对港二期电站水轮机增效扩容改造研究与实践

李崇智，翟光耀

(1.广东粤海珠三角供水有限公司，广东 广州 511458；2.广东粤港供水有限公司，广东 深圳 518021)

1 电站概况及机组参数

对港二期电站位于深圳水库下游，利用由深圳水库向香港供水的流量和落差发电。电站为坝后式，安装两台型号相同的混流立式水轮发电机组，单机额定容量为1 600 kW，1984年投入运行，年均发电量1 400 万KWh，年均利用小时数5 312 h。

对港二期电站通过“一管双机”的方式从深圳水库引水发电。深圳水库设计正常蓄水位为27.6 m，最低运行水位22 m，死水位19 m。对港二期电站尾水经尾水渠流入向香港供水的供水总管，不受洪水影响，二期电站设计供水量为 18.4 m3/s 时相应尾水位7.2 m。对港二期电站机组主要参数如表1所示。

表1 对港二期电站机组主要参数

2 水轮机技术改造的必要性

基于以下原因，对对港二期电站机电设备进行技术改造是十分必要的。

(1)机电设备老化。对港二期电站投运近30年，水轮机导叶、顶盖、底环、导叶部件均出现锈蚀磨损，导叶各配合间隙超标，造成导水机构漏水严重，甚至有时出现停机刹车投入后仍无法关停机组的状况。

(2)HL260型水轮机效率水平太低。HL260型水轮机是美国30年代的技术，其水轮机模型主要水力参数如表2所示。与现代水平相比，HL260型水轮机模型效率约低8%以上，水轮机过流能力约低20%，早已属于淘汰技术。

表2 HL260-25型水轮机主要水力参数表(普通弯肘型尾水管)

(3)电站实际运行水头偏高，水轮机运行工况长期偏离最优区。深圳水库水位实际常在25.28～27.38 m间变化，对港二期电站实际运行的尾水位低于原设计值，在4.0～5.8 m间变化。电站实际运行毛水头范围为20.5～23.0 m，运行的平均净水头在为21.5 m，对应的水轮机单位转速为67 r/min，显著偏离水轮机最优单位转速，使得水轮机长期低效率运行[1]。在21.5 m净水头下，HL260-LJ-145型水轮机(n=214.3 r/min)的效率与出力随流量的变化曲线如图1和图2所示。

图1 水轮机效率随流量的变化曲线(H=21.5 m)

图2 机组出力随流量的变化曲线(H=21.5 m)

(4)供水流量经常大于两台水轮机过流量，水力资源未被充分利用。对港二期电站为利用供水发电，当对港二期出现的供水流量为20～30 m3/s情况时，受发电机容量的限制，在20 m净水头下，两台水轮机的最大过流量为20 m3/s，致使部分供水流量不得不通过旁通管下泄至尾水渠。水力资源未被充分利用。

3 水轮机技术改造方案

经过对对港二期电站实际情况的综合分析与比较，确定水轮机的技术改造方案[2-5]如下：

(1)改造内容：除保留蜗壳、座环及尾水管等埋入部件外，更换其他所有部件。

(2)水轮机额定水头提高至20 m。由于蜗壳进口与尾水管的位置、尺寸不宜改变，因此新的水轮机选型受到限制。电站现实际经常运行毛水头范围20～23 m，与原设计水头范围存在较大偏差，最常出现的供水流量实际在20～30 m3/s之间；按照现阶段水轮机制造水平，理论上转轮直径1 450 mm，本水头段的单机容量可达到近2 500 kW；但由于受限于对港供水管道的过流量，同时考虑到改造后机组的发电机基础及厂房土建部分的承载力等因素，本次改造将流量维持在原额定流量12 m3/s左右，额定水头提高到20 m。

