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水电站增效扩容改造工程设计与实施

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[摘要]澄碧河水电站于1964年兴建,装机为4×6.5MW,1997~2000年通过改造扩容为4×7.5MW,但改造后水轮机在运行过程中出现严重影响机组安全稳定运行的空蚀问题,2012年再次启动改造。介绍了增效扩容改造工程的设计以及实施过程中遇到的问题和处理方案。

[关键词]澄碧河水电站;增效扩容改造;设计;实施;处理方案

1工程背景

广西百色市澄碧河水库于1958年9月动工兴建,1961年10月基本建成,后经1963~1978年和1987~1998年两次加固方形成现有规模。澄碧河水库枢纽工程主要由大坝、溢洪道、引水发电管、坝后电站等建筑物组成。澄碧河水电站于1964年兴建,装机为4×6.5MW,于1966年后相继投产发电。由于电站设备老化,1997~2000年,澄碧河水库管理局对电站水轮发电机组实施了增容技术改造。发电机定子部分全部更换新线圈,转子部分除1#机外全部更换新线圈;水轮机部分全部更换新型转轮。改造后电站转轮由原来的HL702-LJ-140更换为HLJF2513-LJ-140型转轮,电站装机扩容为4×7.5MW,额定水头52m,单机额定流量17.05m3/s。但是,改造后水轮机在运行过程中出现严重影响机组安全稳定运行的空蚀问题(见图1)。另外,电站机组运行自动化监控、保护水平低,安全隐患大,严重影响电厂的安全生产和经济效益。为满足电厂安全运行、节能减排的需要,满足当前社会发展、企业生存发展和提高企业职工收入的需要,需要再次进行增效扩容改造。

2改造设计

2.1水轮机转轮改造方案

1997年改造更换的HLJF2513转轮是中国水利水电科学研究院水力机电研究所在1994年专门为澄碧河水电站扩容改造而研发的转轮,该转轮以中国水科院为三峡工程开发的JF2803、JF2806为基础而研发,具有效率高、限制流量大的特点。从理论上分析,该转轮的水力性能是符合澄碧河水电站运行条件的,然而该次改造后水轮机在运行过程中发生了较为严重的空蚀,严重影响到机组的安全稳定运行和电站的经济效益。可见选择适合澄碧河电站运行工况的转轮是本工程设计的重点。为减少工程投资,确保现有电站厂房结构安全,本次增效扩容改造工程设计的原则是保留原机组流道蜗壳、导水机构、座环和尾水管埋件,电站装机台数按原电站装机台数4台,因此所选择的替代转轮直径须与旧转轮一致;导叶相对高度基本与原水轮机一致;新转轮在限制工况空蚀性能要优于现有转轮;同时新转轮过流能力必须满足现有机组流道、水轮机埋设部件不改造的限制条件。另外,由于电站的发电机在1997年进行改造时除1#机组的转子外已全部更新,因此本次改造除更换1#机组转子线圈、提高绝缘等级外,发电机其余部件基本不再改造,则新的水轮机转轮额定转速必须维持375r/min不变。基于上述边界限制条件,经过分析比较,选择X型叶片的JF2529C转轮为理论计算基础,分析适合电站水头段转轮的比转速ns和比速系数K、单位转速n11和单位流量Q11、模型空化系数бm、效率η等参数水平,提出澄碧河水电站水轮机新转轮的目标参数。针对澄碧河水电站无运行弃水的特点,与旧转轮相比,提出的新转轮目标参数效率高、单位流量略低,空化性能更优。

