水電站增效擴容改造工程設計與實施范文

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[摘要]澄碧河水電站于1964年興建，裝機為4×6.5MW，1997~2000年通過改造擴容為4×7.5MW，但改造后水輪機在運行過程中出現嚴重影響機組安全穩定運行的空蝕問題，2012年再次啟動改造。介紹了增效擴容改造工程的設計以及實施過程中遇到的問題和處理方案。

[關鍵詞]澄碧河水電站；增效擴容改造；設計；實施；處理方案

1工程背景

廣西百色市澄碧河水庫于1958年9月動工興建，1961年10月基本建成，后經1963~1978年和1987~1998年兩次加固方形成現有規模。澄碧河水庫樞紐工程主要由大壩、溢洪道、引水發電管、壩后電站等建筑物組成。澄碧河水電站于1964年興建，裝機為4×6.5MW，于1966年后相繼投產發電。由于電站設備老化，1997~2000年，澄碧河水庫管理局對電站水輪發電機組實施了增容技術改造。發電機定子部分全部更換新線圈，轉子部分除1#機外全部更換新線圈；水輪機部分全部更換新型轉輪。改造后電站轉輪由原來的HL702-LJ-140更換為HLJF2513-LJ-140型轉輪，電站裝機擴容為4×7.5MW，額定水頭52m，單機額定流量17.05m3/s。但是，改造后水輪機在運行過程中出現嚴重影響機組安全穩定運行的空蝕問題（見圖1）。另外，電站機組運行自動化監控、保護水平低，安全隱患大，嚴重影響電廠的安全生產和經濟效益。為滿足電廠安全運行、節能減排的需要，滿足當前社會發展、企業生存發展和提高企業職工收入的需要，需要再次進行增效擴容改造。

2改造設計

2.1水輪機轉輪改造方案

1997年改造更換的HLJF2513轉輪是中國水利水電科學研究院水力機電研究所在1994年專門為澄碧河水電站擴容改造而研發的轉輪，該轉輪以中國水科院為三峽工程開發的JF2803、JF2806為基礎而研發，具有效率高、限制流量大的特點。從理論上分析，該轉輪的水力性能是符合澄碧河水電站運行條件的，然而該次改造后水輪機在運行過程中發生了較為嚴重的空蝕，嚴重影響到機組的安全穩定運行和電站的經濟效益。可見選擇適合澄碧河電站運行工況的轉輪是本工程設計的重點。為減少工程投資，確保現有電站廠房結構安全，本次增效擴容改造工程設計的原則是保留原機組流道蝸殼、導水機構、座環和尾水管埋件，電站裝機臺數按原電站裝機臺數4臺，因此所選擇的替代轉輪直徑須與舊轉輪一致；導葉相對高度基本與原水輪機一致；新轉輪在限制工況空蝕性能要優于現有轉輪；同時新轉輪過流能力必須滿足現有機組流道、水輪機埋設部件不改造的限制條件。另外，由于電站的發電機在1997年進行改造時除1#機組的轉子外已全部更新，因此本次改造除更換1#機組轉子線圈、提高絕緣等級外，發電機其余部件基本不再改造，則新的水輪機轉輪額定轉速必須維持375r/min不變。基于上述邊界限制條件，經過分析比較，選擇X型葉片的JF2529C轉輪為理論計算基礎，分析適合電站水頭段轉輪的比轉速ns和比速系數K、單位轉速n11和單位流量Q11、模型空化系數бm、效率η等參數水平，提出澄碧河水電站水輪機新轉輪的目標參數。針對澄碧河水電站無運行棄水的特點，與舊轉輪相比，提出的新轉輪目標參數效率高、單位流量略低，空化性能更優。

