提高水电站额定出力的可行性探讨

胡安江·居努斯

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐830001）

1 概述

在新疆水能资源分布中，中、小河流的小水电资源占有相当的比重，水电作为可再生、无污染的环保性能源，有它的自身优越性。

有相当一部分中、小型水电站由于先天不足，水文资料不全，设计和施工的水平残差不齐，主要设计参数和实际参数偏差较大，导致水电站的出力不足或弃水量大。中、小型水电站的技术改造也因它的工程量小、投资少、见效快、经济效益明显、社会效益巨大等一系列优点正逐步被广泛推广。

改造工作要从实际出发，因地制宜，充分利用水电站原有的设备设施，对改造部分做到技术先进，经济合理，质量优良。技术改造应采用新技术、新工艺、新材料和先进设备，提高设备和设施的技术性、先进性，改善运行条件，尽量恢复和增大水电站的发电能力，保证发电系统、引水系统及水工建筑物的安全可靠性。

2 SK水电站技术改造

SK水电站工程主要承担发电任务，其次是反调节任务。水库总库容1.21亿m3，装机容量3×47 MW，多年平均年发电量5.7亿kW·h，保证出力40 MW，电站水轮发电机组由哈尔滨电机厂有限责任公司生产，3台机组已经于2010年投入运行，截至目前运行状况良好。

2.1 增容问题的提出

根据SK水电站工程近4年上、下游水位分布情况的统计和电站弃水量的分析，可得出SK水电站在每年的6、7、8月份弃水较严重，为减少电站弃水量，同时提高汛期发电量，适当提高水轮机额定出力是十分必要的。

为充分发挥SK水电站的发电效益，挖掘现有水轮发电机组的潜在容量，依据电站运行管理单位意见，进行相应的可行性研究并提出复核设计意见。

2.2 增容技术改造原则

（1）水电站技术改造应遵循的原则

1）水轮机的技术改造应优先选用能量指标先进、空化特性优良、运行稳定性好的转轮，以保证技术改造的先进性。

2）改造方案选定的水轮机主要参数（设计水头、标称直径、额定转速和输出功率等），既要考虑到水电站的引水系统和水轮机流道尺寸及发电机同步转速等限制条件，又应将水轮机调整到最优工况区域运行，以保证技术改造的合理性。

3）改造方案应能改善水轮机的运行工况，提高效率，增加年发电量，以保证技术改造的经济性。

4）发电机的技术改造应考虑与水轮机在容量上的相互匹配，根据原设备的实际情况与制造商家研究协商，采用新材料、新结构和新工艺，确定合理的改造方案和改造范围。

（2）SK水电站增容技术改造原则

SK水电站增容的基本原则是在不改变现有发电引水系统及主要机电设备的前提下，充分挖掘水轮发电机组的潜力，在水轮机能量指标、空化性能、稳定性允许范围内，通过提高水轮机单位流量（额定流量和额定水头），从而提高水轮发电机组的额定出力。与此同时，对引水系统、发电设备及相关设施进行安全性复核。

本次增容要求为：在不更换现有绝大部分设备的前提下，适当提高机组额定水头和额定流量，使得水轮机额定出力达到53.3 MW（原48.454 MW），发电机达到51.7 MW（原47 MW），从而达到机组长期超发10%额定容量的目的。

3 SK水电站水轮发电机组的增容

（1）水轮机增容潜力

此次机组增容是在不改变电站发电引水系统和水轮发电机组的前提下，充分挖掘现有水轮机转轮特性潜力而实现，包括水轮机转轮直径、流道和机组转速保持不变的情况下，改变水轮机两个主要参数，即水轮机转轮的单位流Q11或单位转速n11来达到水轮机新的出力，单位流量用Q11=Q/（D12×H0.5）、而单位转速用n11=（n×D1）/H0.5表示，从上式可以分析出当转轮直径为常数时，通过额定流量和额定水头的最佳搭配来达到单位流量的变化，而单位转速是随额定水头的变化而变，本阶段通过额定流量和额定水头的不同组合方式在HLA551 C水轮机模型综合特性曲线上的位置，得出Q11与n11现有条件之下比较合理的搭配方式为Q11=1.39 m3/s、n11=83.56 r/min，在水轮机模型综合特性曲线上水轮机增容前后额定点位置、增容范围及运行区域见图1。

从图1可以看出增容前额定点单位流量为1.29 m3/s，增容后达到1.39 m3/s，额定点非常接近水轮机出力限制线，已经没有余量，但水轮机运行区域仍然在较合理的范围内。

图1 HLA551 C水轮机模型综合特性曲线上的额定点位置增容范围图

（2）增容后水轮机参数

经反复计算和复核单位转速和单位流量，当水轮机额定水头达到35.8 m，水轮机额定流量为169.0 m3/s时，水轮机可以发出53.3 MW的出力，此时水轮机额定水头小于电站加权平均水头36.10 m，符合DL/T5186-2004水力发电厂机电设计规范的规定，而且增容后在高水头运行时，导叶开度不至于过小，对机组安全稳定运行有利。

