水电站机组增容改造

1、XX水电站1600kW机组增容改造可行性研究报告XX水电设备有限公司2010年4月 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1机组基本参数（3） HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 2机组运行情况（4） HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 3改造目标（4） HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 4水轮机增容改造潜力分析（5） HYPERLINK l bookmark37 o Curren

2、t Document 5水轮机增容改造方案（7） HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 6发电机增容潜力分析（11） HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 7发电机增容改造方案（12） HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 8机组增容改造初步报价（15） HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 9改造效益初步估算（15）10质量保证条款和售后服务承诺（16）11技术改造中的技术优势（16）12增容补充报告（17）1

3、3增容改造工程报价文件（23）XX水电站1600kW机组增容改造方案1机组基本参数XX水电厂，装有三台混流式水轮发电机组，额定水头50.5m,工作水头变幅 4063m。其中2台单机额定出力1600kW，电站计划改造增容到2000kW,目前在 可研立项阶段。电站有关参数及1#、2#机组主要设备参数见下表1和表2。表1宝安电站1#、2#机组技术参数项 目参数项 目参数上游最高蓄水位（m）166水质情况较好上游水位变幅（m）145166压力钢管布置单管单机毛水头范围（m）43.5 65.5压力管内径（m）1.0平均尾水位（m）压力管长度（m）60/65尾水位变幅（m）89 103压力管流速（m）5.

4、1装机容量（kW）2X1600+年均发电量（万kWh）机组安装高程（m）101.5增容后额定主管流速（m）6.1年均运行小时（h）8760实际运行功率因数0.96水轮发电机组及主要设备技术参数见下表2。表2XX电站1#、2#机组主要设备技术参数水轮机发电机型 号HL220-WJ-71型 号SFW1600-8/1430额定水头（m）50.5额定功率（kW）1600额定流量（m3/s）4.0额定电压（kV）6.3额定出力（kW）1710额定电流（A）183.2额定转速（r/min）750频 率50额定点效率（%）87.3功率因素0.8最高效率（%）90额定转速（r/min）750飞逸转速（r/mi

5、n）1338飞逸转速（r/min）1600相对导叶高度0.25D1效 率（%）96叶片数/转轮材质14/碳钢绝缘等级B/B机组台数2定子铁心长度（mm）650最大吸出高度（m）+2.0励磁方式永磁机改造为可控硅出厂日期1994 年机组生产厂家韶关水轮机厂机组安装高程（m）101.5主变压器型号进水阀门直径（mm） 1000变压器容量（kVA）调速器型号YZFT-1000起重设备2机组运行情况机组运行情况统计分析见下表3。表3机组运行情况统计分析项 目运行参数单机投产初期和目前机组最大出力均为1800kW单机多年平均发电量约 1400 万 kWh丰水期/枯水期负荷均为满负荷推力轴承运行良好机组振

6、动稳定性通流部件空蚀磨蚀气蚀破坏轻微机电设备重大事故无二次仪表的准确度及是否每年校验资料及图纸完整水轮机转轮单位转速（r/min）实际运行6784r/min，最优单位转速70 r/min，基本适合水轮机转轮单位流量（l/s）模型最优点/模型限制点：1000/1140，偏低真机额定点效率（）对应1600kW额定出力点效率低于87%，偏低额定点空化系数a0.133，偏高对应最大负荷1800kW的水库水位为160m，相应调速器开度93%对应额定负荷1600kW的水库水位为157m，（工作水头约53m）淤一初步确认:机组原额定水头50,5虹工作水头范围40一=63虹相应的水库运行水位约在145m= 1

7、66_m，需进行现场机组负荷试验确定工作水头与上游水位的准确关系。本站机组发电机轴承甩油较为严重，计划进行调速器改造，本次改造将去掉永磁机3改造目标在50.5m额定水头条件下，增容改造后达到额定出力2000kW，在较高水头下运行，机组应保证稳定性能满足要求；4水轮机增容改造潜力分析4.1 HL220机型特点简介HL220型转轮是50年代由苏联引进的混流机型，在6070年代是中水头段 性能较好的转轮之一，曾用型号为HL702。相对导叶高度为0.25D1，其能量、效 率及空化性能均一般。该机型转轮在国内大中小电站都得了到广泛使用，典型老 电站有湖南柘溪、湖北丹江口及四川龚嘴等电站。HL220模型水

8、轮机转轮主要技术参数见表4,模型水轮机转轮综合特性曲线 见附图1。表4HL220-46模型水轮机转轮主要技术参数模型 转轮使用水头(m)nil0(r/min)Q110 (l/s)nm。(%)Q11(l/s)n m(%)G相对 导叶高HL220-46857098092.01140880.1320.25D1单位飞逸转速niif=133.0(r/min)，水推力系数K=0.32该机型在使用中存在的主要问题有：效率偏低。从苏联提供的模型特性曲线看，最高效率点为92%，但在国 内试验台上进行模型试验结果表明，其最高模型效率点仅为91%；空化性能较差。真机普遍都存在较为突出的空蚀问题；稳定性能差。HL22