2.2采用当前成熟的材料技术和先进生产技术、设计手段实施机组改造

根据研究成果,结合项目特点,精心编制机组改造招标文件,详细说明机组改造所有限制条件,提出转轮(包括叶片和下环)材质均采用抗空蚀、耐磨损的材料,增强转轮抗空蚀效果;同时提出中标机组厂家必须采用先进的CFD技术分析新转轮对电站多个限制边界条件的适应性。通过招标采购,选用HLA835c-35转轮替代旧转轮,新转轮(包括叶片和下环)材质选用抗空蚀、耐磨损的不锈钢材料ZG06Cr16Ni5Mo,应用VOD超低碳精炼技术进行钢水冶炼以确保转轮铸件的品质及综合性能。南宁广发重工发电设备有限责任公司(中标厂家,以下简称“南宁广发重工”)委托哈尔滨大电机研究所对HL702转轮流道和HLA835c-35转轮进行CFD分析,通过CFD流体力学分析,模拟新转轮在现状流道中的运行状态,对比新转轮与目标参数的吻合度,验证新转轮的优越性。

2.3因地制宜,注重细节

为将有限的改造资金充分利用在机电设备更新升级,确保现有电站厂房结构安全,本次增效扩容改造厂房土建结构基本不改变,因此所有机电设备更新改造方案必须符合现有厂房布置条件。澄碧河水电厂于1964年兴建,设计图纸资料有缺失,特别是厂房土建结构图和布置尺寸图不全。为确保改造方案可行,设计人员多次前往电站现场,复核厂房和开关站布置尺寸、土建结构,与业主充分沟通后确定改造方案并因地制宜地开展施工图设计。电站厂房水轮机层、水轮机进水蝶阀层通道狭窄、机电设备布置尺寸紧张,现场厂房尺寸复核工作尤为必要。

2.4力求改造方案效益最大化

由于本次改造资金有限,难以一步到位更新全厂所有机电设备,因此设计人员对电厂原有设备运行情况和性能参数进行详细调查,在此基础上与澄碧河水库管理局反复沟通协调,保留部分状况尚可的设备,选择对电站安全稳定运行影响较大、不满足节能型产品要求或者为提高电站自动化水平、实现电厂综合自动化、减轻运行人员劳动强度、增加电厂效益需要更新的设备进行改造。

3改造内容

经过分析研究,确定本次增效扩容改造工程的主要改造项目如下:

3.1水力机械

⑴水轮机保留蜗壳、座环、尾水管等埋设部件,更换4台套水轮机转轮;⑵更换4台套水轮机的大部分水轮机自动化元件,并增加一部份自动化元件,以满足机组自动控制需求;⑶更换4台套旧调速器及其油压装置,以满足水轮机、水轮机调压阀的联动控制要求和实现电厂微机综合自动化监控;⑷拆除4台套旧放空阀,更新为4台套水轮机调压阀,以满足引水发电系统调节保证及安全与稳定运行的要求;⑸更换电厂油、气、水系统的部分设备和自动化元件,以实现电厂自动化监控。

3.2电气工程

⑴更换1#水轮发电机转子线圈,将转子绝缘等级由B级提高到F级;⑵更换2台水轮发电机励磁系统,包括变压器、励磁屏等;⑶更换4台套水轮发电机的滑环部件及上盖板,拆除原发电机的励磁机部件(与滑环做成一个部件);⑷更换4台水轮发电机制动系统(含制动闸、集尘系统、制动屏);⑸为预留水轮发电机超发电能输出及电网35kV侧系统电能向110kV侧系统输入能力,电厂3B主变容量由原来20000kVA增容至31500kVA,并将电站原用的高损耗、已淘汰的变压器更换成S11新型节能低耗变压器;⑹拆除7B1000kVA变压器,保留6B3150kVA变压器,将近区10.5kV配电装置由户外式更换为户内式,与原有10.5kV近区I段母线并联运行,接成单母线分段接线;⑺更换电站原用已运行多年的10.5kV、35kV、110kV配电装置;⑻更换4B、5B厂用变压器、动力配电箱等,采用干式低能耗变压器;⑼更换电站照明系统,采用节能型灯具、重新敷设照明线路;⑽检修维护防雷及接地部分;⑾增设电厂计算机综合自动化系统;⑿增加辅机远程智能控制设备;⒀更换电站继电保护设备;⒁增设电厂视频系统;⒂更换电厂电力电缆、二次信号控制电缆,更换水轮机层电缆桥架。