水轮机增容前后的主要技术参数见表1。

表1 水轮机增容前后的技术参数

转向：水轮发电机从发电机端看为俯视顺时针方向旋转。

（3）增容后水轮机运行范围

增容后水轮机换算到真机运转特性曲线见图2所示。

（4）增容后水轮机相关参数的复核说明

1）比转速

比转速及比速系数是衡量水轮机先进性、经济性的综合技术指标，其定义为1 m水头下发出1 kW出力时的水轮机转速。比转速受水轮机效率水平、空化性能和运行稳定性等许多因素的制约，过度提高比转速存在一定的风险。水轮机增容前后是同一个水平段，变化很小，并在合理范围之内，即293 m·kW和295 m·kW。

图2 增容后水轮机运转特性曲线

2）导叶开度

水轮机增容10%后，各水头下的单位流量均有所增加，导叶开口也将相应变大，模型综合特性曲线上可以看到导叶最大开口为32 mm，相对应的真机导叶最大开口为405 mm，不超过本电站机组设计最大导叶开口415 mm。

3）飞逸转速

根据A551 C转轮模型综合特性曲线，按照机组增容后水轮机最大可能导叶开口，并考虑预留一定余量，相应的模型单位飞逸转速为148.3 r/min，换算成真机飞逸转速为199.65 r/min ，不超过原合同机组飞逸转速200 r/min的要求。

4）最大水推力

水推力跟转轮的特性，与水轮机转轮直径、电站最大水头有关，由于增容前后机组最大水头、转轮型号及转轮直径都未发生变化，严格来说水轮机增容后水推力不会有变化。根据A551 C转轮水推力系数为0.46，复核计算的水轮机水推力为2 700 kN。

5）空蚀、空化性能

水轮机的空蚀性能直接影响机组运行的安全可靠性和电站的经济性，而且比转速与转轮的空化系数成正比关系。根据可研、初设阶段总结分析成果，本电站装置空蚀系数在0.213～0.3之间比较合适。电站增容后水轮机额定水头35.8 m、额定转速111.1 r/min，出力53.3 MW、比转速为293 m·kW时，电站的额定点装置空化系数小于0.3，在合理范围内。

根据A551 C转轮模型综合特性曲线，按照机组增容后水轮机主要工况点临界、装置空化系数见表2所示。

表2 水轮机主要工况点临界、装置空化系数对照表

临界空化系数σp与临界空化系数σC的比值关系在各特征工况下为：K=σp/σC=2.12～2.45，即空化安全系数大于2（大于一般清水条件下的1.6～1.8），增容后水轮机空化性能仍较优。

6）大流量区稳定性分析

增容后，水轮机额定单位流量已经达到1.39 m3/s。根据A551 C模型转轮压力脉动试验结果，模型转轮单位流量用到1.405 m3/s时，蜗壳进口、导叶后转轮前、锥管、肘管等位置压力脉动幅值均未发现陡升趋势，可以预测增容后转轮在大流量区运行具备较好的稳定性。

7）调节保证计算

电站压力引水系统采用单机单管引水方式，由压力钢管、水轮机蜗壳、尾水管等组成。压力引水管道直径6.2 m，长度87 m，整个压力引水系统和最大发电水头未发生变化，增容后3台机组满发时压力引水系统的总流量（流速）有所增加。

通过增容后复核调节保证计算，得出的结论为：导叶采用一段关闭规律，导叶关闭时间为Ts′=10s时，蜗壳末端最大压力上升值不大于54 m水头（ξmax=49.3%），速率上升不超过额定转速的50%（βmax=49.9%），尾水管进口最大真空值小于8 m水柱。

8）导叶接力器容量复核

SK水电站导叶接力器基本参数为，导叶接力器活塞杆直径120 mm，活塞直径为350 mm，按照经验公式计算，增容后所需要的接力器直径约285 mm，小于原机组配套的接力器直径350 mm，故机组接力器在满足要求的同时还有一定的安全裕量。

（5）增容前后水轮发电机主要技术参数

发电机采用立轴、半伞式结构，密闭空气循环冷却方式，在不改变发电机主要部件前提下，增容10%后主要参数如表3所示。

表3 增容10%前后技术参数

（6）增容前、后发电机电磁参数比较

发电机增容10%（由47 MW增至51.7 MW）后，发电机各主要电磁参数对比结果见表4。

（7）增容后水轮发电机电磁参数和有关部件机械受力情况说明

设备制造商家针对机组增容10%后，原发电机定子机座、上、下机架的刚、强度计算分析，定位筋、托块焊缝应力分析，定子铁心压紧系统，主轴应力分析，转子支架刚、强度复核计算，磁极、磁轭强度应力分析，推力、导轴承，发电机基础受力情况进行了详细的计算复核，得出发电机增容10%后，其主要结构件的刚强度均满足标准要求。

4 结束语

SK水电站水轮发电机组容量由47 MW增容至51.7 MW运行，经论证校核，现有机电设备满足增容要求，可以有效提高电站的发电效益和水能利用率。

表4 发电机额定工况和增容10%额定工况运行，各主要电磁参数对比表

SK水电站已投入运行接近10年，难免有些机电设备，包括有些关键电气设备各部件已经老化，建议运行管理单位应结合实际采取相应的检测、试验工作，以便确保机组增容10%后能够安全、稳定运行。