9、0有两个比较明显且范围较大的振动区，据大型机组 调研结果表明，振动区大致在导叶开度3040%和7080%两个区域。在小机组 上，振动区的影响不是很突出，稍加补气后，能够稳定运行。HL220转轮对水头变幅偏大的运行条件比较敏感，最优单位转速偏低。4.2增容改造思路及要求核查基本数据，重点是复核电站来水量是否充足有余；复核引水管路直径是否满足增容要求，并精确测量工作水头及水头损 失；通过计算分析论证找出原额定工况技术参数与电站运行实际最佳需要 存在的差距，确定改造目标；根据增容目标参数，校核机组关键转动部件强度及技术相关参数等；选择适合电站实际运行要求的转轮或采用“量体裁衣”方式优化设计的 转轮；

10、准确选择有资质业绩的供货商作为合作伙伴，确保技术改造圆满成功。4.3应注意的问题对于增容机组，转轮过流能力即单位流量的选择确定，主要受气蚀性能 的限制；对于工作水头大于50m的机组，转轮增容幅度不宜太大，一般应限制在 20%左右，否则改造后转轮的气蚀性能将下降。建议转轮叶片和下环都采用抗气 蚀性能较好的ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢材料。改造前现场调研时，应通过机组负荷试验或查阅大修记录的方法，了解 导叶的真实开口值。当增容幅度较大时，导叶开口需要随之调整加大(调速器摇 臂改造)。4.4水轮机增容潜力分析小结综上所述，XX电站HL220-71水轮机可以在引水钢管和流道不变的前提下， 通过更换

11、较大过流能力、较高效率的新型“X”叶片转轮，在额定水头50.5m条 件下，具有增容到2000kW的潜力。5水轮机增容改造方案5.1改造转轮选型通过全面分析XX电站增容改造的条件和实际需求，推荐HL2517型转轮应用 于本站改造。其主要模型技术参数见下表6。HL2517-35模型转轮综合特性曲线 见附图2。表6HL2517-35模型转轮主要技术参数转轮型号最优工况计算工况单位飞逸 转速 n11R水推力系数Kn110Q110n 0 0Q11nHL2517-3575115092.20.091350890.141380.34 0.415.2改造转轮技术指标改造转轮满足以下技术指标，见下表7表7HL25

12、17-71转轮改造后技术指标转轮型号额定水头(m)额定点 单位转速 (r/min)额定点单 位流量 (l/s)额定流量 (m3/s)额定点效率(%)发电机 效率(%)机组出力 (kW)HL2517-7150.574.913504.848894.72000注：水轮机转轮效率修正值取Anl%。5.3水轮机改造后性能保证功率保证改造后的机组功率保证见下表8。表8转轮改造的机组功率保证值计算技术参数水轮机净水头(m)404550.5556063转轮单位转速(r/min)84.279.474.971.868.767.1水轮机过流量(ms)4.274.534.844.814.414.25水轮机功率(kW)

13、147517602112232323232323水轮机效率(%)88888889.589.588.5机组功率(kW)139016602000220022002200水轮机轴向水推力改造后的水轮机轴向水推力按下式计算：Poc=K(n/4)D 2Hmax(t)= 0.34X 0.785 X 0.7 X 63=8.476(t)1由于改造转轮模型水推力系数K值略有增加，由0.32提高到0.34，因此水 轮机最大轴向水推力比改造前增加约9.34%。建议机组增容改造中将原合金瓦更 换为承载能力较高的弹性金属塑料瓦(冷却系统改造为外循环)。一般要求单位 压力 12kg/cm2o水轮机飞逸转速水轮机飞逸转速按

14、下式计算：n p=(n11RXHmax0.5)/D1=(138 X 630.5)/0.71=1543r/min改造后转轮的最大飞逸转速为1543r/min,高于原水轮机飞逸转速 1338r/min,但仍低于机组设计最大飞逸转速1600r/min。因此，改造后发电机 转动部件在飞逸状态下的强度满足原设计要求。空化性能校核由于机组的安装高程已经确定，不可能再降低转轮的安装高程，因此，须对 新转轮能否满足安装高程要求进行校核。H = 10 - K q HS900 M水轮机装置空化安全系数K按下式进行计算，计算结果见表9。式中：H-S水轮机的实际吸出高度（m）；机组安装高程（m），=101.5m；K装

