那岸水电站增效扩容改造工程机组组要参数选择

农云峰

那岸水电站增效扩容改造工程机组组要参数选择

农云峰

文章结合那岸水电站增效扩容改造工程，介绍合理选择机组的单机容量、额定水头、额定转速等机组主要参数，确定其改造方案。

增效扩容；机组；主要参数选择

一、电站概述

那岸水电站位于大新县雷平镇那岸村王孟屯，黑水河上游，距大新县城约46公里，水库处于石灰岩狭谷地带，库区四周为高山，坝址以上控制集雨面积3180km2，坝址多年平均流量81.3 m3/s，年径流量23.8亿m3，拦河坝为大头溢流式，溢流坝段高47m，非溢流坝段高57m，总库容2915万m3，有效库容844万m3，设计洪水流量2600m3/s。电站为坝后式，电站原装机容量4×3200kW，设计保证出电2600kW，多年平均发电量7003万kWh，年利用小时4377h。那岸电站于1970年元月破土动工，1974年4月，1#机组试机运行，1977年4月，4台机组全部投产。那岸电站于2000年对1～4#机组进行了一次技术改造，受当时经济技术条件所限，仅对发电机进行了技术改造，将发电机单机容量由3200kW扩容至4000kW，水轮机未进行技术改造。根据多年运行情况及水文水能观测，电站尚有富余的流量可利用，具备增容扩建的条件。为充分利用水力资源，拟将电站1～4#机组可扩容至4× 4200kW。

二、电站基本参数

水库和电站主要技术参数如下表1。

（一）水轮发电机组现状

1.水轮发电机组现状主要技术参数

那岸水电站现有1～4#机组为混流式水轮发电机组，水轮发电机组的参数如下表2。

表1 电站基本参数表

表2 水轮发电机组现状主要技术参数表

2.机组现存问题及技术改造必要性

那岸水电站水轮发电机组经过多年的运行，设施设备已经老化，主要存在以下问题：

（1）水轮机存在的问题

现有1～4#水轮机经过近四十年运行，机组设备老化、性能下降、严重影响了机组的安全稳定运行。水轮机转轮体、叶片过流表面磨蚀严重，转轮间隙大，耗水量大，水轮机效率下降；顶盖、底环等磨损严重，致使水轮机漏水量加大；轴承轴瓦间隙大，机组震动大、噪音偏大；导叶轴套磨损，导叶间隙偏大致使漏水量大。水轮机存在的以上问题虽经多次修缮，但仍不能从根本上解决，导致水轮机整体效率下降，浪费水资源。

（2）发电机存在的问题

发电机绝缘老化，空冷器损坏，定子、转子运行温度高，严重影响机组的安全运行。

2000年技改前，发电机原定子及转子线圈均为铝芯线圈，线圈内阻大，载流能力低，由于运行年限较长，定子线圈和转子线圈绝缘老化（原采用的是B级绝缘），绝缘电阻下降，存在较大的安全隐患；2000年将机组由3200kW扩容至4000kW时，仅将定子线圈更换为为铜芯线圈、增加线圈匝数及提升绝缘等级为F级，定子其他部件未进行改造；而转子则未进行任何改造，转子线圈仍为铝芯线圈，线圈匝数也未增加，这样出现了励磁电流增大而转子线圈载流能力不足的现象，导致了发电机运行温度偏高，个别测点的温度甚至接近100℃；另外，定子铁芯高度不足，磁通受限，转子的磁轭叠片的风槽面积不足，空冷器热交换能力下降，也是造成定发电机运行温度升高的原因。发电机长期处于较高的温度环境下运行，加速了设备老化，导致绝缘降低，甚至可能发生击穿的危险，危害到了发电机的安全运行。

（3）机组技术改造必要性

电站现有机组技术性能落后，且经过多年运行，机组设备老化严重、各项技术性能大幅度下降，已严重影响了机组的安全稳定运行。为充分利用水资源，确保电站安全稳定运行，对电站现有机组进行技术改造已刻不容缓，势在必行。

三、水轮发电机组增效扩容改造方案

（一）水轮机的选择

1.水轮机额定水头

水电站坝前正常蓄水位217.0m，正常尾水位180.0m，电站加权平均水头为34.3m，本电站水轮机额定水头取值为33.8m。

2.水轮机机型选择

机组水轮机运行水头范围为25～35m，根据水电站运行水头的变幅，适用于本电站水头范围的水轮机机型有轴流式水轮机和混流式水轮机。由于原机组为混流式机组，如更新为轴流式机组相应的配套部件更改工作量较大，且轴流式水轮机空化系数较大，机组结构较复杂，故在此对轴流式水轮机不做深入的比选。混流式水轮机具有结构简单，制造、安装方便、运转可靠，同时具有较高效率、较小的空化系数，国内设计制造经验成熟，在工程实践中此水头段的混流式机组有丰富的运行经验，推荐采用混流式水轮机。

