Gansa电站水轮发电机组的更新改造技术

陈 康 明（杭州江河水电科技有限公司，杭州 310012）

Gansa电站水轮发电机组的更新改造技术

陈 康 明（杭州江河水电科技有限公司，杭州 310012）

Gansa水电站已经投入运行50年以上，利用原有尾水管和蜗壳等埋入部件，对其它的老旧设备进行更新改造。通过流动解析技术预测水轮机效率特性和气蚀特性，完成了水轮机的性能设计。同时在结构设计上采用了水润滑导轴承、无供水机械密封、油电混合接力器、发电机塑料轴承等新技术。

更新改造；水轮机；发电机

0 前言

近年来，在全球环境问题日益突出的背景下，各国越来越重视可再生能源的利用发展。作为可再生能源中技术最成熟，经济最可行的小水电尤其受到青睐，在此背景下，更新改造老旧水电站的水轮机和发电机的项目越来越多。大部分电站的设备更新改造都结合提高了设备的使用性能，国外的情况同样，在韩国，有大量利用老旧水电站原有厂房建筑物，以更新和提高性能为目的的小水电站改造项目。

在这样的形势下，我公司对韩国Gansa水电站的水轮机、发电机及控制系统进行了更新改造，目前 2台机组已经改造完成投入运行。本文以Gansa水电站的水轮机、发电机改造为例，介绍了水电站设备的更新改造技术。

1 Gansa水电站概要

Gansa水电站距离韩国首尔150公里，于上个世纪60年代开始投入运行。此次改造，为了不影响土建结构，保留使用原有尾水管、蜗壳和发电机的基础，在更新老旧设备的同时，通过提高水轮机性能来增加发电机的出力。表1是改造前后水轮机、发电机的主要参数对比。由于原有的水轮机、发电机是其它公司生产的，更新后设备与原设备的配合需要充分重视。

表1 水轮机、发电机的主要参数

为了实现水电站的无人值守，改造后的水轮机和发电机采用了表2所列的一些新技术，以简化水电站的日常维护。

表2 Gansa水电站水轮机、发电机改造新技术

2 水轮机改造

对于像Gansa水电站这样的更新改造机组，由于保留了原有的埋设部件，因此在进行水轮机的性能设计和结构设计时，需要充分重视更新后部件与埋入部件的配合。

2.1 水轮机流体解析计算

数值模拟基本计算方法如下，求解器选用显式分离求解器；湍流模型选用RNG k-ε湍流模型，壁面处理选择标准壁面处理函数；压力和速度耦合方式选用压力-速度校正方法即SMPLE算法；连续性方程、动量方程、湍动能方程和湍动能耗散方程均采用二阶迎风格式离散计算。

轴流式水轮机内部流动可用N-S方程描述：连续性方程：

动量方程：

由于活动导叶和转轮叶片是周期性对称的，因此选取一个对称周期区域进行计算，由于旋转的转轮和静止的导叶存在计算区域相互干涉的情况，不能采用单一坐标系进行计算，因此，在干涉面附近采用过渡网格技术进行连接处理。网格划分采用四面体网格划分方法，网格划分尽可能细化，在转轮叶片头部和尾部等区域网格密度适当加大，网格划分对计算结果的准确度有较大影响。

在流体解析计算过程中，由于保留使用的蜗壳、尾水管等的流道形状与基准转轮的差异所产生的效率损失，通过在基准模型转轮的性能上增减解析结果，这是该电站水轮机效率的预测方法，流体解析结果的压力分布图如图1所示。考虑到尾水管高度已经由原机组决定，因此在性能设计时需要将气蚀性能和效率性能二者都进行最优组合。气蚀性能的评价是通过二相流解析来完成，二相流解析能够正确评价流场中气泡的存在对流体的影响，二相流解析结果如图2所示，图中白色部分表示气泡。

在现场通过压力时间法实测了水轮机的效率，CFD解析结果与实测结果的对比如图3所示。由现场效率试验得到的水轮机效率满足合同中的保证效率。通过对比，可以看出CFD解析的预测效率与真机实测的效率基本一致。