2.2采用當前成熟的材料技術和先進生產技術、設計手段實施機組改造

根據研究成果，結合項目特點，精心編制機組改造招標文件，詳細說明機組改造所有限制條件，提出轉輪（包括葉片和下環）材質均采用抗空蝕、耐磨損的材料，增強轉輪抗空蝕效果；同時提出中標機組廠家必須采用先進的CFD技術分析新轉輪對電站多個限制邊界條件的適應性。通過招標采購，選用HLA835c-35轉輪替代舊轉輪，新轉輪（包括葉片和下環）材質選用抗空蝕、耐磨損的不銹鋼材料ZG06Cr16Ni5Mo，應用VOD超低碳精煉技術進行鋼水冶煉以確保轉輪鑄件的品質及綜合性能。南寧廣發重工發電設備有限責任公司（中標廠家，以下簡稱“南寧廣發重工”）委托哈爾濱大電機研究所對HL702轉輪流道和HLA835c-35轉輪進行CFD分析，通過CFD流體力學分析，模擬新轉輪在現狀流道中的運行狀態，對比新轉輪與目標參數的吻合度，驗證新轉輪的優越性。

2.3因地制宜，注重細節

為將有限的改造資金充分利用在機電設備更新升級，確保現有電站廠房結構安全，本次增效擴容改造廠房土建結構基本不改變，因此所有機電設備更新改造方案必須符合現有廠房布置條件。澄碧河水電廠于1964年興建，設計圖紙資料有缺失，特別是廠房土建結構圖和布置尺寸圖不全。為確保改造方案可行，設計人員多次前往電站現場，復核廠房和開關站布置尺寸、土建結構，與業主充分溝通后確定改造方案并因地制宜地開展施工圖設計。電站廠房水輪機層、水輪機進水蝶閥層通道狹窄、機電設備布置尺寸緊張，現場廠房尺寸復核工作尤為必要。

2.4力求改造方案效益最大化

由于本次改造資金有限，難以一步到位更新全廠所有機電設備，因此設計人員對電廠原有設備運行情況和性能參數進行詳細調查，在此基礎上與澄碧河水庫管理局反復溝通協調，保留部分狀況尚可的設備，選擇對電站安全穩定運行影響較大、不滿足節能型產品要求或者為提高電站自動化水平、實現電廠綜合自動化、減輕運行人員勞動強度、增加電廠效益需要更新的設備進行改造。

3改造內容

經過分析研究，確定本次增效擴容改造工程的主要改造項目如下：

3.1水力機械

⑴水輪機保留蝸殼、座環、尾水管等埋設部件，更換4臺套水輪機轉輪；⑵更換4臺套水輪機的大部分水輪機自動化元件，并增加一部份自動化元件，以滿足機組自動控制需求；⑶更換4臺套舊調速器及其油壓裝置，以滿足水輪機、水輪機調壓閥的聯動控制要求和實現電廠微機綜合自動化監控；⑷拆除4臺套舊放空閥，更新為4臺套水輪機調壓閥，以滿足引水發電系統調節保證及安全與穩定運行的要求；⑸更換電廠油、氣、水系統的部分設備和自動化元件，以實現電廠自動化監控。

3.2電氣工程

⑴更換1#水輪發電機轉子線圈，將轉子絕緣等級由B級提高到F級；⑵更換2臺水輪發電機勵磁系統，包括變壓器、勵磁屏等；⑶更換4臺套水輪發電機的滑環部件及上蓋板，拆除原發電機的勵磁機部件（與滑環做成一個部件）；⑷更換4臺水輪發電機制動系統（含制動閘、集塵系統、制動屏）；⑸為預留水輪發電機超發電能輸出及電網35kV側系統電能向110kV側系統輸入能力，電廠3B主變容量由原來20000kVA增容至31500kVA，并將電站原用的高損耗、已淘汰的變壓器更換成S11新型節能低耗變壓器；⑹拆除7B1000kVA變壓器，保留6B3150kVA變壓器，將近區10.5kV配電裝置由戶外式更換為戶內式，與原有10.5kV近區I段母線并聯運行，接成單母線分段接線；⑺更換電站原用已運行多年的10.5kV、35kV、110kV配電裝置；⑻更換4B、5B廠用變壓器、動力配電箱等，采用干式低能耗變壓器；⑼更換電站照明系統，采用節能型燈具、重新敷設照明線路；⑽檢修維護防雷及接地部分；⑾增設電廠計算機綜合自動化系統；⑿增加輔機遠程智能控制設備；⒀更換電站繼電保護設備；⒁增設電廠視頻系統；⒂更換電廠電力電纜、二次信號控制電纜，更換水輪機層電纜橋架。

