新型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在紙槽溝電站改造中的應(yīng)用

何邦應(yīng)，劉銀靜

(四川省都江堰水利發(fā)展中心人民渠第二管理處，四川 德陽，618000)

1 紙槽溝電站概況

1.1 紙槽溝電站概況

紙槽溝電站于20世紀(jì)90年代后期，修建在以農(nóng)業(yè)灌溉為主的人民渠七期主干渠上，裝機(jī)容量2×500kW，與三臺縣地方電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，年發(fā)電量約250萬kW·h。

表1

紙槽溝電站基本參數(shù)

1.2 存在的問題和改造的必要性

2008年汶川地震發(fā)生時，紙槽溝電站受到了嚴(yán)重?fù)p壞，同時電站已運(yùn)行近10年，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室空蝕較嚴(yán)重。為了保證電站安全運(yùn)行和單位經(jīng)濟(jì)效益，需對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行更新改造。2008年汶川地震后，電站對水輪發(fā)電機(jī)組修復(fù)時，為了推廣新技術(shù)，決定使用在能量、空蝕性能和運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性等方面已達(dá)到國際先進(jìn)水平，性能優(yōu)越的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。

2 電站水輪機(jī)特征單位參數(shù)計算

額定轉(zhuǎn)速nr=375r/min、設(shè)計流量Qr=6.663m3/s、最大水頭Hmax=12.6m、設(shè)計水頭Hr=10m、最小水頭Hmin=8.5m，轉(zhuǎn)輪直徑D1=1.2m。

2.1 對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速n11

2.2 對應(yīng)的單位流量

3 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造選型及分析計算

根據(jù)電站水輪機(jī)特征單位參數(shù)計算值，可替換轉(zhuǎn)輪型號選為JP502，初選機(jī)型為JP502-LH-120。

3.1 水輪機(jī)ZD560a-LH-120的分析計算

根據(jù)電站水輪機(jī)特征單位參數(shù)計算值和ZD560a模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(φ=5°)得：ZD560a模型轉(zhuǎn)輪最高效率工作區(qū)間的效率是87.0%，最高效率工作區(qū)間單位轉(zhuǎn)速變化范圍為120.5r/min～163r/min。

而水輪機(jī)ZD560a-LH-120轉(zhuǎn)輪的單位轉(zhuǎn)速工作范圍為126.77r/min～154.35r/min，就水頭變化來說，該水輪機(jī)工作在轉(zhuǎn)輪的高效區(qū)，最高效率值87%。

(1)計算水輪機(jī)ZD560a-LH-120轉(zhuǎn)輪最大水頭、設(shè)計水頭、最小水頭對應(yīng)的最大流量和該工況點水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪效率。

表2 三水頭最大流量及效率

由表2中的數(shù)據(jù)分析，ZD560a-LH-120水輪機(jī)的最大過流能力略大于設(shè)計流量6.663m3/s，水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時，壓力輸水管安全。

(2)計算水輪機(jī)ZD560a-LH-120轉(zhuǎn)輪在設(shè)計流量Qr=6.663m3/s時，與最大水頭、設(shè)計水頭、最小水頭對應(yīng)工況點水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪效率和工況點位置。

①最大水頭對應(yīng)的單位流量為1.3035m3/s、單位轉(zhuǎn)速是126.77r/min，查ZD560a模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(φ=5°)得該工況點的效率是85.5%，在最高效區(qū)右邊；

②設(shè)計水頭對應(yīng)的單位流量為1.4632m3/s、單位轉(zhuǎn)速是142.30r/min，查ZD560a模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(φ=5°)得該工況點的效率是84%，在最高效區(qū)右邊；

③最小水頭對應(yīng)的單位流量為1.5971m3/s、單位轉(zhuǎn)速是154.35r/min，查ZD560a模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(φ=5°)得該工況點的效率是82.5%，在最高效區(qū)右邊。

表3 三水頭設(shè)計流量工況點效率

3.2 水輪機(jī)JP502-LH-120的分析計算

根據(jù)電站水輪機(jī)特征單位參數(shù)計算值和JP502模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(φ=0°)得：JP502模型轉(zhuǎn)輪最高效率工作區(qū)間的效率是92%，最高效率工作區(qū)間單位轉(zhuǎn)速變化范圍是111r/min～148.7r/min。

