湖南省甘溪水電站轉(zhuǎn)槳式水輪機改造運行分析

湖南省甘溪水電站轉(zhuǎn)槳式水輪機改造運行分析

1甘溪水輪泵電站湖南省甘溪市是一個集灌溉、交通運輸和綜合管理于一體的農(nóng)村水利工程。電站現(xiàn)裝有10臺1250kW的水輪發(fā)電組,水輪機直徑1800mm,型號為ZD510-LH-180,單機設(shè)計流量18m3/s,發(fā)電機型號為SF-J1250-24/2600,出口電壓為3.15kV;另裝有16臺灌溉提水用的水輪泵;灌區(qū)有干渠2條(東風、紅旗),全長64km,支渠15條,全長149km,負責灌溉8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)0.5萬hm2農(nóng)田。至今,甘溪水輪泵水電站已建成運行45年,期間從未對電站進行系統(tǒng)的更新改造,幾乎所有的設(shè)備都已超過了報廢年限。目前機組只能勉強運行,但運行效率低、能耗高、故障頻繁、安全隱患嚴重。2發(fā)電機系統(tǒng)水質(zhì)下降此次改造為大改,即將原來的定槳水輪機改成轉(zhuǎn)槳式,這樣的話,除了流道和設(shè)備的基礎(chǔ)不能動外,其余全部更換。同時,發(fā)電機也必須全部換新,以適應(yīng)轉(zhuǎn)槳式水輪機的需要。其原因有如下幾點:(1)甘溪水輪泵水電站為徑流式無調(diào)節(jié)水電站,機組根據(jù)河流天然來流情況合理調(diào)配10臺機組發(fā)電,同時還要兼顧下游灌溉的需要。機組的發(fā)電水頭隨下游水位的變化而變化,一般枯水期天然來流量較少,發(fā)電水頭較高;汛期天然來流量很大,發(fā)電水頭隨之減少。機組的水頭和流量時刻在變化,定槳式水輪機只能在額定點附近很狹窄的區(qū)域高效運行,流量和水頭稍偏離額定點,則水輪機效率急劇下降。(2)2004年湖南省水電設(shè)計院為甘溪電站做的增容方案:在左岸安裝3臺單機為12.7MW的燈泡貫流轉(zhuǎn)槳式機組,多年平均發(fā)電量能達到1.5億kWh以上,幾乎可以增效擴容100%,經(jīng)濟效益顯著。(3)由于歷史原因,電站原裝機過小,棄水太多。年利用小時長期在6000h以上,最高達到7200h,水能浪費嚴重。(4)根據(jù)燈泡貫流方案,最小水頭4m時也能發(fā)電,但定槳式機組理論計算在7m多水頭不能運行,實際上低于8m水頭則機組不能運行,造成汛期低水頭大量的水能損失。所以,為了適應(yīng)電站的實際運行情況,充分利用汛期多余的水能,最大程度地開發(fā)電站增容潛力,在2004年湖南省水電設(shè)計院為甘溪電站做的增容方案現(xiàn)階段不可執(zhí)行的前提下,將10臺水輪機進行徹底改造成軸流轉(zhuǎn)槳式機組,既可使水輪機在不斷變化的水頭和流量的工況下,始終處于最優(yōu)運行區(qū)域,效率最高,又可在汛期低水頭時增加發(fā)電效益。2.1軸流式轉(zhuǎn)輪JP502是專門針對定槳式電站開發(fā)的,不能用于轉(zhuǎn)槳。ZZLLT35轉(zhuǎn)輪的氣蝕系數(shù)偏大,吸出高度不能滿足要求。ZZLLT33轉(zhuǎn)輪是國際著名水電設(shè)備公司開發(fā)的低水頭軸流轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪,不僅具有過流量大、效率高而且在大流量區(qū)氣蝕系數(shù)小的優(yōu)點,已經(jīng)廣泛用于新建和改造的電站。長沙華自科技股份有限公司用ZZLLT33轉(zhuǎn)輪改造的最大的電站是位于塔吉克斯坦裝機6臺45MW的軸流式機組。