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小型水轮机技术改造都应该注意那些问题

小型水轮机技术改造都应该注意那些问题

 

 

摘要:列举了小型水电站机组运行中存在的问题,根据技改工作实践,提出了做好水电站的技术改造工作必须注意的几个问题,强调要做好技术改造设计,机组增容改造时一定要重视输水系统的核算,并抓住水轮机的改造。
  关键词:小型水电站水轮机技术改造设计调研报告综述

  1、前言

  我国农村小水电资源丰富,可开发量达71870MW,分布在全国1500多个县(市)。到2001年底,已建成农村水电站4万余座,装机容量达28790MW,占全国农村水电资源可开发量的40%,其中运行30年以上的小水电站的装机容量1530MW,运行20年以上的小水电站装机容量7570MW,分别占已建成的小水电站总装机容量的5.3%和26.3%。这些小水电站的特点是:装机容量小(大多在500kW~3000kW以下),台数多,技术落后,效率低,制造质量差,安全生产隐患多。有的已经改造或停运,有的正在改造,更多的则急需进行技术改造。


  为了宏观指导小型水电站的技术改造工作,包括立项,改造设计(咨询),施工,验收和管理,使之更加科学化、规范化,水利部于1997年发布了行业标准SL193-97《小型水电站技术改造规程》。近几年来,各地在小型水电站技术改造工作中取得了一定成绩,但还存在一些问题。现就笔者在规程编写调研和实际工作中遇到的一些问题谈一些体会。

  2、认真总结,摸清问题

  许多小型水电站经过10年、20年甚至30年的运行,积累了许多运行检修方面的宝贵资料,但是由于人员的变动等多方面的原因,许多图纸(设计及设备)残缺不齐,甚至机组上的标牌都已丢失,因此,技术改造前原始资料(包括水文、工程设计、设备及机组运行检修记录等)的收集、分析总结十分重要,这是做好技术改造工作的前提。

  早期建成的小型水电站,机组运行中常常遇到以下问题:

  2.1水轮机主要性能参数(N、H、Q)与电站实际运行参数不匹配

  1)70年代以前建成的一些小型水电站,由于当时、当地的客观条件,存在“有窝找机”或“有机找窝”现象,致使机组参数与电站实际参数不符。

  2)我国早期编制的水轮机模型转轮型谱中可供各水头段选用的转轮型号少,不少小型水电站只能“套用”相近转轮,因而机组偏离电站实际运行参数。

  3)对小型水电站水轮机选型设计,有的地方管理部门不太重视,有的设计单位也不够认真或水平不够,因而使一些水电站的水轮机转轮直径或额定水头或额定转速选择不当,造成机组性能参数与电站实际运行参数不匹配。

  4)有些小型水电站建成后,其实际的来水量或水头等水文数据与设计资料不符或者缺少必要的水文资料,以致选用的水轮机性能参数与电站实际运行参数不适应。

  以上4种情况中的任何一种都会导致水轮机处于非最优工况区运行,造成机组运行效率低,耗水量多,振动及噪声大,发电损失多,甚至水轮机使用寿命大大缩短。

  2.2水轮机性能落后,技术陈旧,制造质量差

  我国1964年颁布的水轮机模型转轮系列型谱中的ZZ600、ZZ460、ZZ587、HL365、HL123、HL702、HL638等型号的水轮机转轮有的至今仍在服役。这些转轮相当于国外上世纪30年代~40年代的技术水平,其主要性能指标(单位流量Q11,单位转速n11及模型效率ηm都比较低。

  有些小型水电站的水轮机加工质量差,缺陷多,久修不愈,长期带病运行,出力不足,安全可靠性差。水轮机处在低效率、常发病条件下运行是不安全、不

  经济的。

  2.3多泥沙河流上的水轮机磨蚀破坏严重

  据不完全统计,我国小型水电站中,约有1/3的水轮机存在空蚀和泥沙磨损问题,有些水轮机的大修间隔不到一年,导水叶和水轮机进水阀严重漏水,有的甚至难以正常开、停机。有的水轮机转轮叶片发生严重裂纹或断裂,不能保证安全运行。

  2.4水轮发电机绝缘老化,推力轴承烧瓦

  有些小型水电站的水轮发电机因运行年代长,定子、转子的绝缘已严重老化,容易引发接地故障,威胁机组安全运行。由于制造或安装质量较差,水轮发电机的推力轴承可靠性低,常导致烧瓦事故。
2.5水轮机与电气设备不配套