JP502模型轉(zhuǎn)輪效率91%以上的工作區(qū)間單位轉(zhuǎn)速變化范圍是103.8r/min～156r/min。

而水輪機(jī)JP502-LH-120轉(zhuǎn)輪的單位轉(zhuǎn)速工作范圍為126.77r/min～154.35r/min，就水頭變化來說，該水輪機(jī)工作在轉(zhuǎn)輪效率91%區(qū)間，比水輪機(jī)ZD560a-LH-120轉(zhuǎn)輪高效區(qū)效率87%高了4%。

(1)計算水輪機(jī)JP502-LH-120轉(zhuǎn)輪最大水頭、設(shè)計水頭、最小水頭對應(yīng)的最大流量和該工況點水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪效率。

表4 三水頭最大流量及效率

(2)計算水輪機(jī)JP502-LH-120轉(zhuǎn)輪在設(shè)計流量Qr=6.663m3/s時，與最大水頭、設(shè)計水頭、最小水頭對應(yīng)工況點水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪效率和工況點位置。

①最大水頭對應(yīng)的單位流量為1.3035m3/s、單位轉(zhuǎn)速是126.77r/min，查JP502模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(φ=0°)得該工況點的效率是91%，在最高效率區(qū)左邊；

②設(shè)計水頭對應(yīng)的單位流量為1.4632m3/s、單位轉(zhuǎn)速是142.30r/min，查JP502模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(φ=0°)得該工況點的效率是91%，在最高效率區(qū)左邊；

③最小水頭對應(yīng)的單位流量為1.5971m3/s、單位轉(zhuǎn)速是154.35r/min，查JP502模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(φ=00)得該工況點的效率是90.5%，在最高效率區(qū)左邊。

JP502-LH-120水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在上述三個工況點效率比型號ZD560a-LH-120的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪效率高，但都在JP502模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(φ=0°)高效區(qū)的左邊，對小于設(shè)計值6.663m3/s的流量不利。

表5 三水頭設(shè)計流量工況點效率

3.3 ZD560a-LH-120和JP502-LH-120的比較分析

由表2、表4數(shù)據(jù)可知：兩個型號水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪在最大水頭、設(shè)計水頭、最小水頭對應(yīng)的最大流量和效率值，JP502-LH-120水輪機(jī)三個工況點的最大流量比ZD560a-LH-120水輪機(jī)大，并且效率高4%～6%。

特別是水輪發(fā)電機(jī)組在低水頭運(yùn)行時，JP502-LH-120水輪機(jī)的最大過流能力達(dá)7.347m3/s，比ZD560a-LH-120水輪機(jī)的最大過流能力6.717m3/s大，能充分利用來水流量，增加電站效益。但需調(diào)整調(diào)速器關(guān)機(jī)時段來確保壓力輸水管安全。

由表3、表5數(shù)據(jù)可知：兩個型號水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪在設(shè)計流量與最大水頭、設(shè)計水頭、最小水頭對應(yīng)工況點水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪效率分析計算數(shù)據(jù)，JP502-LH-120水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的效率比ZD560a-LH-120水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪高5.5%～7%。

根據(jù)上述分析計算可知，JP502-LH-120水輪機(jī)在設(shè)計流量6.663m3/s運(yùn)行時，工況點都在JP502模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(φ=0°)最高效率區(qū)的左邊，不足之處是對小于設(shè)計值6.663m3/s的流量運(yùn)行不利。

再根據(jù)電站水輪機(jī)特征單位參數(shù)計算值可知：水輪機(jī)JP502-LH-120轉(zhuǎn)輪單位轉(zhuǎn)速的變化范圍是126.77r/min～154.35r/min，轉(zhuǎn)角φ=0°的JP502模型轉(zhuǎn)輪最高效率工作區(qū)間單位轉(zhuǎn)速變化范圍是111r/min～148.7r/min，不足之處是水輪機(jī)運(yùn)行時有點偏離最高效率區(qū)。

解決JP502-LH-120水輪機(jī)上述兩個不足的辦法：一是降低水輪機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速；二是減小水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑。降低水輪機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的方法不現(xiàn)實，現(xiàn)對減小水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑進(jìn)行分析論證。

4 JP502-LH-118水輪機(jī)可行性分析計算及安裝

經(jīng)初步分析，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號還是選JP502，但水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑選為1.18m，即D1=1.18m。

4.1 水輪機(jī)JP502-LH-180可行性分析計算

在其他所有參數(shù)都不變的情況下，分析計算電站水輪機(jī)特征單位參數(shù)：

(1)對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速n11

由單位轉(zhuǎn)速計算數(shù)據(jù)可知：水輪機(jī)JP502-LH-118轉(zhuǎn)輪最大水頭、設(shè)計水頭、最小水頭對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速比水輪機(jī)JP502-LH-120轉(zhuǎn)輪的低，說明水輪機(jī)JP502-LH-118運(yùn)行的高效區(qū)面積增大了，提高了水輪機(jī)運(yùn)行效率。