15、置空化安全系数；OM模型转轮临界空化系数；H水轮机净水头（m）；表9水头（m）改造前HL220-71改造后HL2517-71H (m)0KH (m)0K40S+2.0M0.141.41S+2.0M0.131.51750.5+2.00.1331.17+2.00.131.2063+2.00.1370.914+2.00.130.963由表9可以看出，在现有装置高程和吸出高度条件下，各工况改造后新转轮 HL2517-71空化安全系数都略大于改造前HL220-71转轮的空化系数，说明新转 轮空化性能满足水轮机的安装高程的要求，同时在安装高程相同的条件下，新转 轮的空蚀性能稍优于改造前。振动稳定性HL22

16、0转轮在部分负荷工况下的尾水管涡带压力脉动是比较严重的，在大型 电站运行时，经常出现强烈的涡带振动，甚至个别电站出现了强烈的引水系统水 力共振现象。说明HL702转轮整体水力稳定性能不够好。但在转轮直径小于1.4m 的小型机组上，振动现象不突出，水轮机的振动稳定性基本能够满足运行要求。而新转轮HL2517是采用先进的计算机优化设计技术，并在设计中参考了性 能相近的优秀转轮，充分借鉴了最新的转轮流场分布与压力脉动的相互关系研究 成果，涡带压力脉动将比HL220转轮有所改善。无论在压力脉动的大小上，还是 出现压力脉动的工况范围，都将有较大的改善。因此，改造后新转轮能够保证在各种工况下长期安全稳定运

17、行。调保计算校核本机组改造目标主要是增容，新转轮在各水头下的过流量比原转轮相比增大 约620%，但是由于本机组是接在大型机组引水管道上，因此，转轮改造后， 所增加的流量对于大型机组引水管道基本上可以忽略不计。在导叶关闭时间及关 闭规律不变的情况下，甩额定负荷时的蜗壳压力上升和机组转速上升均与改造前 基本相同。因此新转轮应完全能够满足调保计算的要求。活动导叶最大开口值校核在水轮机流道和转轮确定的条件下，水轮机的过流能力取决于导叶的最 大开度。因此，需对原机组最大导叶开度进行校核。真机导叶数为12枚，导叶分布圆直径为910mm，最大导叶开度a =110mm。0max24910 x x 27 = 1

18、1 9(mm)12413HL2517-35模型导叶数为24枚导叶分布圆直径为413mm，限制工况相应导叶开度约为气尸2而。换算到真机时，限制工况对应真机所需导叶开度为119mm。水轮机改造项目水轮机增容改造是在通流部件不变条件下进行的，因此改造的主要内容是转 轮。其他部件如导叶和前后盖板是否需要维修改造，应待现场检测后再确定。原型水轮机转轮的制造，采用铸焊结构。叶片制造采用三坐标数控机床，叶 片型线的加工偏差小于0.1%D。转轮组焊后，叶片和上冠、下环等过流表面粗1糙度，各项技术指标达到并优于水轮机通流部件技术条件所规定的各项要求。水轮机调速功校核由于本次技术改造是将机组额定功率由1600kW

19、提高到最大2200kW,需要对 水轮机调速器的调速功进行校核。本电站采用YZFT-1000型调速器，其调速功为1000kg-m。根据小型水轮机调速功计算公式：N 、A = ( k) 1 . 1765H 2/3r取k=1.5，则所需调速功为：A = (1.5 X 2200 )1.1765 =535 kg - m632/3从计算结果看，本站原调速器的调速功余量较大，完全满足增容改造要求， 电站介绍原调速器调节的稳定性不好，建议在条件容许的情况下，可考虑更换新 型微机调速器。水轮机的导水机构传动部件如拐臂、连杆机构、控制环及调速轴、推拉杆等 部件的强度均是按调速功来计算的，与其他因素无关。所以，本站

20、水轮机导水机 构的传动零、部件的强度都应满足改造要求。水轮机改造方案小结综上所述，采用HL2517-71转轮改造后，水轮机额定流量可以由改造前的 4m3/s增加到改造后的4.8m3/s，增加最大幅度为20%；额定点运行效率提高1% 左右。改造后的机组额定出力能够达到2000kW，空化系数与HL220基本相同。 经校核，改造后水轮机的水力性能和机械性能完全满足安全稳定运行的要求。综上所述，HL2517-71转轮是XX电站机组增容改造比较理想的转轮。6发电机增容潜力分析由于发电机定子绝缘材料性能的提高，在定子铁芯不动的条件下，通过更换 定子线圈，减小绝缘材料厚度，将绝缘等级由B级提高为F级，并增加