3.3升壓站修復改造

⑴拆除重建圍墻（含大門）。⑵改造設備構、支架及電纜溝。部分拆除并重建原110kV、35kV構架及110kV、35kV和10kV設備支架；對配置有操作機構的設備相應設置絕緣地面；新建電纜溝，總長16.4m。⑶修復改造后破壞設施。對構、支架拆除及基礎開挖破壞的排水系統、原硬化場地及電纜溝進行修復復原。⑷改造后重新敷設升壓站人工接地網。

4實施改造

4.1實施過程

2012年，《百色市澄碧河水電站增效擴容改造工程初步設計報告》編制完成并審查通過。2013年，完成機電設備采購和安裝施工招標。2014年12月30日首臺機組改造完成、通過啟動驗收投產發電，2015年6月15日4臺機組全部改造完成，2015年12月28日，百色市澄碧河水電廠增效擴容改造工程通過廣西水利廳委托百色市水利局組織的完工驗收。

4.2CFD分析不足之處

本次改造南寧廣發重工對轉輪性能的CFD分析存在以下不足之處：⑴由于缺乏HLJF2513轉輪的葉片型線數據，且機組流道維持HL702轉輪流道不變，因此本次CFD分析是針對HL702轉輪流道、對HLA835c-35轉輪與HL702轉輪進行CFD對比分析，未能直接對HLA835c-35轉輪與本次改造前HLJF2513轉輪進行CFD對比分析。⑵未能對轉輪和活動導葉作為一個整體進行藕合CFD分析。⑶分析成果缺乏轉輪與現狀轉輪的效率、葉片工作面（正面/正壓面）壓力和背面（負壓面）壓力、空化特性、轉輪出口及尾水管壓力分布等的一些數值比較表。⑷分析成果缺乏采用HLA835C型轉輪后，原型水輪機效率的CFD解析預測值表。⑸分析成果未提出新模型轉輪應用于本工程時的模型水輪機初生和臨界空化性能預測線、葉道渦初始線和發展線（應重視額定水頭和低水頭下低負荷工況（相應水頭下最大保證功率的0～80%）時的轉輪內部流態分析，分析其轉輪靠近下環處是否會有強烈的葉道渦存在）、無渦區等，以便指導真機運行時的穩定運行范圍。綜上所述，新轉輪的CFD分析只能作為設計參考，實際轉輪性能有待實際運行參數和運行效果驗證。

4.3施工過程遇到問題和處理方案

增效擴容工程施工的難點是新舊設備的銜接、新設備與廠房原土建結構的協調。即便招標設計和施工圖設計做得認真細致，新設備運到現場后，安裝施工過程中仍然難以避免出現一些問題，比如：（1）1997年改造前1#水輪機額定出力6900kW，其他3臺機組的額定出力為6550kW，本次改造本應特別注意，但業主、設計院、南寧廣發重工都忽略了這一點，未通過現場復核尺寸發現原有機組1#機的導水機構控制環尺寸與其他3臺機組不同，導葉接力器行程須比電廠其他3臺機組長，導致1#機的新接力器須返廠更換；（2）2#機的主軸水輪機端法蘭孔徑較其他3臺機組小，因4臺機新轉輪的聯接螺栓統一直徑為M64×4，2#機主軸水輪機端法蘭孔需要擴孔；（3）本次改造前原轉輪總高度為788.2mm，與尾水錐管法蘭間隙為20mm。改造后新轉輪總高度為798.2mm，比原轉輪高10mm，與尾水錐管法蘭間距為10mm。發電機軸與水輪機軸連接端止口高度為12mm，水輪機軸與發電機軸連接端裝配槽深1mm，聯軸裝配時，由于發電機軸與水輪機軸法蘭面間距為10mm，比止口高度12mm少1～2mm，發電機軸下端止口頂住水輪機軸法蘭，影響機組聯軸及盤車。問題出現后，設計人員提出以下3個處理方案：①打磨或車削發電機軸與水輪機軸連接端止口端面3mm，使止口高度由12mm減為9mm，此方案工作量少，不會影響設備的性能。由于止口側面為精配合面，施工時須采取有效措施防止止口變形；②切割尾水錐管法蘭面以下的錐管，裁去活量后再焊接尾水管進口段，使尾水錐管法蘭高程下降10mm，宜結合尾水管進口的改造一起進行，使尾水錐管與轉輪出口順暢連接，減少尾水管進口與轉輪出口流道突變造成的效率降低和空蝕破壞。由于需要切割尾水錐管及加工新的尾水錐管進口段，并對土建部分進行適當的處理，此方案的工作量較大，但效果最好；③把機組尾水管法蘭面下磨2～3mm，這是南寧廣發重工推薦的方案，由于下磨法蘭面會使錐管法蘭變薄，而且現場處理法蘭面工藝不好控制，工作量大，加上本電站空蝕性能不好，經過處理后的尾水錐管法蘭處空蝕可能會變得更嚴重。經過設計院、業主、南寧廣發重工共同研究，從工作量、進度、施工難度綜合考慮，最后采用方案③現場處理。

