胡安江·居努斯

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊830001）

1 概述

在新疆水能資源分布中，中、小河流的小水電資源占有相當(dāng)?shù)谋戎兀娮鳛榭稍偕?、無污染的環(huán)保性能源，有它的自身優(yōu)越性。

有相當(dāng)一部分中、小型水電站由于先天不足，水文資料不全，設(shè)計(jì)和施工的水平殘差不齊，主要設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)際參數(shù)偏差較大，導(dǎo)致水電站的出力不足或棄水量大。中、小型水電站的技術(shù)改造也因它的工程量小、投資少、見效快、經(jīng)濟(jì)效益明顯、社會(huì)效益巨大等一系列優(yōu)點(diǎn)正逐步被廣泛推廣。

改造工作要從實(shí)際出發(fā)，因地制宜，充分利用水電站原有的設(shè)備設(shè)施，對改造部分做到技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理，質(zhì)量優(yōu)良。技術(shù)改造應(yīng)采用新技術(shù)、新工藝、新材料和先進(jìn)設(shè)備，提高設(shè)備和設(shè)施的技術(shù)性、先進(jìn)性，改善運(yùn)行條件，盡量恢復(fù)和增大水電站的發(fā)電能力，保證發(fā)電系統(tǒng)、引水系統(tǒng)及水工建筑物的安全可靠性。

2 SK水電站技術(shù)改造

SK水電站工程主要承擔(dān)發(fā)電任務(wù)，其次是反調(diào)節(jié)任務(wù)。水庫總庫容1.21億m3，裝機(jī)容量3×47 MW，多年平均年發(fā)電量5.7億kW·h，保證出力40 MW，電站水輪發(fā)電機(jī)組由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)，3臺(tái)機(jī)組已經(jīng)于2010年投入運(yùn)行，截至目前運(yùn)行狀況良好。

2.1 增容問題的提出

根據(jù)SK水電站工程近4年上、下游水位分布情況的統(tǒng)計(jì)和電站棄水量的分析，可得出SK水電站在每年的6、7、8月份棄水較嚴(yán)重，為減少電站棄水量，同時(shí)提高汛期發(fā)電量，適當(dāng)提高水輪機(jī)額定出力是十分必要的。

為充分發(fā)揮SK水電站的發(fā)電效益，挖掘現(xiàn)有水輪發(fā)電機(jī)組的潛在容量，依據(jù)電站運(yùn)行管理單位意見，進(jìn)行相應(yīng)的可行性研究并提出復(fù)核設(shè)計(jì)意見。

2.2 增容技術(shù)改造原則

（1）水電站技術(shù)改造應(yīng)遵循的原則

1）水輪機(jī)的技術(shù)改造應(yīng)優(yōu)先選用能量指標(biāo)先進(jìn)、空化特性優(yōu)良、運(yùn)行穩(wěn)定性好的轉(zhuǎn)輪，以保證技術(shù)改造的先進(jìn)性。

2）改造方案選定的水輪機(jī)主要參數(shù)（設(shè)計(jì)水頭、標(biāo)稱直徑、額定轉(zhuǎn)速和輸出功率等），既要考慮到水電站的引水系統(tǒng)和水輪機(jī)流道尺寸及發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速等限制條件，又應(yīng)將水輪機(jī)調(diào)整到最優(yōu)工況區(qū)域運(yùn)行，以保證技術(shù)改造的合理性。

3）改造方案應(yīng)能改善水輪機(jī)的運(yùn)行工況，提高效率，增加年發(fā)電量，以保證技術(shù)改造的經(jīng)濟(jì)性。

4）發(fā)電機(jī)的技術(shù)改造應(yīng)考慮與水輪機(jī)在容量上的相互匹配，根據(jù)原設(shè)備的實(shí)際情況與制造商家研究協(xié)商，采用新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝，確定合理的改造方案和改造范圍。

（2）SK水電站增容技術(shù)改造原則

SK水電站增容的基本原則是在不改變現(xiàn)有發(fā)電引水系統(tǒng)及主要機(jī)電設(shè)備的前提下，充分挖掘水輪發(fā)電機(jī)組的潛力，在水輪機(jī)能量指標(biāo)、空化性能、穩(wěn)定性允許范圍內(nèi)，通過提高水輪機(jī)單位流量（額定流量和額定水頭），從而提高水輪發(fā)電機(jī)組的額定出力。與此同時(shí)，對引水系統(tǒng)、發(fā)電設(shè)備及相關(guān)設(shè)施進(jìn)行安全性復(fù)核。

本次增容要求為：在不更換現(xiàn)有絕大部分設(shè)備的前提下，適當(dāng)提高機(jī)組額定水頭和額定流量，使得水輪機(jī)額定出力達(dá)到53.3 MW（原48.454 MW），發(fā)電機(jī)達(dá)到51.7 MW（原47 MW），從而達(dá)到機(jī)組長期超發(fā)10%額定容量的目的。

