２０１５年第１期 水电与新能源 总第１２７期 ２０１５ Ｎｕｍｂｅｒ １ ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ Ｔ０ｔａｌ Ｎｏ．１２７ ＤＯＩ：１０．１３６２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２—１８００／ｔｖ．１６７１—３３５４．２０１５．０１．００８ 陆水电厂机组增效扩容一水轮机选型设计 刘 九 （湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉４３００７０） 摘要：针对陆水发电厂已运行４０余年，主要设备严重老化、落后，无法满足安全、高效运行要求的实际情况，介绍了电厂 机组增效、扩容改造及水轮机选型方案。结果表明，改造方案可有效利用水资源，消除安全隐患。 关键词：增效扩容；水轮机选型；空蚀；改造方案 中图分类号：ＴＫ７３：ＴＫ７３０．７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—３３５４（２０１５）０１—００２９—０３ Ｃａｐａｃｉｔｙ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ａｎｄ Ｔｙｐｅ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｙｄｒｏ－ｔｕｒｂｉｎｅ Ｕｎｉｔｓ ｉｎ Ｌｕｓｈｕｉ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ＬＩＵ Ｊｉｕ （Ｈｕｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｖｅｒ ４０ ｙｅａｒｓ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｎ Ｌｕｓｈｕｉ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｎＯＷ ｉｎ ａ ｓｅｒｉｏｕｓ ａｇｅ－ ｉｎｇ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｒｉｓｋ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｉｓ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ，ａ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｌａｎ ｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ ｅｘ— ｐａｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｌｓｏ，ｔｈｅ ｔｙｐｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｗ ｈｙｄｒｏ－ｔｕｒｂｉｎｅ ｕｎｉｔｓ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｉｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｕｔｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ａｌｓｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｅ— ｃｕｒｉｔｙ ｒｉｓｋ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃａｐａｃｉｔｙ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ；ｔｙｐｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒｏ—ｔｕｒｂｉｎｅ ｕｎｉｔｓ；ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ ｅｒｏｓｉｏｎ； ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｌａｎ 陆水水利枢纽位于长江中游南岸的赤壁市城区南 形难以校正，造成效率进一步下降，并致使机组的震动 缘，是１座具有防洪、灌溉、发电、航运、养殖、供水等水 和噪声加大，经实测，额定工况下实际效率仅为７８％。 利效益和科学试验效益的大型综合利用工程。安装４ ３）机组导叶锈蚀严重，端面间隙大、密封性能无 台水轮发电机组，设计发电总流量２４８ ｍ ／ｓ，保证出力 法满足要求、漏水严重，导致机组停机时长期不能松 ４ ４７０ ｋＷ，设计年利用小时２ ６５６ ｈ。 闸，一旦松闸则机组会自行缓慢转动，长时间的低速转 陆水电厂的主要机电设备已超过安全使用年限， 动损伤推力瓦。 安全隐患严重，２０１２年被列入全国农村水电改造 项目。 ４）调速器属淘汰产品，难以满足机组特殊运行 （如单网运行）的要求，加之协联关系不能自动调节， １ 水轮机设备存在的主要问题 导致机组效率降低。 １）受当时的技术水平，ＺＺ１０５模型转轮最高 ５）引水流道混凝土碳化严重，造成大面积剥落； 效率仅８５％；水轮机额定工况点效率为８３．５％。 转轮室因空蚀造成大面积洞坑，引起机组摆度、震动、 ２）水轮机转轮汽蚀严重，经过多次补焊后叶片变 噪音过大，机组效率降低。 收稿日期：２０１４—０９—２３ 作者简介：刘九，男，高级工程师，主要从事水利水电工程水力机械、消防、暖通设计工作。 ２９ 水电与新能源 表１水轮机模型参数表 转轮型号 ． ２０１５年第１期 ２水轮机增效扩容的设计原则 １）本次改造以机电设备为主，水轮机的座环、尾 ＺＺ１０５—３５ （改造前原转轮）ＺＺ５２０—３５ ｚｚ５５０—３５ 水管等主要埋设部件尽量不拆除，仍保留使用，但因更 换转轮与现有流道的配合未作相关试验，所以计算水 轮机工况时将效率作适当负修正。 ２）水轮机的进水流道尺寸保持不变，但是适当增 容后流道的过流能力应控制在允许范围内。现 ＺＺｌ０５一ＬＨ一３００水轮机的导叶相对高度为 ０．３８３ ３ Ｄ ，新转轮的导叶相对高度必须尽量与之相 适应。 ３）发电机的混凝土风罩内径不变，发电机定子机 座的尺寸保持不变，其基础螺栓保留使用，发电机机座 号保持不变。 ４）本电站增效扩容改造后装机台数不变，水轮机 安装高程不变；由于受河床下切的影响，电站的尾水位 降低，对转轮的抗空蚀性能及材质应有相应的要求。 ５）在本电站条件下的各种工况运行稳定，高效区 宽，加权平均效率高，能量指标与空蚀指标好。 ３水轮机转轮及机组转速的选择 水轮机选型是小型水电站增容改造的关键。根据 电站增容改造的设计原则，电站改造后，机组容量增 加，水轮机安装高程不变，且直径不能增大 Ｊ。因此， 必须选择与电站流道近似的国内已成功应用的效率 高、过流量大、单位转速高、空化和稳定性好的新型转 轮，才能满足上述要求。将模型参数与现有机型进行 分析比较，尽量选用流道相似的模型转轮，并分析效率 换算的合理性。 在陆水电厂增效扩容工程的设计中，选取了适用 于本电站的且性能较好、流道尺寸相近的２种轴流转 浆转轮和现转轮的参数进行计算，并合理分析机组转 速的优选，以达到最佳的改造效果，机组模型参数表和 机型转速方案比较表如表１、表２所示，推荐转轮的运 行区域图见图１。 由表１、表２可以看到，ＺＺ５２０转轮的能量指标略 优于ＺＺ５５０转轮，导叶高度ＺＺ５２０也更接近于现有流 道，流道内水流流态更稳定，更易保证机组的稳定运 行，ＺＺ５２０转轮空化性能要稍好一些，ＺＺ５５０在尾水管 的尺寸上与原流道契合度稍好。据以上分析将ＺＺ５２０ 转轮作为增效扩容改造转轮选择方案。 刘九：陆水电厂机组增效扩容一水轮机选型设计 表２机型转速方案比较表 水轮机机型 ＺＺ５２０一ＬＨ一３０￣Ｚ５２０一ＬＨ一３００ ２０１５年１月 就ＺＺ５２０转轮而言，机组额定转速可采用 ２００ ｒ／ｍｉｎ方案或２１４．３ ｒ／ｍｉｎ方案，空化性能 ２１４．３ ｒ／ｍｉｎ方案略优，允许吸出高度相差并不大，根 据电站长期的水头统计资料分析，电站水头出现在 ２３ ｍ至２６ ｍ频率占８０％以上，额定效率和加权平均 效率２００ ｒ／ｍｉｎ方案更优，因此选择２００ ｒ／ｍｉｎ方案作 ，水轮发电机型号 ＳＦ１０．８—２８／４２５０ ＳＦ１０．８—３０／４２５０ 为改造机组的推荐转速。 ４改造后机组建议的运行方式 在下游橡胶坝塌坝，以自然河床运行的条件下，机 组依以下方式运行。 １）机组安装高程为２６．８４５ ｍ，机组在最高水头 ２９．５ ｍ发额定出力运行时，吸出高度为＋０．７ ｍ，流量 约为４２．８ ｍ ／ｓ，对应的尾水位约２６．１ ｍ，单台机组运 行尾水位基本满足吸出高度要求。 ２）机组在额定水头２０．５ ｍ发额定出力运行时， 吸出高度为一０．３６ ｍ，额定流量约６１．２２／／１ ／ｓ，对应的 尾水位约为２６．２５ ｍ，机组安装高程仍为２６．８４５ ｍ，此 时尾水位无法满足机组运行的空化性能要求。要满 足一０．３６ ｍ的吸出高度要求，对应的尾水位为 ２７．２０５ ｍ，此时需要下泄流量１７０—１８０ ｍ ／ｓ，３台机 组运行尾水位基本满足吸出高度要求。 ３）机组在最小水头ｌ４．６６ ｍ发该水头下的最大出 力运行时，吸出高度为一０．７１ ｍ，单机发电流量约 ６２．０ ｍ ／ｓ，对应的尾水位约为２６．２６ ｍ，此时尾水位无 法满足机组运行的空化性能要求。要满足一０．７１ ｍ 的吸出高度要求，对应的尾水位为２７．５５ ｍ，此时需要 下泄流量１９０—２１０ ｍ ／ｓ，即需４台机组投入运行。 从陆水电厂４０ ａ运行情况看，机组主要担负系统 调峰，一般不会出现单机或２台机运行的情况，全年 ２０．５ ｍ以上水头运行的概率在９０％以上，在水头较低 时也可以通调整运行方式，适当减小单机负荷、增加机 组台数，并采用不锈钢转轮叶片等措施增强机组的抗 空蚀能力，可以避免空蚀对机组的危害。还可通过与 设置在下游的橡胶坝主管单位协作联合调度运行，立 坝提高尾水位后，单台机组在全水头范围内运行，吸出 高度均能满足要求。 （下转第３５页） ３１