  有些小型水电站水轮机的输出功率大于发电机或主变压器的额定容量,形成“大马拉小车”,使水电站的设计出力受到限制,发电时出现不正常的弃水现象。也有的水电站发电机容量大于水轮机出力,形成“小马拉大车”,既浪费了设备容量,也增大了运行损耗。因此,小型水电站在进行技术改造前,必须查清存在哪些问题,包括实际运行时的水头、来水量、弃水量、机电设备状况、水工建筑物及金属结构运行状况等,只有彻底摸清问题,才能有针对性地进行技术改造,取得实实在在的改造成果。 3优化设计,获取最大的经济效益

  为了做好小型水电站的技术改造,一定要委托有资质的单位进行技术咨询并做到优化设计,还要请专家对改造设计方案进行审查,因为一个好的设计方案,可以出水平出效益,反之,不重视设计,容易出庇漏而造成不必要的返工和经济损失。例如,浙江横锦水库一级水电站,装机容量2×3000kW,拟增容至2×4000kW,委托中国水利水电建设工程咨询渤海公司承担技术咨询,优选了主机设备和制造厂家,不仅采用了国内最新技术产品,而且为业主节省了机组设备投资108.2万元,占合同总价的15.7%。

  小型水电站的技术改造,必须贯彻“四性”原则,即先进性、合理性、经济性和特殊性。应该针对各个水电站的具体情况,因地制宜,进行优化设计。所谓先进性就是要择优选用一个性能先进、技术成熟的好转轮和配套性能先进、运行可靠的水轮发电机及其辅助设备;合理性就是要紧密结合和妥善处理本电站的不可变更或不宜变更的制约条件;经济性就是要在有限的投资情况下,尽量增加年发电量,提高水电站的经济效益;特殊性就是特殊问题用特殊办法处理。例如,针对多泥沙河流上运行的水轮机,既要改善其运行特性,又要采取抗泥沙磨损的综合治理措施,延长水轮机的使用寿命,只有全面考虑才能较好地达到先进性、合理性和经济性。多数小型水电站的技术改造以水轮发电机组的改造为主。在技术改造设计中,一般采取以下几种方式:

  1)对于水头、流量与原设计变化不大,而水轮机设备陈旧、性能落后的水电站,可采用更新改造或增容改造方式。选用该水头段导水叶相对高度bO相同或相近的新型转轮,如无合适的新型转轮,则应重新(或改型)设计转轮,或者改进过流部件型线与结构。其目的在于提高水轮机的运行效率,增容,增加年发电量。例如,北京西郊门头沟军庄水电站,装有6台ZD760-LM-100型机组,单机额定出力125kW,实发100kW,采用优化设计的三叶片转轮后,单机出力提高到180kW,比原设计提高44%,比改造前提高80%。

  2)对于水头、流量比原设计减少了的水电站,宜采取减容改造方式。即根据水电站的实际运行水头和流量,降低水轮机的额定水头,减小额定输出功率,选用合适的新型转轮或重新设计转轮,其目的是将水轮机调整到最优或较优工况区运行,以提高其运行效率,增加年发电量。例如,山西省灵邱县北泉水电站,装机2×1250kW,水轮机型号为HL702-WJ-71(H=42m,Q=3.62m3/s),枯水期实际电站平均流量仅2.3m3/s,一台机也只能带400kW~600kW,因此,专门为枯水期配制了一个转轮,额定出力800kW,投运后出力反而比改造前增加200kW,多发电效益十分明显;又如江西省新余市江口水电站,原设计水轮机型号为ZD587-LH-330(H=19.5m,Q=54.7m3/s,N=8800kW),电站实际运行水头仅17m,机组只能发7800kW,水轮机型号改用ZD105-LH-330后,单机出力提高到9000kW,增容15%。

  3)对于水头、流量比原设计增大了的水电站,应采取增容改造方式。应根据电站实际运行水头和流量增大的具体条件,提高水轮机的额定水头,加大额定输出功率,选用合适的新型转轮或者重新设计转轮,其额定转速应结合水轮发电机的改造方式确定,最终应使水轮机在较高效率区运行。这样既加大了

  单机容量又提高了水轮机的运行效率,电站年发电量也有较大增加。例如,广西靖西县坡卅一级水电站,装机2×500kW,原设计水轮机型号为HL300-WJ-50(H=35m,Q=4m3/s),而电站实际运行水头达40m,故将水轮机型号更换成HL240-WJ-50,每台机的出力提高90kW,增容18%;又如浙江省诸暨市石壁水库电站,装机容量1460kW(2×630+1×200),电站结合保坝工程,将土坝加高7.5m,增设溢洪道,提高了运行水头,故将原HL123-WJ-71型水轮机改为HL123-WJ-74型(转轮直径增加3cm),单机容量由630kW增加到800kW,增容27%,对水轮机尾水管和后盖板也进行了技术处理,还更换了发电机定子和转子绕组并提高了绝缘等。