3 SK水電站水輪發(fā)電機(jī)組的增容

（1）水輪機(jī)增容潛力

此次機(jī)組增容是在不改變電站發(fā)電引水系統(tǒng)和水輪發(fā)電機(jī)組的前提下，充分挖掘現(xiàn)有水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪特性潛力而實(shí)現(xiàn)，包括水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑、流道和機(jī)組轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，改變水輪機(jī)兩個(gè)主要參數(shù)，即水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的單位流Q11或單位轉(zhuǎn)速n11來達(dá)到水輪機(jī)新的出力，單位流量用Q11=Q/（D12×H0.5）、而單位轉(zhuǎn)速用n11=（n×D1）/H0.5表示，從上式可以分析出當(dāng)轉(zhuǎn)輪直徑為常數(shù)時(shí)，通過額定流量和額定水頭的最佳搭配來達(dá)到單位流量的變化，而單位轉(zhuǎn)速是隨額定水頭的變化而變，本階段通過額定流量和額定水頭的不同組合方式在HLA551 C水輪機(jī)模型綜合特性曲線上的位置，得出Q11與n11現(xiàn)有條件之下比較合理的搭配方式為Q11=1.39 m3/s、n11=83.56 r/min，在水輪機(jī)模型綜合特性曲線上水輪機(jī)增容前后額定點(diǎn)位置、增容范圍及運(yùn)行區(qū)域見圖1。

從圖1可以看出增容前額定點(diǎn)單位流量為1.29 m3/s，增容后達(dá)到1.39 m3/s，額定點(diǎn)非常接近水輪機(jī)出力限制線，已經(jīng)沒有余量，但水輪機(jī)運(yùn)行區(qū)域仍然在較合理的范圍內(nèi)。

圖1 HLA551 C水輪機(jī)模型綜合特性曲線上的額定點(diǎn)位置增容范圍圖

（2）增容后水輪機(jī)參數(shù)

經(jīng)反復(fù)計(jì)算和復(fù)核單位轉(zhuǎn)速和單位流量，當(dāng)水輪機(jī)額定水頭達(dá)到35.8 m，水輪機(jī)額定流量為169.0 m3/s時(shí)，水輪機(jī)可以發(fā)出53.3 MW的出力，此時(shí)水輪機(jī)額定水頭小于電站加權(quán)平均水頭36.10 m，符合DL/T5186-2004水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，而且增容后在高水頭運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)葉開度不至于過小，對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行有利。

水輪機(jī)增容前后的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 水輪機(jī)增容前后的技術(shù)參數(shù)

轉(zhuǎn)向：水輪發(fā)電機(jī)從發(fā)電機(jī)端看為俯視順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

（3）增容后水輪機(jī)運(yùn)行范圍

增容后水輪機(jī)換算到真機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線見圖2所示。

（4）增容后水輪機(jī)相關(guān)參數(shù)的復(fù)核說明

1）比轉(zhuǎn)速

比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)是衡量水輪機(jī)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性的綜合技術(shù)指標(biāo)，其定義為1 m水頭下發(fā)出1 kW出力時(shí)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)速。比轉(zhuǎn)速受水輪機(jī)效率水平、空化性能和運(yùn)行穩(wěn)定性等許多因素的制約，過度提高比轉(zhuǎn)速存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。水輪機(jī)增容前后是同一個(gè)水平段，變化很小，并在合理范圍之內(nèi)，即293 m·kW和295 m·kW。

圖2 增容后水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線

2）導(dǎo)葉開度

水輪機(jī)增容10%后，各水頭下的單位流量均有所增加，導(dǎo)葉開口也將相應(yīng)變大，模型綜合特性曲線上可以看到導(dǎo)葉最大開口為32 mm，相對應(yīng)的真機(jī)導(dǎo)葉最大開口為405 mm，不超過本電站機(jī)組設(shè)計(jì)最大導(dǎo)葉開口415 mm。

3）飛逸轉(zhuǎn)速

根據(jù)A551 C轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線，按照機(jī)組增容后水輪機(jī)最大可能導(dǎo)葉開口，并考慮預(yù)留一定余量，相應(yīng)的模型單位飛逸轉(zhuǎn)速為148.3 r/min，換算成真機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速為199.65 r/min ，不超過原合同機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速200 r/min的要求。

4）最大水推力

水推力跟轉(zhuǎn)輪的特性，與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑、電站最大水頭有關(guān)，由于增容前后機(jī)組最大水頭、轉(zhuǎn)輪型號及轉(zhuǎn)輪直徑都未發(fā)生變化，嚴(yán)格來說水輪機(jī)增容后水推力不會(huì)有變化。根據(jù)A551 C轉(zhuǎn)輪水推力系數(shù)為0.46，復(fù)核計(jì)算的水輪機(jī)水推力為2 700 kN。