21、线圈的过 流面积，发电机功率一般可以提高2025%。具体到本站机组，由增容改造经验 和初步电磁计算得知，通过更新定子线圈和转子线圈，额定功率可以由1600kW 增容到2000kW(cos =0.80)。并且最大功率可以达到2200 kW (cos =0.88)。国内早期设计制造的水轮发电机组，支撑结构部件和主轴强度一般都有较大 安全裕量，1600kW机组增容到2000kW在结构强度方面不存在问题。综上所述，根据目前国内的技术水平和我公司的实际改造经验，XX电站机 组增容到2000kW在技术上是完全可行的。需要注意的是，发电机增容改造虽然是一项较为成熟的技术工作，尤其对于 本站而言，基本上不存在

22、特殊的技术难度问题。但是选择哪个厂家，该厂的工作 业绩及信誉如何，线圈的材料与制造工艺、材料的质量等级等问题。都应慎重对 待。7发电机增容改造方案表1宝安电站水轮发电机电磁方案比较项 号案项目-原方案改造方案1 转孑改造改造方案2 转于不变1视在功率（kVA）2000250025002额定功率（kW）1600200020003额定电压（kV）6.36.36.34额定电流（A）183.2229.1229.15额定功率因数（滞后）0.800.800.806额定转速（rpm）7507507507极距TA（mm）431.97431.97431.978定子外径Da（mm）1430143014309定子内

23、径Di（mm）11001100110010铁芯长度Lt（mm）65065065011定子线规alXbl (mmXmm)12定子线圈电密Ja （A/ mm2）4.724.824.8213定子线负荷AS （A/ cm）420.1525.1525.114定子线圈温升Ocul （C）48616115定子铁芯温升（C）16转子线圈温升Ocu2 （C）59667817短路比OKZ0.930.7440.74418纵轴同步电抗xh d1.2541.5681.56819纵轴瞬变电抗Xd，0.2410.3010.30120纵轴超瞬变电抗xd“0.2410.3010.19121横轴同步电抗Xq0.6880.8590

24、.85922横轴瞬变电抗Xq，0.6880.8590.85923横轴超瞬变电抗Xq”0.6880.8590.85924空载励磁电压（V）21192125空载励磁电流（A定励磁电压（V）60636827额定励磁电流（A）26329030228励磁功率（kW）15.7818.2720.5429极身宽Bm （mm）16016016030发电机效率（%）94.194.794.67.1发电机初步改造方案比较原方案：发电机电磁方案经校核计算，各电气技术参数匹配均比较合理。方案（1）：发电机通过更换新的定子线圈和转子线圈绝缘改造（均为F级绝 缘）功率因数不变，发电机能够满足由160

25、0kW增发到2000kW。改造后发电机定 子线圈和转子线圈的温升分别为61C0和66C0。由于线圈的绝缘等级由B级提高 至F级，允许运行温度可以达到120 C0。通常机组环境温度不大于40C0，因此改 造后发电机定、转子的允许温升为80C。方案（2）：发电机通过更换F级绝缘新定子线圈，功率因数不变，发电机满 足由1600kW增发到2000kW。改造后发电机定转子线圈温升为61 C0和78 C。7.2发电机增容改造初步结论由以上电磁计算校核及方案比较和充分的技术性经济性比较，我公司推荐第 二方案，即仅更换新的定子线圈并改造转子线圈（均为F级绝缘），功率因数不 变，就可以确保发电机由1600kW增

26、发到2000kW。定、转子线圈温升均符合改造 设计技术标准规范。综上所述，该发电机更换新的F级绝缘定子线圈和转子线圈绝缘改造、可以 确保发电机在功率因数为0.80情况下增发至2000kW。机组改造增容后，额定出力由1600kW提高到最大2200kW，因此应对水轮机 主轴的强度进行校核。主轴的输出额定功率从1698kW，提高到2323kW。主轴传递的扭矩：轴身抗扭断面模数：N2323、M k = 97400= 97400 x 二：=3.02 x 10 5 (kg.cm)HW = D 3 f 1 - = x 20 3 f 1 - - = 1570 (cm 3) n 16 I D 4 J 16I 2

27、0 4 J断面面枳：F = (D2 - d2) = (202 一 0) = 314(cm2)Z 44轴身扭应力：t = Mk = 3.02 X 105 = 192 .3(kg/cm 2)W1570主轴总轴向力：P = P z + G L + G z式中：Pz轴向水推力；Gl水轮机转动部分重量，约为0.5吨；Gz发电机转动部分重量，约为6吨。HL2517型转轮水推力系数为0.34，则最大轴向水推力为:P = KD 2H = 0.34 x 0.71 2 x 63 = 10.8 (t)主轴总轴向力：P = 10.8 + 0.5 + 6 = 17.3 (t)主轴拉应力：cP 17.3 x 10 30 - f 一314= 55.1(kg/cm 2)z轴身综合应力:b = Jb2 + 4t 2 = J55.12 + 4 x 192.32 = 388.5(kg/cm2)由上述计算结果表明，主轴轴身综合应力基本取决于轴的扭矩，当机组出力 为2200kW时，