水輪機轉(zhuǎn)輪直徑5.5m,發(fā)電機額定功率為45MW。用于新建的電站見表1。根據(jù)長沙華自科技股份有限公司對ZZLLT33轉(zhuǎn)輪的使用經(jīng)驗,LLT33轉(zhuǎn)輪是非常成熟的、可靠的優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪,特別適合甘溪電站10臺機的增效擴容改造,能最充分地利用電站水能,最大可能地挖掘電站改造潛力。2.2轉(zhuǎn)槳方案與流量定槳與轉(zhuǎn)槳機組出力與效率比較如表2所示。由表2計算可知:定槳方案在各水頭運行時,當流量逐漸減少時,效率下降比較明顯(下降2%～5%不等);而轉(zhuǎn)槳方案效率當流量逐漸減少時,反而效率升高1%～2%;高水頭運行時,定、轉(zhuǎn)槳方案都因氣蝕的限制,而不能進一步增加過流量,但在低水頭運行時,轉(zhuǎn)槳方案比定槳方案有非常大擴容潛力。2.3轉(zhuǎn)槳方案與發(fā)電效率不同水頭時轉(zhuǎn)槳機組最大出力與效率見表3。由表3計算可知:在8m水頭以下轉(zhuǎn)槳方案都能發(fā)電運行,而且理論計算功率達1434kW;在最低的4m水頭也能發(fā)電,相當于燈泡貫流方案。而定槳方案在8m水頭以下幾乎不能運行。2.4主缸的基本組成3電機和重水機改造方案(1)甘溪水輪泵水電站至今已投入運行45a之久,水輪發(fā)電機組及其輔助設(shè)備從沒進行過系統(tǒng)更新改造,幾乎所有的機電設(shè)備都已超過了報廢年限。因此不管采用何種改造方案,電機都將全部整體更換。(2)定槳方案水輪機改造可只更換轉(zhuǎn)輪,保留原有的其他所有部件。但是,舊的導(dǎo)葉以及支持蓋等過流部件將影響新轉(zhuǎn)輪的效率,且原導(dǎo)水機構(gòu)和密封已破舊不堪而影響水輪機性能。故建議即使采用定槳改造方案,也應(yīng)該采用新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)將導(dǎo)水機構(gòu)、主軸密封和軸承等全部更換。(3)轉(zhuǎn)槳方案將原水輪機除基礎(chǔ)部件外全部換新,采用最新技術(shù)和結(jié)構(gòu)方案,不僅是在主軸內(nèi)部增加一套復(fù)雜的控制機構(gòu),而且在密封、軸承上使用先進可靠的技術(shù)是老電站煥然一新。4原水輪機主要元件結(jié)構(gòu)改造設(shè)計由于湖南衡東縣甘溪電站水輪機是20世紀70年代初期的產(chǎn)品,其各部件結(jié)構(gòu)都比較落后,趁這次改造的機會,可對原水輪機的受油器、軸承、密封、操作油管和轉(zhuǎn)輪的內(nèi)部結(jié)構(gòu),如槳葉密封和槳葉操作機構(gòu)等進行改造。4.1受油氣運移特征新結(jié)構(gòu)的受油器為搖擺式受油器,如圖1所示,該受油氣結(jié)構(gòu)簡單、便于維護和安裝、不受力不憋勁、不竄油、運行穩(wěn)定,已經(jīng)在國內(nèi)外多個電站中運行證明其可靠性。4.2齒輪自循環(huán)潤滑型我們推薦采用一種油自循環(huán)潤滑的拋物面楔形瓦徑向?qū)лS承(結(jié)構(gòu)如圖2)。這種軸承是國際著名公司的成熟結(jié)構(gòu),已被應(yīng)用在很多的豎軸混流式、沖擊式和泵水輪機上,并被證明具有極好的性能。這種油自循環(huán)潤滑的拋物面楔形瓦徑向?qū)лS承具有下列特點。(1)自潤筒式瓦,主軸無軸領(lǐng),摩擦半徑小,軸承損耗小。(2)軸瓦與主軸間自然形成的四組油楔,使得軸承支承剛性好,同時其承載能力在4個方向大小相等且方向均向旋轉(zhuǎn)中心,因而主軸運轉(zhuǎn)穩(wěn)定,無需靠主軸偏心建立油楔(單個)。