5）空蝕、空化性能

水輪機(jī)的空蝕性能直接影響機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性和電站的經(jīng)濟(jì)性，而且比轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)輪的空化系數(shù)成正比關(guān)系。根據(jù)可研、初設(shè)階段總結(jié)分析成果，本電站裝置空蝕系數(shù)在0.213～0.3之間比較合適。電站增容后水輪機(jī)額定水頭35.8 m、額定轉(zhuǎn)速111.1 r/min，出力53.3 MW、比轉(zhuǎn)速為293 m·kW時(shí)，電站的額定點(diǎn)裝置空化系數(shù)小于0.3，在合理范圍內(nèi)。

根據(jù)A551 C轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線，按照機(jī)組增容后水輪機(jī)主要工況點(diǎn)臨界、裝置空化系數(shù)見表2所示。

表2 水輪機(jī)主要工況點(diǎn)臨界、裝置空化系數(shù)對照表

臨界空化系數(shù)σp與臨界空化系數(shù)σC的比值關(guān)系在各特征工況下為：K=σp/σC=2.12～2.45，即空化安全系數(shù)大于2（大于一般清水條件下的1.6～1.8），增容后水輪機(jī)空化性能仍較優(yōu)。

6）大流量區(qū)穩(wěn)定性分析

增容后，水輪機(jī)額定單位流量已經(jīng)達(dá)到1.39 m3/s。根據(jù)A551 C模型轉(zhuǎn)輪壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，模型轉(zhuǎn)輪單位流量用到1.405 m3/s時(shí)，蝸殼進(jìn)口、導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前、錐管、肘管等位置壓力脈動(dòng)幅值均未發(fā)現(xiàn)陡升趨勢，可以預(yù)測增容后轉(zhuǎn)輪在大流量區(qū)運(yùn)行具備較好的穩(wěn)定性。

7）調(diào)節(jié)保證計(jì)算

電站壓力引水系統(tǒng)采用單機(jī)單管引水方式，由壓力鋼管、水輪機(jī)蝸殼、尾水管等組成。壓力引水管道直徑6.2 m，長度87 m，整個(gè)壓力引水系統(tǒng)和最大發(fā)電水頭未發(fā)生變化，增容后3臺(tái)機(jī)組滿發(fā)時(shí)壓力引水系統(tǒng)的總流量（流速）有所增加。

通過增容后復(fù)核調(diào)節(jié)保證計(jì)算，得出的結(jié)論為：導(dǎo)葉采用一段關(guān)閉規(guī)律，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間為Ts′=10s時(shí)，蝸殼末端最大壓力上升值不大于54 m水頭（ξmax=49.3%），速率上升不超過額定轉(zhuǎn)速的50%（βmax=49.9%），尾水管進(jìn)口最大真空值小于8 m水柱。

8）導(dǎo)葉接力器容量復(fù)核

SK水電站導(dǎo)葉接力器基本參數(shù)為，導(dǎo)葉接力器活塞桿直徑120 mm，活塞直徑為350 mm，按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，增容后所需要的接力器直徑約285 mm，小于原機(jī)組配套的接力器直徑350 mm，故機(jī)組接力器在滿足要求的同時(shí)還有一定的安全裕量。

（5）增容前后水輪發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

發(fā)電機(jī)采用立軸、半傘式結(jié)構(gòu)，密閉空氣循環(huán)冷卻方式，在不改變發(fā)電機(jī)主要部件前提下，增容10%后主要參數(shù)如表3所示。

表3 增容10%前后技術(shù)參數(shù)

（6）增容前、后發(fā)電機(jī)電磁參數(shù)比較

發(fā)電機(jī)增容10%（由47 MW增至51.7 MW）后，發(fā)電機(jī)各主要電磁參數(shù)對比結(jié)果見表4。

（7）增容后水輪發(fā)電機(jī)電磁參數(shù)和有關(guān)部件機(jī)械受力情況說明

設(shè)備制造商家針對機(jī)組增容10%后，原發(fā)電機(jī)定子機(jī)座、上、下機(jī)架的剛、強(qiáng)度計(jì)算分析，定位筋、托塊焊縫應(yīng)力分析，定子鐵心壓緊系統(tǒng)，主軸應(yīng)力分析，轉(zhuǎn)子支架剛、強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算，磁極、磁軛強(qiáng)度應(yīng)力分析，推力、導(dǎo)軸承，發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)受力情況進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算復(fù)核，得出發(fā)電機(jī)增容10%后，其主要結(jié)構(gòu)件的剛強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語

SK水電站水輪發(fā)電機(jī)組容量由47 MW增容至51.7 MW運(yùn)行，經(jīng)論證校核，現(xiàn)有機(jī)電設(shè)備滿足增容要求，可以有效提高電站的發(fā)電效益和水能利用率。

表4 發(fā)電機(jī)額定工況和增容10%額定工況運(yùn)行，各主要電磁參數(shù)對比表

SK水電站已投入運(yùn)行接近10年，難免有些機(jī)電設(shè)備，包括有些關(guān)鍵電氣設(shè)備各部件已經(jīng)老化，建議運(yùn)行管理單位應(yīng)結(jié)合實(shí)際采取相應(yīng)的檢測、試驗(yàn)工作，以便確保機(jī)組增容10%后能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行。