3.单机容量和机组台数

电站1～4#机组现有装机容量为4×4000kW，经水文水能专业分析计算，电站水资源尚未被充分利用，仍有增容改造空间，根据水能计算成果，1～4#机组可扩容至4×4200kW。为减少扩容改造投资及工程量，扩容改造方案应尽可能利用现有水轮机坑和发电机机座，因此改造后水轮机转轮直径及额定转速应与现机组一致。1～4#机组现有水轮机型号为HL240-LJ-140，转轮直径1.4m，额定转速300r/min，机组发4000kW额定出力时，对应的水轮机单位流量为1.226 m3/s，而HL240转轮限制工况单位流量为1.24 m3/s，扩容余地非常有限。为充分利用水资源，在不改变转轮直径、机组转速的条件下将机组单机额定出力扩容至4200kW，需要更换最优工况单位转速与原有转轮HL240接近且过流能力更大、效率更高的新型号高性能转轮。新转轮提高了水轮机过流能力，水能利用率提高，但同时机组改造投资也相应增大。因此，应对4×4000kW（方案一）和4×4200kW（方案二）两个方案从电站发电效益、机组改造投资、机组性能参数、单位电能投资等方面进行综合分析比较，论证单机容量选择的合理性，计算分析比较结果如下表3。

从上表可以看到，两个方案相比较，在机组技术参数方面两个方案均能满足机组安全、稳定、可靠运行的要求，方案二在能量效率指标、空化性能等方面略优。在发电效益及经济指标方面，方案二在水轮机、发电机改造费用及电站技改总投资方面略高，但多年平均年发电量及机组总装机容量较方案一均有所提高，因此，单位千瓦投资、单位电能投资等指标较优。

表3 机组单机容量分析比较结果表

经综合比较认为，方案二除改造费用有所增加外，机组性能参数、水能利用率、单位电能投资、电站发电效益等技术经济指标均优于方案一。因此，推荐方案二：4×4200kW扩容改造方案。

4.水轮机模型转轮参数选择

电站1～4#机组装机容量4×4200kW，采用混流式水轮机，适用的转轮有HL820，JF3642，F12。几种模型转轮的特性参数及真机性能参数如下表4。

表4 水轮机模型转轮主要参数及其适用性分析比较表

经过对上表模型转轮技术参数的分析比较可知，三个转轮过流能力及效率方面均可满足机组扩容改造的要求。HL820和F12最优单位转速分别为82 r/min、83.5 r/min，按转轮直径1.4m计，机组转速为333 r/min，较原机组转速高一级，JF3642最优单位转速为71.63 r/min，对应机组转速为300 r/min，与原机组转速相同，无需对发电机基础及结构作较大改动，节约改造成本。因此，推荐JF3642转轮方案。

5.水轮机安装高程的复核

电站装设四台立轴混流式水轮机，机组的安装高程应同时满足在各种可能出现的运行工况下避免空蚀的要求以及尾水管出口最小淹没深度的要求。电站设计尾水位按一台水轮机额定流量对应的尾水位180.00m考虑。本电站水轮发电机组安装高程：

其中:

▽W——一台水轮机额定流量对应的下游水位，▽W=180.00 m

Hs——水轮机吸出高度，Hs≤2.6，空化安全系数按K=1.5考虑

b0——导叶高度，b0=0.511 m

此次改造利用原水轮机坑，水轮机安装高程与原机组相同，原安装高程为181.50m＜182.86m，因此，水轮机安装高程满足要求。

（二）水轮发电机组改造

1.水轮机改造

本次增效扩容改造水轮机主要改造项目为：更换水轮机不锈钢转轮、水轮机顶盖、底环、相应的配套部件更换。

2.发电机改造

本次增效扩容改造发电机主要改造项目为：更换定子绕组线圈、转子绕组线圈、发电机空冷器、推力轴承轴瓦。定子、转子绕组线圈绕组采用“F”级绝缘，保证发电机在额定电压、额定转速、功率因数0.8（滞后）和发出额定出力时最大温升不得超过国标GB1029规定值。

四、增效扩容改造后水轮发电机组主要技术参数

增效扩容改造后水轮发电机组主要技术参数如下表5。

表5 增效扩容改造后水轮发电机组主要参数表

[1]水轮机基本技术条件 GB/T 15468-2006.

[2]水轮发电技术条件 GB/T 7894-2009.

农云峰，广西南宁水利电力设计院工程师，研究方向：水电动力工程及自动化专业设计，广西南宁，530001

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1007-7723（2014）03-0043-0004