曲庫(kù)乎電站增容改造技術(shù)分析

嵇月明

摘? 要：水電站經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，機(jī)組設(shè)備機(jī)型老化，效率低下，裝機(jī)容量偏小，急需更新改造。通過對(duì)發(fā)電水頭的確認(rèn)，選擇綜合能量性能指標(biāo)高的轉(zhuǎn)輪，達(dá)到增容目的。

關(guān)鍵詞：水電站;增容改造;發(fā)電水頭

中圖分類號(hào)：TV738 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）30-0147-02

Abstract： After decades of operation， the equipment of the hydropower station is aging， the efficiency is low， the installed capacity is small， and there is an urgent need for renovation. Through the confirmation of the power generation head， the runner with high comprehensive energy performance index is selected， so as to achieve the purpose of increasing capacity.

Keywords： hydropower station; capacity increase and transformation; power generation head

1 現(xiàn)有電站技術(shù)參數(shù)

機(jī)組設(shè)計(jì)裝機(jī)容量：1×2000kW+2×500kW（機(jī)組有約1m3的棄水）

豐水期時(shí)機(jī)組出力：1號(hào)機(jī)為2200kW;2號(hào)機(jī)為510kW;3號(hào)機(jī)為530kW

目前機(jī)組出力：1號(hào)機(jī)為2100kW;2號(hào)機(jī)為430kW;3號(hào)機(jī)為470kW

引水管道：1號(hào)機(jī)為Ф1.5m引水管;2、3號(hào)機(jī)為Ф1.2m的引水總管分叉成Ф0.5m的兩個(gè)引水管，兩個(gè)引水分管各帶一個(gè)Ф500的閥門。

2、3號(hào)機(jī)組參數(shù)

水輪機(jī)型號(hào)：HL110-WJ-60

發(fā)電機(jī)型號(hào)：TSWN99/46-8

調(diào)速器：XT-300

額定出力：（148～535）kW

額定水頭：（30～70）m

額定流量：（0.7～1.07）m3/s

額定轉(zhuǎn)速：750r/min

飛逸轉(zhuǎn)速：1300r/min

額定電壓：6300V

額定電流：57.2A

2 水輪機(jī)增容改造的可行性

HL110轉(zhuǎn)輪機(jī)型是老機(jī)型，用于180～220m水頭段，由于早期水力設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究水平所限，該轉(zhuǎn)輪相對(duì)于現(xiàn)在開發(fā)的新轉(zhuǎn)輪有一些缺陷。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較差，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如過流能力及空化性能與現(xiàn)代轉(zhuǎn)輪機(jī)型相比，相差很多。

效率較低，該轉(zhuǎn)輪模型最高效率為90.4%，與現(xiàn)代轉(zhuǎn)輪機(jī)型相比效率低一些。并且，機(jī)組運(yùn)行后，經(jīng)空蝕破壞后的水輪機(jī)效率還要低。

目前國(guó)內(nèi)外混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪技術(shù)性能普遍提高，通過實(shí)驗(yàn)研究已開發(fā)出效率、出力、空蝕等性能全面提高的中高水頭混流新機(jī)型如HLA575C機(jī)型。新機(jī)型的效率比HL110機(jī)型有很大提高，且能量指標(biāo)也優(yōu)于HL110。

3 機(jī)組增容到600kW的轉(zhuǎn)輪改造方案

3.1 發(fā)電水頭的確認(rèn)

引水系統(tǒng)水力損失測(cè)試工作是中小型水電站增容改造的重要環(huán)節(jié)。管道中的水力損失（hw）分為沿程水頭損失（hf）和局部水頭損失（hj）。由于該電站運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，有些技術(shù)參數(shù)丟失，所以該電站的水力損失計(jì)算只能估算。