(2)對應(yīng)的單位流量Q11

由單位流量計算數(shù)據(jù)可知：水輪機(jī)JP502-LH-118轉(zhuǎn)輪最大水頭、設(shè)計水頭、最小水頭，與設(shè)計流量對應(yīng)的單位流量比水輪機(jī)JP502-LH-120轉(zhuǎn)輪的大?？商岣咝∮谠O(shè)計值6.663m3/s流量的運(yùn)行效率，而且設(shè)計流量對應(yīng)的運(yùn)行工況點在JP502模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(φ=0°)最高效率區(qū)右邊，水輪機(jī)運(yùn)行的高效區(qū)面積增大了，提高了水輪機(jī)運(yùn)行效率。

(3)基于JP502-LH-118水輪機(jī)，根據(jù)電站水輪機(jī)特征單位參數(shù)計算值和JP502模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(φ=0°)，分析計算最大水頭、設(shè)計水頭、最小水頭對應(yīng)的最大流量和該工況點水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪效率如下：

表6 三水頭最大流量及效率

由表4、表5數(shù)據(jù)可知：低水頭運(yùn)行時，JP502-LH-118水輪機(jī)比JP502-LH-120水輪機(jī)的最大過流能力略小，但比ZD560a-LH-120水輪機(jī)的最大過流能力6.717m3/s大，同樣能充分利用來水流量，增加電站效益。

(4)基于JP502-LH-118水輪機(jī)，根據(jù)電站水輪機(jī)特征單位參數(shù)計算值和JP502模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(φ=0°)，分析計算，設(shè)計流量Qr=6.663m3/s與最大水頭、設(shè)計水頭、最小水頭對應(yīng)工況點位置及水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪效率如下：

①最大水頭對應(yīng)的單位流量為1.3481m3/s、單位轉(zhuǎn)速是124.66r/min，查JP502模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(φ=0°)得該工況點的效率是92%、在最高效率區(qū)內(nèi)偏右；

②設(shè)計水頭對應(yīng)的單位流量為1.5132m3/s、單位轉(zhuǎn)速是139.93r/min，查JP502模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(φ=0°)得該工況點的效率是91.7%、在最高效率區(qū)右邊；

③最小水頭對應(yīng)的單位流量為1.6413m3/s、單位轉(zhuǎn)速是151.78r/min，查JP502模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(φ=0°)得該工況點的效率是90.2%、在最高效率區(qū)右邊。

表7 三水頭設(shè)計流量工況點效率

根據(jù)上分析計算：水輪機(jī)JP502-LH-118解決了水輪機(jī)JP502-LH-120兩個不足之處，由表6、表7數(shù)據(jù)得知水輪機(jī)JP502-LH-118各運(yùn)行指標(biāo)都比水輪機(jī)ZD560a-LH-120強(qiáng)，設(shè)計工況點水輪機(jī)效率還提高了6.5%～7.7%，說明選擇的機(jī)型可用，并且增效。所以水輪機(jī)選擇為JP502-LH-118，轉(zhuǎn)輪葉片角φ=0°。

4.2 安裝實施

因水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室空蝕較嚴(yán)重，為了進(jìn)一步提高水輪機(jī)效率和安全需要，同時對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行了維修更換。轉(zhuǎn)輪室直徑減小了0.02m以滿足水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑減小0.02m的要求。

5 效益分析及實際運(yùn)行效果

5.1 效率方面

通過上述分析計算，利用2008年電站修復(fù)的機(jī)會，選擇使用在能量、空蝕性能和運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性等方面已達(dá)到國際先進(jìn)水平，性能優(yōu)越的水輪機(jī)JP502-LH-118，替換ZD560a-LH-120水輪機(jī)，可提高水輪機(jī)效率6.5%～7.7%。

5.2 實際運(yùn)行效果

電站水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪室更換安裝工程結(jié)束后，水輪發(fā)電機(jī)組投入發(fā)電運(yùn)行，原水輪發(fā)電機(jī)組出力200kW以下運(yùn)行時主機(jī)振動超標(biāo)現(xiàn)象消失；多年平均發(fā)電量比更換轉(zhuǎn)輪前增加10%。取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，達(dá)到事半功倍的效果。