3.3升压站修复改造

⑴拆除重建围墙(含大门)。⑵改造设备构、支架及电缆沟。部分拆除并重建原110kV、35kV构架及110kV、35kV和10kV设备支架;对配置有操作机构的设备相应设置绝缘地面;新建电缆沟,总长16.4m。⑶修复改造后破坏设施。对构、支架拆除及基础开挖破坏的排水系统、原硬化场地及电缆沟进行修复复原。⑷改造后重新敷设升压站人工接地网。

4实施改造

4.1实施过程

2012年,《百色市澄碧河水电站增效扩容改造工程初步设计报告》编制完成并审查通过。2013年,完成机电设备采购和安装施工招标。2014年12月30日首台机组改造完成、通过启动验收投产发电,2015年6月15日4台机组全部改造完成,2015年12月28日,百色市澄碧河水电厂增效扩容改造工程通过广西水利厅委托百色市水利局组织的完工验收。

4.2CFD分析不足之处

本次改造南宁广发重工对转轮性能的CFD分析存在以下不足之处:⑴由于缺乏HLJF2513转轮的叶片型线数据,且机组流道维持HL702转轮流道不变,因此本次CFD分析是针对HL702转轮流道、对HLA835c-35转轮与HL702转轮进行CFD对比分析,未能直接对HLA835c-35转轮与本次改造前HLJF2513转轮进行CFD对比分析。⑵未能对转轮和活动导叶作为一个整体进行藕合CFD分析。⑶分析成果缺乏转轮与现状转轮的效率、叶片工作面(正面/正压面)压力和背面(负压面)压力、空化特性、转轮出口及尾水管压力分布等的一些数值比较表。⑷分析成果缺乏采用HLA835C型转轮后,原型水轮机效率的CFD解析预测值表。⑸分析成果未提出新模型转轮应用于本工程时的模型水轮机初生和临界空化性能预测线、叶道涡初始线和发展线(应重视额定水头和低水头下低负荷工况(相应水头下最大保证功率的0~80%)时的转轮内部流态分析,分析其转轮靠近下环处是否会有强烈的叶道涡存在)、无涡区等,以便指导真机运行时的稳定运行范围。综上所述,新转轮的CFD分析只能作为设计参考,实际转轮性能有待实际运行参数和运行效果验证。

4.3施工过程遇到问题和处理方案

增效扩容工程施工的难点是新旧设备的衔接、新设备与厂房原土建结构的协调。即便招标设计和施工图设计做得认真细致,新设备运到现场后,安装施工过程中仍然难以避免出现一些问题,比如:(1)1997年改造前1#水轮机额定出力6900kW,其他3台机组的额定出力为6550kW,本次改造本应特别注意,但业主、设计院、南宁广发重工都忽略了这一点,未通过现场复核尺寸发现原有机组1#机的导水机构控制环尺寸与其他3台机组不同,导叶接力器行程须比电厂其他3台机组长,导致1#机的新接力器须返厂更换;(2)2#机的主轴水轮机端法兰孔径较其他3台机组小,因4台机新转轮的联接螺栓统一直径为M64×4,2#机主轴水轮机端法兰孔需要扩孔;(3)本次改造前原转轮总高度为788.2mm,与尾水锥管法兰间隙为20mm。改造后新转轮总高度为798.2mm,比原转轮高10mm,与尾水锥管法兰间距为10mm。发电机轴与水轮机轴连接端止口高度为12mm,水轮机轴与发电机轴连接端装配槽深1mm,联轴装配时,由于发电机轴与水轮机轴法兰面间距为10mm,比止口高度12mm少1~2mm,发电机轴下端止口顶住水轮机轴法兰,影响机组联轴及盘车。问题出现后,设计人员提出以下3个处理方案:①打磨或车削发电机轴与水轮机轴连接端止口端面3mm,使止口高度由12mm减为9mm,此方案工作量少,不会影响设备的性能。由于止口侧面为精配合面,施工时须采取有效措施防止止口变形;②切割尾水锥管法兰面以下的锥管,裁去活量后再焊接尾水管进口段,使尾水锥管法兰高程下降10mm,宜结合尾水管进口的改造一起进行,使尾水锥管与转轮出口顺畅连接,减少尾水管进口与转轮出口流道突变造成的效率降低和空蚀破坏。由于需要切割尾水锥管及加工新的尾水锥管进口段,并对土建部分进行适当的处理,此方案的工作量较大,但效果最好;③把机组尾水管法兰面下磨2~3mm,这是南宁广发重工推荐的方案,由于下磨法兰面会使锥管法兰变薄,而且现场处理法兰面工艺不好控制,工作量大,加上本电站空蚀性能不好,经过处理后的尾水锥管法兰处空蚀可能会变得更严重。经过设计院、业主、南宁广发重工共同研究,从工作量、进度、施工难度综合考虑,最后采用方案③现场处理。