5改造完成投產后的實際效果

百色市澄碧河水電廠增效擴容改造工程于2015年12月28日通過廣西水利廳委托百色市水利局組織的完工驗收。工程設計概算為2695.41萬元，完工驗收結算投資2291.5萬元，節約投資約400萬元。本次增效擴容改造維持原裝機容量4×7.5MW。改造前1997～2011年實際年平均發電量為1.116億kW•h，裝機利用小時數3722h；改造后相應多年平均發電量為1.35億kW•h，裝機利用小時數4496h，比改造前增加發電量0.234億kW•h。自2014年12月30日首臺機組改造完成、通過啟動驗收投產發電運行至今一切正常。2015年6月15日4臺機組全部改造完成，2015年4臺機組單機運行最高出力分別為1#機7.9MW、2#機7.9MW、3#機7.6MW、4#機8.0MW。2015年受澄碧河水庫除險加固工程影響，水庫最高蓄水位為181.5m，未達到水庫正常蓄水位185m，但水電廠年發電量仍達到1.4億kW•h，超過改造前實際年平均發電量，亦超過本次改造設計多年平均發電量1.35億kW•h，緩解了百色電網地方電力需求，促進了當地經濟發展，取得了良好的經濟效益和社會效益。。

（1）在機組出力和效率方面。2015年1月16日澄碧河水庫管理局會同百色市大流量水表檢定站對3臺機組進行檢測。在水庫蓄水位172.87m工況，尚未改造的2#機組單機運行出力為6.2MW，發電用水量為20.791～21.4m3/s，平均每1MW用水量約3.4m3/s。已經完成改造的3#、4#機組單機運行出力為6.0MW，單機發電用水量為14.71～15.21m3/s，平均每1MW用水量為2.5m3/s，改造后平均每1MW發電用水量減少0.9m3/s，機組效率明顯提高。

（2）水輪機空蝕性能方面。新轉輪HLA835c-35在限制工況時的空蝕系數σ=0.12，遠小于舊轉輪的σ=0.14，且當σ≤0.136（對應的Hs=-0.73m）時，即可滿足電站機組安裝高程要求，因此新轉輪能滿足澄碧河電站吸出高度要求并有一定余量，新轉輪葉片和下環材質選用抗空蝕、耐磨損的材料ZG06Cr16Ni5Mo，明顯改善轉輪的抗空蝕性能。新轉輪單位轉速降低，水輪機葉片背面脫流空化減少，水輪機運行穩定性得到改善。自2015年6月機組全部改造完成投入運行以來，期間經過汛期考驗，機組安全度汛沒有出現任何不利情況。4臺機組運行穩定，溫度與振動值等各項關鍵數據正常。

（3）在節能降耗方面。2#主變壓器由SF10000/35型更新為SF11-10000/38.5型，3#主變壓器由SFS20000/110更新為SFSZ11-31500/110，廠用變均由原來鋁芯繞組的油浸式更新為節能型干式變壓器，有效降低水電廠輸送電能的損耗，電站效益顯著提高。本次改造完成后，電站設備完備率和綜合自動化水平得到很大提高，減輕了運行人員的工作強度，提高了電站運行的安全性、可靠性。廠房和開關站面貌一新，廠內運行環境和勞動衛生條件明顯改善。

作者：劉春燕 單位：廣西水利電力勘測設計研究院