造.2改造范围1号机组至7号机组的改造包括用现代化的轴流式转轮更换原水轮机转轮,转轮有6个不锈钢叶片,转轮直径与安装高程和原有转轮保持不变.替换转轮增加的效率和消除由于转轮叶片结构故障引起的停机超过抵消的项目成本.基础环内表面镀了不锈钢,使其恢复原来的形状.正在通过为推力瓦增加液压平衡系统来改造推力轴承,以便在最不利运行条件下有足够的承载能力.发电机定子基础板也正在更换以控制温度变化.另外,也在改造调速器液压系统:保持原来的350psi(2.4MPa)工作压力,更换了主要油泵,油槽和集油箱的容积增加了,用现代化的数字一38一技术更换了调节器和控制单元.检查了在项目中再次应用的所有部件,并且恢复到原来的状态,如果必要的话,进行更换.四台轴流式水轮机改造的可行性研究表明了用现代化的轴流式转轮替换原有轴流式水轮机的效益.新转轮直径加大,有5个不锈钢叶片,安装高程比原有转轮大约低0.9m.改造改善了水轮机性能,解决了振动和结构问题.为了改善进水边的流态而对座环所做的修改也提高了效率.也在改造导水机构,安装了新的自润滑轴套.新的半球形不锈钢基础环的直径增加,与新转轮的较大直径和较低的安装高程相适应,以维持原来的水力容量.为了与新负荷相匹配,正在更换推力轴承.另外,从定桨式水轮机到转桨式水轮机的转变迫使更换整个调速系统,增加受油器,改变水轮机和发电机主轴以容纳油控制管路.新调速系统的操作油压力增加到785psi(5.4MPa).每台水轮机由新的数字调速器和可编程逻辑控制器(PLC)来控制.1号机组至7号机组更换部件的现场运输工作于1999年年底完成.8号至11号机组的招标文件正在编制,而1号至7号机组的改造进人安装阶段,.另外,为了解决原有机组的振动,空蚀和叶片裂纹问题,在这些文件编制过程中,发现需要加强整个电厂运行的灵活性.8号机组至11号机组的改造计划于17号机组改造之后进行.由于增加了何时机组必须投人运行以援助下游鱼道的限制,所以将8号机组至11号机组的改造纳人整个方案的必要性在1995年年初变得越来越迫切.因为无论是1号机组至7号机组还是8号机组至11号机组,机组改造排序的灵活性,对于该区都是个重要的因素,8号机组至11号机组转轮更换和水轮机改造被加到1号机组至7号机组转轮更换的已有合同中.这种安排的另一个好处是由伏伊特里瓦水电公司开发的用于1号机组至7号机组的设计特性,即有利于过鱼的改造,对8号机组至11号机组也将是可用的.确定了工作范围,进行了合同谈判和建立了性能保证.8号机组至11号机组的改造分两个阶段完成.在第一个阶段,伏伊特里瓦水电公司设计了国际水力发电2002年第5期更换的水轮机转轮和附属部件,开发了相应的水轮机模型,包括利于过鱼的特性.最后,水轮机模型性能由独立水力实验室(ASTRO)验证.第一阶段满意完成之后,该区发布了继续进行第二阶段工作的通知,包括制造和安装在内.8号至11号机组部件的制造于1996年6月开始.1号机组至7号机组的转轮叶片与枢轴整体用134CrNi不锈钢在法国CreusotLoireIndustrie铸造厂铸造.叶片在同时获取五轴铣削技术的位于米兰的伏伊特里瓦水电厂进行机械加工.转轮轮毂在英国谢菲尔德的RiverDon铸造厂铸造.部件运到米兰的伏伊特里瓦水电厂,单个装置,例如转轮,在那里被装配到最大可能的程度以利于现场装配和安装.调速器油泵组由美国宾夕法尼亚州的Rexroch公司制造,在工厂检查完毕之后,被直接运到工地.8号机组至11号机组更换部件的现场运输工作于2000年年初结束.下游洄游鱼的鱼道也成为一个问题,已经明确在四月至八月洄游季节,大多数鱼群通过1号,2号和3号机组游到河流的下游.显然,在鱼洄游季节,1,2,3号机组不能停机进行检查.在那时,有利于过鱼的水轮机特性的开发仍然在进行之中,作为1号机组至7号机组中的最后一批改造的机组是有利的,因为这三台机组能从开发的结果中最大地获益.为了适应对过鱼的考虑,将机组改造的顺序计划修改为6,7,5,4,3,9,2,10,11和1.由于1999年l2月发生的3号机组转子磨损定子引起严重损坏的事故,改造方案于2000年中止了大半年.2000年11月改造方案恢复进行,接着改造lO号机组,于2001年7月完成.其余两台机组的改造应该于2003年3月31日前完成.3开发和测试该区从1号至7号机组应用的模型开发方法的几个方面受益匪浅.首先,即使已经满足了其保证值,竞争性模型试验也迫使制造商继续提高水轮机性能.