3.1.1 沿程水頭損失（hf）的計(jì)算

引水總管的沿程水頭損失（hf1）的計(jì)算：

hf1=λlu2/d2g? ?式中λ=0.06

經(jīng)計(jì)算hf1=0.0097L1? ?hf1原=0.0091L1

分叉管的沿程水頭損失（hf2）的計(jì)算：

hf2=λlu2/d2g? ?式中λ=0.1

經(jīng)計(jì)算hf2=0.32L2? ?hf2原=0.30L2

3.1.2 局部水頭損失（hj）的計(jì)算

（1）管道入口處局部水頭損失

hj1=ζu2/2g? ?式中ζ=0.07

經(jīng)計(jì)算hj1=0.014? ?hj1原=0.013

（2）分支管處局部水頭損失

hj2=ζu2/2g? ?式中ζ=1

經(jīng)計(jì)算hj2=1.6? ?hj2原=1.5

（3）折圓管處局部水頭損失

引水管道中共有4個(gè)折圓管處，估取θ=300

hj3=ζu2/2g? ?式中ζ=0.073

經(jīng)計(jì)算hj3=0.026? ?hj3原=0.024

（4）閥門處局部水頭損失

計(jì)算機(jī)組運(yùn)行時(shí)閥門的局部水頭損失：

hj4=ζu2/2g? ?式中ζ=0.02

經(jīng)計(jì)算hj4=0.032? ?hj4原=0.03

（5）管道擴(kuò)散處局部水頭損失

hj5=ζu2/2g? ?式中ζ=1

經(jīng)計(jì)算hj5=1.6? ?hj5原=1.5

3.1.3 水力損失（hw）的計(jì)算

hw=hf+hj=3.272+0.0097L1+0.32L2

hw原=hf+hj=3.067+0.0091L1+0.3L2

估取總管段長(zhǎng)L1=100m;L2=8m

hw=6.802m? ?hw原=6.377m

增容后管路的水力損失（hw）比增容前管路的水力損失（hw原）大了0.5m，由機(jī)組參數(shù)可知，電站水頭范圍30～70m。因此，可以暫確定水輪機(jī)額定運(yùn)行水頭為65m。

3.2 改造轉(zhuǎn)輪選型

針對(duì)曲庫(kù)乎電站的機(jī)組運(yùn)行條件及水文特點(diǎn)，我們選用了HLA575C-WJ-53水輪機(jī)，由圖1可知，各水頭段均在最高效率區(qū)內(nèi)，使得機(jī)組長(zhǎng)期工作在高效、穩(wěn)定的運(yùn)行區(qū)內(nèi)。理論上如果流量富余，該機(jī)組還有一定的超發(fā)能力。

根據(jù)電站現(xiàn)有參數(shù)現(xiàn)選型如下：

3.2.1 綜合信息

水輪機(jī)型號(hào)：HLA575C-WJ-53

發(fā)電機(jī)型號(hào)：SFW600-6/1180

額定轉(zhuǎn)速：1000

飛逸轉(zhuǎn)速：1911.11

軸向水推力：3.01

所需調(diào)速功：167.93

3.2.2 設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)

設(shè)計(jì)水頭：65

模型效率：93.3%

設(shè)計(jì)流量：1.1

額定出力：642

真機(jī)效率：91.8%

3.2.3 出力保證

最大水頭單位轉(zhuǎn)速：63.35最大水頭單位流量：0.43

設(shè)計(jì)水頭單位轉(zhuǎn)速：65.74設(shè)計(jì)水頭單位流量：0.49

最大水頭效率：91.52% 設(shè)計(jì)水頭效率：91.8%

最大水頭出力：642 設(shè)計(jì)水頭出力：642

3.2.4 吸出高度保證

設(shè)計(jì)水頭模型空化系數(shù)：0.05

HLA575C轉(zhuǎn)輪說(shuō)明

該轉(zhuǎn)輪最大應(yīng)用水頭為230m，是目前國(guó)內(nèi)性能最優(yōu)秀的轉(zhuǎn)輪之一。該轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)16，導(dǎo)葉個(gè)數(shù)24，導(dǎo)葉高度比b0=0.18D1，最優(yōu)工況時(shí)：n110'=66.2r/min，Q110'=0.462m3/s，η=93.56%;限制工況時(shí)：Q11'=0.572m3/s，η=90.8%;該轉(zhuǎn)輪具有較好的變水頭、變負(fù)荷特性;水力穩(wěn)定性良好，綜合能量性能指標(biāo)高，出力裕度大，運(yùn)行加權(quán)平均效率高等特點(diǎn)。該轉(zhuǎn)輪已被國(guó)內(nèi)多個(gè)電站成功應(yīng)用，實(shí)踐證明機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，具有很好的超發(fā)能力。

4 結(jié)構(gòu)上對(duì)增容要求的保證

（1）為保證新轉(zhuǎn)輪具有良好的綜合性能，在轉(zhuǎn)輪制造中，提高葉片型線的制造精度，保證與模型的相似性，降低葉片表面粗糙度和波浪度。

（2）適度加大D0尺寸，以增加水流從導(dǎo)葉出口至葉片進(jìn)口的距離，改善導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪流道交接處的壓力脈動(dòng)。

（3）同時(shí)在新轉(zhuǎn)輪的應(yīng)用中，充分考慮原水輪機(jī)的流道形狀及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)其實(shí)際運(yùn)行效率和過流能力產(chǎn)生影響。

（4）機(jī)組更換后，電站壓力鋼管可以滿足增容后流量的要求。所以電站的壓力鋼管不用更換。

5 效益分析

曲庫(kù)乎電站通過主機(jī)增容改造，單機(jī)出力由最低的430kW增至600kW，總裝機(jī)增容為300kW，增容33%，年增發(fā)電量為105.5萬(wàn)kW·h，增加收入28萬(wàn)元。增容成功使電站發(fā)電引用流量增至1.1m3/s，每年可增加利用水資源0.039億m3/s，減少了無(wú)功棄水，提高了發(fā)電效益

參考文獻(xiàn)：

[1]羅惕乾，程兆雪，謝永曜.流體力學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2]曹鹍.水輪機(jī)原理及水力設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1991.

[3]哈爾濱大電機(jī)研究所.水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1976.