湖南省甘溪水电站转桨式水轮机改造运行分析

湖南省甘溪水电站转桨式水轮机改造运行分析

1甘溪水轮泵电站湖南省甘溪市是一个集灌溉、交通运输和综合管理于一体的农村水利工程。电站现装有10台1250kW的水轮发电组,水轮机直径1800mm,型号为ZD510-LH-180,单机设计流量18m3/s,发电机型号为SF-J1250-24/2600,出口电压为3.15kV;另装有16台灌溉提水用的水轮泵;灌区有干渠2条(东风、红旗),全长64km,支渠15条,全长149km,负责灌溉8个乡镇0.5万hm2农田。至今,甘溪水轮泵水电站已建成运行45年,期间从未对电站进行系统的更新改造,几乎所有的设备都已超过了报废年限。目前机组只能勉强运行,但运行效率低、能耗高、故障频繁、安全隐患严重。2发电机系统水质下降此次改造为大改,即将原来的定桨水轮机改成转桨式,这样的话,除了流道和设备的基础不能动外,其余全部更换。同时,发电机也必须全部换新,以适应转桨式水轮机的需要。其原因有如下几点:(1)甘溪水轮泵水电站为径流式无调节水电站,机组根据河流天然来流情况合理调配10台机组发电,同时还要兼顾下游灌溉的需要。机组的发电水头随下游水位的变化而变化,一般枯水期天然来流量较少,发电水头较高;汛期天然来流量很大,发电水头随之减少。机组的水头和流量时刻在变化,定桨式水轮机只能在额定点附近很狭窄的区域高效运行,流量和水头稍偏离额定点,则水轮机效率急剧下降。(2)2004年湖南省水电设计院为甘溪电站做的增容方案:在左岸安装3台单机为12.7MW的灯泡贯流转桨式机组,多年平均发电量能达到1.5亿kWh以上,几乎可以增效扩容100%,经济效益显著。(3)由于历史原因,电站原装机过小,弃水太多。年利用小时长期在6000h以上,最高达到7200h,水能浪费严重。(4)根据灯泡贯流方案,最小水头4m时也能发电,但定桨式机组理论计算在7m多水头不能运行,实际上低于8m水头则机组不能运行,造成汛期低水头大量的水能损失。所以,为了适应电站的实际运行情况,充分利用汛期多余的水能,最大程度地开发电站增容潜力,在2004年湖南省水电设计院为甘溪电站做的增容方案现阶段不可执行的前提下,将10台水轮机进行彻底改造成轴流转桨式机组,既可使水轮机在不断变化的水头和流量的工况下,始终处于最优运行区域,效率最高,又可在汛期低水头时增加发电效益。2.1轴流式转轮JP502是专门针对定桨式电站开发的,不能用于转桨。ZZLLT35转轮的气蚀系数偏大,吸出高度不能满足要求。ZZLLT33转轮是国际著名水电设备公司开发的低水头轴流转桨式转轮,不仅具有过流量大、效率高而且在大流量区气蚀系数小的优点,已经广泛用于新建和改造的电站。长沙华自科技股份有限公司用ZZLLT33转轮改造的最大的电站是位于塔吉克斯坦装机6台45MW的轴流式机组。水轮机转轮直径5.5m,发电机额定功率为45MW。用于新建的电站见表1。根据长沙华自科技股份有限公司对ZZLLT33转轮的使用经验,LLT33转轮是非常成熟的、可靠的优秀转轮,特别适合甘溪电站10台机的增效扩容改造,能最充分地利用电站水能,最大可能地挖掘电站改造潜力。2.2转桨方案与流量定桨与转桨机组出力与效率比较如表2所示。由表2计算可知:定桨方案在各水头运行时,当流量逐渐减少时,效率下降比较明显(下降2%～5%不等);而转桨方案效率当流量逐渐减少时,反而效率升高1%～2%;高水头运行时,定、转桨方案都因气蚀的限制,而不能进一步增加过流量,但在低水头运行时,转桨方案比定桨方案有非常大扩容潜力。2.3转桨方案与发电效率不同水头时转桨机组最大出力与效率见表3。由表3计算可知:在8m水头以下转桨方案都能发电运行,而且理论计算功率达1434kW;在最低的4m水头也能发电,相当于灯泡贯流方案。而定桨方案在8m水头以下几乎不能运行。2.4主缸的基本组成3电机和重水机改造方案(1)甘溪水轮泵水电站至今已投入运行45a之久,水轮发电机组及其辅助设备从没进行过系统更新改造,几乎所有的机电设备都已超过了报废年限。