这是因为一个竞争者不了解另一个竞争者的成果,合同的第二个阶段将被授予报价较低的竞争者,通过效率降低的设备价格受益.按照费用,效益和机组台数,该项目足够大,进行竞争性模型试验是合算的.对于小型项目,通常不合算.另一个重要的方面是水轮机性能的验收是在模型上进行的.这消除了浪费和作为合同一部分的不确定的现场效率试验.在独立实验室,相同尺寸的两个模型在相同的水力条件下进行试验,结果可以直接进行比较.制造和测试原有水轮机模型是下一个重要的步骤.它为从转轮更换中获得的性能效益的准确确定提供了基准.应用水力相似定律换算的从模型到原型的效率增量被认为比水轮机改造前,后进行的现场效率试验确定的要准确得多.与1号至7号机组不同的8号至11号机组的水力设计不得不建议,不仅从定桨式水轮机变为双调节的转桨式水轮机,而且转轮直径增加大约5%,安装高度降低接近lm.由于这个原因,制造和试验原有转轮的模型是没有意义的.同样,对于1号机组至7号机组,所有工况要求转轮叶片扭矩具有开启趋势,以允许机械限速器维持低于发电机设计转速的最大转速.8号机组至11号机组的正式模型试验也在奥地利ASTRO独立水力实验室中进行,在那里可以验证以前在制造商实验室中进行的模型试验的结果.一旦合同的试验结束,延伸选定的座环的进水边,以进一步提高水轮机的效率.在用于1号至7号机组和8号至11号机组的标准轴流转桨式水轮机设计的合同模型试验开发方案完成之后,该区在模型水轮机上勘测了利于过鱼的水轮机特性,这些试验在位于米兰的里瓦实验室和位于格拉兹ASTRO实验室中进行.这些重点是减小叶片枢轴上游和下游的转轮轮毂一叶片间隙.也为8号至11号机组开发了球形转轮室,取消了转轮叶片边缘与沿叶片整个长度的转轮室之间的间隙.在1:20比例的水轮机模型上做了模拟通过水轮机的小鱼的运动的尝试.这通过密度等于0.98倍水密度的材料制成的惰性,不带电,能漂浮的颗粒来进行.对模型进行了修改,以允许用特殊的内窥镜和高速电视记录系统来观察鱼.参考文献:1.Hron,McKee,Bramafi,Rossi,RockyReachKaplanTurbineReplacement,presentedtoWaterpower97conferenceinAtlanta,GA,August1997.一39国际水力发电2002年第5期C000.006升级与更新9000000古老水车将获得新生热拉尔德?米勒等【摘要】水车通常被看作属于过去而对于未来无用的低效率能量转换装置.但是,本文作者解释说,在低水头微型水电应用中,水车是有效的,而且节省投资.在欧洲,有大量的低水头微型水电厂(水头5m,功率100kW).在工业革命期间,水力是主要的动力来源,在低水头坝址修建了成千上万的水力磨坊.不过,现在由于缺乏投资省,效率高的水电转换装置,大多数这样的水动力资源没有被开发.最近,在低水头坝址,许多开发项目在经济上看起来有了发电的可能性.这些开发项目包括两种最古老的水力机械,即水车和阿基米德螺旋抽水机后者逆向作为动力源而不是作为水泵工作.l水车现在,水车通常被认为是工业革命开始时遗留下来的文物;浪漫但是效率低的水车由木料制成,属于过去的事物.通常认为水轮机比水车的效率高得多,因此接替了水车的水能转换装置的作用.不过,统计显示了不同的情况.在巴伐利亚德国一个面积为70500kin的省份一有7554个运行的水车,最晚的为1927年建,发电出力从0.75kW至75kW,在十九世纪中期,当Zuppinger设计了最先进和有效的水车时,发展达到了高级阶段.工程师,制造商和工厂业主已将水车当作商业上感兴趣的动力源.不过,在二十世纪四十年代期间,实际上所有的水车似乎已经消失了.现在,德国的一些公司(Bega,HydroWatt)和美国(水车工厂)又正在制造用于发电的水车.这种水车的性能特点仍然不很清楚.可用的发电潜力的评估,与其它型式水轮机,例如卡普兰水轮机或双击式水轮机的比较,甚至水车最优运行工况的确定主要依靠估计.现代水车,即用科学原理制造的水车,由钢制成,并且仅仅利用水的势能,因为在低水头水流中,势能大大超过水流的动能.能将这些水车区分为三种基本形式:?上击式水车:水从上部进入水车;2.5m<H<10m,每m宽度Q0.2m/s.?胸射式水车:水大约从轴线高度进入水车;1.5m<H<3m,每m宽度0.3Q0.65m/s.?下击式水车:水从轴线以下进入水车;0.3m<H<2.0m,每m宽