5改造完成投产后的实际效果

百色市澄碧河水电厂增效扩容改造工程于2015年12月28日通过广西水利厅委托百色市水利局组织的完工验收。工程设计概算为2695.41万元,完工验收结算投资2291.5万元,节约投资约400万元。本次增效扩容改造维持原装机容量4×7.5MW。改造前1997~2011年实际年平均发电量为1.116亿kW•h,装机利用小时数3722h;改造后相应多年平均发电量为1.35亿kW•h,装机利用小时数4496h,比改造前增加发电量0.234亿kW•h。自2014年12月30日首台机组改造完成、通过启动验收投产发电运行至今一切正常。2015年6月15日4台机组全部改造完成,2015年4台机组单机运行最高出力分别为1#机7.9MW、2#机7.9MW、3#机7.6MW、4#机8.0MW。2015年受澄碧河水库除险加固工程影响,水库最高蓄水位为181.5m,未达到水库正常蓄水位185m,但水电厂年发电量仍达到1.4亿kW•h,超过改造前实际年平均发电量,亦超过本次改造设计多年平均发电量1.35亿kW•h,缓解了百色电网地方电力需求,促进了当地经济发展,取得了良好的经济效益和社会效益。。

(1)在机组出力和效率方面。2015年1月16日澄碧河水库管理局会同百色市大流量水表检定站对3台机组进行检测。在水库蓄水位172.87m工况,尚未改造的2#机组单机运行出力为6.2MW,发电用水量为20.791~21.4m3/s,平均每1MW用水量约3.4m3/s。已经完成改造的3#、4#机组单机运行出力为6.0MW,单机发电用水量为14.71~15.21m3/s,平均每1MW用水量为2.5m3/s,改造后平均每1MW发电用水量减少0.9m3/s,机组效率明显提高。

(2)水轮机空蚀性能方面。新转轮HLA835c-35在限制工况时的空蚀系数σ=0.12,远小于旧转轮的σ=0.14,且当σ≤0.136(对应的Hs=-0.73m)时,即可满足电站机组安装高程要求,因此新转轮能满足澄碧河电站吸出高度要求并有一定余量,新转轮叶片和下环材质选用抗空蚀、耐磨损的材料ZG06Cr16Ni5Mo,明显改善转轮的抗空蚀性能。新转轮单位转速降低,水轮机叶片背面脱流空化减少,水轮机运行稳定性得到改善。自2015年6月机组全部改造完成投入运行以来,期间经过汛期考验,机组安全度汛没有出现任何不利情况。4台机组运行稳定,温度与振动值等各项关键数据正常。

(3)在节能降耗方面。2#主变压器由SF10000/35型更新为SF11-10000/38.5型,3#主变压器由SFS20000/110更新为SFSZ11-31500/110,厂用变均由原来铝芯绕组的油浸式更新为节能型干式变压器,有效降低水电厂输送电能的损耗,电站效益显著提高。本次改造完成后,电站设备完备率和综合自动化水平得到很大提高,减轻了运行人员的工作强度,提高了电站运行的安全性、可靠性。厂房和开关站面貌一新,厂内运行环境和劳动卫生条件明显改善。

作者:刘春燕 单位:广西水利电力勘测设计研究院

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