图1 流体解析结果的压力分布

图2 二相流解析结果

图3 水轮机效率对比

2.2 水轮机结构

水轮机的剖面图如图4所示。为了维护的简化和有利于环境保护，使用了一些新技术对该水电站的水轮机进行了改造。水导轴承采有水润滑方式，主轴密封采用无供水机械密封方式，导叶接力器采用油电混合接力器操作方式。

（1）水润滑水导轴承

水导轴承为筒式瓦结构，轴承采用膨胀系数极小的新型水润滑材质，轴承水槽与轴承为一体式结构，与主轴一同旋转。水槽的设计通过离心力使水自动循环，利于储藏在水槽内的水满足冷却要求，从而实现不需要供水，简化电站的维护。这种轴承结构是将以往轴流式水轮机使用的旋转油槽进行改进，从而应用到水润滑轴承上，轴承的结构如图5所示。

图4 水轮机剖面图

图5 水导轴承

（2）主轴密封

一般的水轮机主轴密封采用盘根式或者机械式密封结构。为了防止密封部件的干摩擦需要供润滑水。Gansa水电站采用了省略供水装置的免维护机械密封结构。通过对密封材质的改进，实现了无需供润滑水密封结构。

（3）导叶操作系统

导叶的操作由以往的油压操作改造成为油电混合操作方式。油电混合操作接力器是通过可逆活塞泵将高压油直接打入接力器缸来操作导叶，比一般的电动接力器方式能够做的更小，布置简洁。由于结构更小巧，能够满足原机组结构空间有限，保留使用原有基础的前提条件。由于水轮机蜗壳前没有设置进水阀门，另设置了用于导叶紧急关闭的蓄能器，蓄能器也用于发电机的制动器操作，油电混合操作系统原理如图 6所示。

图6 油电混合接力器操作系统图

3 发电机改进

发电机只保留基础埋入部件，其余全部更新改造。针对发电机的改造，进行了临界转速的计算分析，轴承的计算分析以及通风冷却的研究分析，发电机断面如图7所示。

3.1 冷却方式

发电机的冷却方式采用与原机组相同的出口管通风方式，保留使用原机组的出口管和阻尼器。

3.2 发电机轴承

轴承布置与普通机组一样，发电机上部是推力轴承和上导轴承，下部是下导轴承。发电机轴承材料均采用塑料瓦轴承，起动摩擦力小，维护简化，轴承的结构如图8所示，轴承的主要参数见表3。

推力轴承和上导轴承的发热量很大，轴承的冷却采用循环泵打油，采用外部油冷却器的强制给油循环方式。下导轴承的发热量较小，采用自循环内置式油冷却器方式。

3.3 发电机制动

为了简化维护，导叶由电动接力器操作的电站，发电机制动一般采用气制动或电磁制动。由于本电站没有设置水轮机进口阀门，停机时导叶漏水引起转动部件转动的可能较大，为了有较大的制动力，需要数台制动器才能满足要求。由于基础尺寸已经确定，布置不下足够的制动器数量。因此，该电站利用油电混合接力器的油压系统，采用了油压式制动器。用于导叶操作的油压蓄能器，能够满足油压制动器的要求，所以不需要增加其它辅助设备。

图7 发电机断面图

表3 发电机轴承规格

图8 发电机轴承构造

4 结论

以Gansa水电站为例，介绍了水轮发电机组的设备更新改造技术。对老旧水轮发电机组设备的更新改造，可以实现性能提高，维护简化，运行成本降低等目的。

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陈康明（1975-），1997年7月毕业于南昌工程学院水动专业，现主要从事水轮机设计工作，高级工程师。

审稿人：吴喜东

Equipment Remould Technology at Hydroelectric Power Plants

CHEN Kangming
（Hangzhou Jianghe Hydro-electric Science and Technology Co., Ltd.，Hangzhou 310012, China）

At Korea’s Gansa power plant，which has been more than 50 years of operation, embedded parts such as draft tubes and casings were retained, and other old machinery was replaced. Cavitation characteristics and efficiency characteristics of hydraulic turbines were calculated through flow analysis, and thereby conducting performance design surely. Simplification of maintenance was achieved through such measures as employing water-lubricated bearings, water-free mechanical seals and hybridization of guide blade operation for hydraulic turbines as well as employing plastic bearings for generators.

remould; hydro-turbine; generator

TM312

B

1000-3983(2017)01-0064-04

2016-01-20