(3)瓦間具有較大的貯油槽,使瓦面充分潤滑,而且自循環(huán)油路很清楚。(4)加長的油箱蓋可防止油的攪動和油霧的逸出。(5)拋物面瓦在制造廠內(nèi)金加工而成,在工地安裝時無需刮瓦,完全滿足多臺機電站水輪機導(dǎo)軸承在機組間的互換。4.3軸向運動原理新的操作油管(圖3)是和新的受油器配合使用的,在機組運行過程中,操作油管一方面隨著主軸做旋轉(zhuǎn)運動,另一方面隨著槳葉角度的調(diào)整作上、下軸向運動。由于操作油管是細長的管件焊接結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的操作油管結(jié)構(gòu)從電機端到水輪機轉(zhuǎn)輪有3個配合的導(dǎo)向軸承,同時在傳統(tǒng)的受油器又有3個浮動瓦。新的受油器為搖擺式結(jié)構(gòu),和新結(jié)構(gòu)操作油管配合使用,在運行過程中,整個操作油管(包括上、中和下操作油管)做軸向運動時是不受力的,他的導(dǎo)向是靠延主軸內(nèi)孔分布若干球面螺釘作為支撐以承受操作油管做軸向運動時的變形。所以在實際運行過程中不會出現(xiàn)上訴傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)所出現(xiàn)的問題。4.4密封和操作機構(gòu)圖4是新的轉(zhuǎn)輪裝配的結(jié)構(gòu),與舊轉(zhuǎn)輪相比具有下面2個顯著優(yōu)點:(1)葉片密封采用雙向X加V型密封,且具有自調(diào)整功能。和傳統(tǒng)的“λ”型加彈簧密封結(jié)構(gòu)相比,壓縮比均勻、密合性能好,易調(diào)整、增加了兩道雙向密封。漏油量幾乎為0,結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護方便。(2)葉片操作機構(gòu)采用一個徑向銷承擔葉片和轉(zhuǎn)臂之間的聯(lián)接,這個徑向銷采用高強度合金鋼材料,即承受葉片旋轉(zhuǎn)的扭應(yīng)力,又承受葉片在飛逸時的產(chǎn)生的最大離心力作用在其上的彎應(yīng)力,同時還具有定位的功能。舊轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)是采用卡環(huán)承受葉片的離心力,兩個葉片與轉(zhuǎn)臂的軸向定位銷傳替扭矩,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝困難,而且卡環(huán)和軸向銷都需要配磨間隙和配打銷孔,工藝復(fù)雜,增加制造成本。4.5機械密封封水方式圖5是新的主軸密封裝配的結(jié)構(gòu),水輪機導(dǎo)軸承能否可靠地工作,在很大程度上取決于主軸密封的可靠性。本設(shè)計采用的是機械盤根密封結(jié)構(gòu),密封主要由不銹鋼軸套,固定的密封支座、密封壓蓋和聚四氟乙烯密封填料等組成,不銹鋼軸套固定在軸上隨主軸一起旋轉(zhuǎn),密封支座固定在支持蓋上,密封填料可以通過密封壓板壓緊在密封支座及不銹鋼套之間槽內(nèi),用0.15～0.25MPa壓力水潤滑,冷卻達到密封目的,水壓可根據(jù)漏水情況,加以調(diào)整,這種密封封水性能好,結(jié)構(gòu)簡單,維護方便。主軸機械密封可在運行時現(xiàn)場調(diào)整。為縮短停機檢修時間,主軸密封下部裝有空氣圍帶式的檢修密封,平時圍帶與密封座外側(cè)保持1.5～2mm間隙,長期停機或停機檢修時,通入0.5～0.7MPa的壓