  以上1)、3)两种情况,当水轮机功率确定之后,都需要为其配套相应功率的水轮发电机。对辅助设备也要进行核算,以决定是否更换。

  4)对于多泥沙水电站,应考虑泥沙磨损问题,应采用与抗磨措施相结合的改造方式。改造设计中应根据水轮机的过机含沙量,泥沙中值粒径d50及泥沙矿物成份等条件,选用单位转速n11相近或略低,单位流量Q11适当减小,模型空化系数σm适当降低,模型效率ηm较高的新型转轮;并合理加大导水叶分布图相对直径DO,改进导水叶型线,降低和匀化导叶区流速;同时从结构设计工艺、材料和保护涂层等方面采取抗磨措施,以保证水轮机的安全运行,延长其使用寿命,最终达到更新改造或增容改造的目的。例如云南元江县中河底一级水电站,装机容量4×1000kW,水轮机型号HL220-WJ-50,Hr=60m,Qr=2.23m3/s,实测最大过机含沙量174kg/m3,泥沙中值粒径d50=0.45mm,石英含量高,水轮机过流部件磨损十分严重,且发不到额定出力,大修周期不到一年。技术改造措施:(1)按枯水期和浑水期不同泥沙条件分别设计制造2个HL220改进型转轮;(2)改进水轮机结构并采取多种抗磨措施(包括采用优质材料);(3)开发了尾水能量回收装置,回收利用2m尾水跌水落差。经改造后的1号机,出力由原不到1000kW增加到1150kW以上,大修周期延长到3年,经济效益十分显著。

  除以上4种情况外,对“大马拉小车”的水电站,可以单独改造水轮发电机,为提高绝缘等级或改进通风系统等实现增容,必要时可重新设计制造新的水轮发电机。主变容量不足可换用新变压器,旧变压器仍可用于其他水电站。至于“小马拉大车”的水电站,若水轮机采取改型亦无增容的可能,则暂按现状运行,待日后再更新。
3、要重视输水系统的核算

  在小型水电站增容改造中,有一个关键环节需要慎重对待,即水轮机输水系统。尤其是一管多机的引水式压力输水系统,应当从水力和调节保证参数两个方面进行核算。水力核算即是对水轮机输水系统的过流量和水头损失的数值关系进行核算,并绘制水头损失与流量关系曲线Δh=f(Q),以分析选定最大允许的水轮机额定水头和设计引用流量。

  调节保证核算就是从机组运行特性和输水系统水力特性两方面来核算机组运行的过渡过程中可能发生的最大水压力和最大转速升高值,并检查前者是否在水轮机输水系统设计水压力的范围内,以研究和确定采取加固补强措施的合理性和可能性。

  总之,水轮机输水系统的最大过流量和水头损失及其所能承受的最大水压力,是制约水轮机增容的一个关键环节,不可忽视。否则,会影响技术改造的经济效益和安全运行。例如,广东大隆洞水电站,水头8m~25m,原装有1台轴流转浆式水轮发电机(德国进口)。水轮机型号MK141/L,额定水头20m,额定流量12m3/s。发电机型号为SM14/220-32,额定功率2000kW.电站为利用洪水期的弃水增加年发电量,于1980年在原压力引水总管上接分岔管,并在原厂房左岸扩建2台800kW轴流定浆式水轮发电机组(水轮机型号ZD661-LH-120,Hr=12.9m,Qr=8m3/s)。技术改造后曾多次在洪水期做试验,在额定水头下,单机运行时均可达到额定功率。但在3台机同时运行时,导水叶开度100%时,原2000kW机只能发1150kW,新装的1号机只能发600kW,而2号机只能发550kW,3台机总共才能发2300kW,比原1台机时只多发300kW,比增扩的2台机(1600kW)少1300kW很明显,由于该电站原输水系统最大过流能力Qmax和水头损失Δhmax的限制,因而造成洪水期3台机出力受阻,这个教训值得其他水电站参考吸取。

  4、增容改造必须分清主次

  由于水轮机和发电机是两个不同范畴的对象,其技术发展阶段不同;也由于水轮机在水轮发电机组中处于原动机的地位,故水|考试|大|轮机运行效率高低影响显著;水轮机的选型技术难度较大,影响参数也多,在水电站实际运行中出现的问题也比较多,这是符合客观规律的。因此,要求在小型水电站的增容改造中,必须分清主次,首先要抓住水轮机的改造,从而带动水轮发电机和整个水电站机电设备及水工金属结构的技术改造,这是应当遵循的原则。

  5、一定要重视竣工验收

  为了检验小水电机组增容改造成果,对单机容量5MW及以上的水轮机,应作技改前后性能对比测试;为保证技改工程质量,一定要做机组起动验收,起动验收合格后才能进行试生产运行;只有经过试生产运行合格并且遗留问题都已处理完毕,才能最终进行改造工程的竣工验收,确保长期高效安全运行。


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