(3)机组额定转速提高至250 r/min。若采用原额定转速214.3 r/min不变，水轮机、发电机轴不用更换，发电机仅更换定子线圈、转子磁极、空冷器(含测温仪表)、碳刷及集电环、转子引线、自动化元件，推力轴承采用金属塑料瓦，定子需运回厂进行处理，其他部件可直接在电站进行更换和安装，改造后水轮机额定点效率可提高到89%，发电机绝缘等级提高至F级；同样的水轮机，若额定转速提高到250 r/min，水轮机、发电机轴均将更换，发电机除机座外全换，水轮机额定效率可提高至93%以上，同时由于转速提高，发电机尺寸减小，对发电机基础及厂房土建部分的承载有利。比较两个方案，250 r/min方案(发电机及主轴等全换)在设备价格上比214.3 r/min方案(发电机部件部分更换)高出近100万元，但若考虑拆卸、运输、部件重新试验检验鉴定等费用，214.3 r/min方案优势不明显，且250 r/min方案水轮机效率可相对提高约4%，因此，推荐额定转速250 r/min方案。

(4)机组额定出力提高至2 000 kW。经研究，对港二期电站改造可选用的水轮机型号有HLD260B-LJ-145和HLTF50-LJ-145，这两种机型导叶高度与原有机型一样，机组容量可增至2 000 kW，水轮机仅更换转轮即可。

(5)根据以上约束条件优化设计水轮机技改转轮。

4 水轮机技术改造效果

(1)计算分析结果。分析计算结果表明，在平均水头21.5 m下，技改前、后水轮机的效率随流量的变化曲线如图1所示，可以看出，不同过流量下水轮机的运行效率可以提高5%～8%；技改前、后机组的出力随流量的变化曲线如图2所示，可以看出，不同过流量下机组的出力可以提高50～150 kW；机组最大出力可以提高至2 000 kW。

(2)实际运行结果。技改后的对港二期电站两台机组相继于2016年4月投产发电，机组运行稳定。为比较水轮机技改前后的效率变化情况[6]，我们选取了上游水位相近的二期电站技改前、后的相关参数如表3和表4所示。

表3 技改前二期电站运行参数表

表4 技改后二期电站运行参数表

从表3和表4可以看出，通过技改，单位毛水头下每一千方水的平均发电量从1.99提高至2.20，相对提高约10.5%，效果十分明显。

5 结 语

(1)通过本次对港二期电站机组及其辅助设备、电气设备、保护监控系统的改造，不仅能解决设备老化问题，使电站稳定运行，提高运行的安全性、可靠性以及自动化水平，达到供水系统整体运行水平的一致性，而且能减少日常维护和检修工作量，提高生产效率，并可实现“无人值班、少人值守”的运行管理模式。

(2)技改后机组额定出力提高至2 000 kW，相对提高25%；水轮机的运行效率可以提高5%～8%，相同流量下机组出力可以提高50～150 kW。单位毛水头下每一千方水的平均发电量从1.99提高至2.20，相对提高约10.5%。通过技改，显著提高了水力资源的利用率。按原来平均每年总发电量1 650 万kWh计算，改造后一年能新增电量约173 万kWh,经济效益显著。

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参考文献：

[1] 彭忠年，陈 锐，蒋学运，等.南丰水电站HL263-LJ-235型水轮机提效增容技术改造[J].水力发电，1999,25(12)：51-53.

[2] 徐锦才，张 巍，徐国君，等.农村小水电机组增容改造的方法[J].中国农村水利水电，2004，(6):78-79.

[3] 薛 鹏，王 鑫，田娅娟，等.中小水电站增效扩容改造的主要问题及解决方案[J].中国农村水利水电，2014，(2):133-136.

[4] 穆建军.农村水电站增效扩容改造关键技术问题的探讨[J].农村水电及电气化，2012,67(5):6-8.

[5] 田中兴.总结分析试点经验和成效助推增效扩容改造全面实施[J].中国水能及电气化，2013,95(Z1):13-16.

[6] 陈锡芳.水轮发电机组改造增容与优化运行[M]. 北京：中国水利水电出版社，2010:1-4.