因此不管采用何种改造方案,电机都将全部整体更换。(2)定桨方案水轮机改造可只更换转轮,保留原有的其他所有部件。但是,旧的导叶以及支持盖等过流部件将影响新转轮的效率,且原导水机构和密封已破旧不堪而影响水轮机性能。故建议即使采用定桨改造方案,也应该采用新结构、新技术将导水机构、主轴密封和轴承等全部更换。(3)转桨方案将原水轮机除基础部件外全部换新,采用最新技术和结构方案,不仅是在主轴内部增加一套复杂的控制机构,而且在密封、轴承上使用先进可靠的技术是老电站焕然一新。4原水轮机主要元件结构改造设计由于湖南衡东县甘溪电站水轮机是20世纪70年代初期的产品,其各部件结构都比较落后,趁这次改造的机会,可对原水轮机的受油器、轴承、密封、操作油管和转轮的内部结构,如桨叶密封和桨叶操作机构等进行改造。4.1受油气运移特征新结构的受油器为摇摆式受油器,如图1所示,该受油气结构简单、便于维护和安装、不受力不憋劲、不窜油、运行稳定,已经在国内外多个电站中运行证明其可靠性。4.2齿轮自循环润滑型我们推荐采用一种油自循环润滑的抛物面楔形瓦径向导轴承(结构如图2)。这种轴承是国际著名公司的成熟结构,已被应用在很多的竖轴混流式、冲击式和泵水轮机上,并被证明具有极好的性能。这种油自循环润滑的抛物面楔形瓦径向导轴承具有下列特点。(1)自润筒式瓦,主轴无轴领,摩擦半径小,轴承损耗小。(2)轴瓦与主轴间自然形成的四组油楔,使得轴承支承刚性好,同时其承载能力在4个方向大小相等且方向均向旋转中心,因而主轴运转稳定,无需靠主轴偏心建立油楔(单个)。(3)瓦间具有较大的贮油槽,使瓦面充分润滑,而且自循环油路很清楚。(4)加长的油箱盖可防止油的搅动和油雾的逸出。(5)抛物面瓦在制造厂内金加工而成,在工地安装时无需刮瓦,完全满足多台机电站水轮机导轴承在机组间的互换。4.3轴向运动原理新的操作油管(图3)是和新的受油器配合使用的,在机组运行过程中,操作油管一方面随着主轴做旋转运动,另一方面随着桨叶角度的调整作上、下轴向运动。由于操作油管是细长的管件焊接结构,传统的操作油管结构从电机端到水轮机转轮有3个配合的导向轴承,同时在传统的受油器又有3个浮动瓦。新的受油器为摇摆式结构,和新结构操作油管配合使用,在运行过程中,整个操作油管(包括上、中和下操作油管)做轴向运动时是不受力的,他的导向是靠延主轴内孔分布若干球面螺钉作为支撑以承受操作油管做轴向运动时的变形。所以在实际运行过程中不会出现上诉传统结构所出现的问题。4.4密封和操作机构图4是新的转轮装配的结构,与旧转轮相比具有下面2个显著优点:(1)叶片密封采用双向X加V型密封,且具有自调整功能。和传统的“λ”型加弹簧密封结构相比,压缩比均匀、密合性能好,易调整、增加了两道双向密封。漏油量几乎为0,结构简单、安装维护方便。(2)叶片操作机构采用一个径向销承担叶片和转臂之间的联接,这个径向销采用高强度合金钢材料,即承受叶片旋转的扭应力,又承受叶片在飞逸时的产生的最大离心力作用在其上的弯应力,同时还具有定位的功能。旧转轮的结构是采用卡环承受叶片的离心力,两个叶片与转臂的轴向定位销传替扭矩,结构复杂、安装困难,而且卡环和轴向销都需要配磨间隙和配打销孔,工艺复杂,增加制造成本。4.5机械密封封水方式图5是新的主轴密封装配的结构,水轮机导轴承能否可靠地工作,在很大程度上取决于主轴密封的可靠性。本设计采用的是机械盘根密封结构,密封主要由不锈钢轴套,固定的密封支座、密封压盖和聚四氟乙烯密封填料等组成,不锈钢轴套固定在轴上随主轴一起旋转,密封支座固定在支持盖上,密封填料可以通过密封压板压紧在密封支座及不锈钢套之间槽内,用0.15～0.25MPa压力水润滑,冷却达到密封目的,水压可根据漏水情况,加以调整,这种密封封水性能好,结构简单,维护方便。主轴机械密封可在运行时现场调整。为缩短停机检修时间,主轴密封下部装有空气围带式的检修密封,平时围带与密封座外侧保持1.5～2mm间隙,长期停机或停机检修时,通入0.5～0.7MPa的压