贯流式机组扩容增效改造稳定性分析

唐小勇

（中国大唐集团科学技术研究院有限公司水电科学研究院，广西 南宁 530000）

百龙滩水电站位于都安瑶族自治县与马山县交界的红水河中游，为红水河干流梯级开发的第七级电站，水电站安装有6台单机容量为32 MW的灯泡贯流式水轮发电机组[1，2]，总装机容量192 MW。百龙滩水电站建成投产较早，至今已运行20多年，由于上游梯级电站的投入运行等情况变化，水电站的运行条件发生了较大变化，最大水头由原来的18 m降低为16 m，电站低水头运行工况明显增多。但机组在低水头段运行振动较大，水头越低振动越大，越难保证安全稳定运行，机组效率下降，出力严重受限[3-5]。电厂为了机组的安全运行禁止在小于5 m的水头段运行，导致低水头段大量弃水，发电量损失严重，电厂经济效益降低。为保障电厂安全高效生产，将采用新技术对3号机进行扩容增效改造[6，7]。

1 机组改造基本情况

改造对象主要是转轮及过流部件。本次改造水轮机维持转轮尺寸不变，主要变更机组的转轮室、水轮机转轮、主轴密封、内导水环等部件。通过优化转轮构型，同时采用VOD 精炼和数控加工等先进技术，机组出力由32 MW增至33 MW。改造前后水轮机各参数对比见表1。

表1 新旧水轮机参数对比表

新转轮由桨叶、轮毂体、操作机构和泄水锥组成。轮毂比由0.428缩小为0.38，转轮有足够的强度和刚度，能够承受任何可能产生的作用在转轮上的最大水压力、离心力和压力脉动，在本电站运行条件下，不出现叶片卡阻、进水、超标漏油或其它任何不正常现象。

转轮室采用厚壁结构,有足够的刚度和强度，并根据运输条件决定分瓣，内表面型线与验收的模型相似，为避免间隙空蚀，转轮室过流面采用06Cr19Ni10不锈钢板制造。导水机构除导叶内环外，其余采用原部件。导叶内环球面采用钢板模压成型、数控加工。上游和下游侧均采用法兰连接，设有可靠的止漏装置。

新主轴密封由检修密封和工作密封组成。该主轴密封结构型式采用电厂原使用的工作可靠的唇边密封型式，检修密封采用加压式实心空气围带结构。

2 机组改造后稳定性分析

为全面分析机组扩容增效改造前后稳定性指标性能，分别在改造前后进行了稳定性试验（变转速试验、变励磁试验、变负荷试验），验证改造后的各项性能参数是否符合国家行业相关标准和合同保证值，为后续相似机组的扩容增效改造提供技术支持。

2.1 试验参数

表2 试验参数

2.2 稳定性试验结果

稳定性试验各测点的摆度振动幅值数据和变化趋势图分析对比表明：

（1）如表3~表5所示，扩容增效改造后的稳定性试验检测结果表明，各测点振动、摆度数值较小，表明机组对中及质量分布情况良好，没有电磁不平衡现象，水力性能也良好。改造后机组的各项稳定性试验数据都在标准允许范围内，且各项数据远小于标准值，说明新机组稳定性能良好。

表3 改造前后机组变转速试验摆度振动数值

表4 改造前后机组变励磁试验摆度振动数值

表5 改造前后机组变负荷试验摆度振动数值

（2）对比分析改造前后各测点的检测数据，改造后机组的大部分参数明显优于改造前，结果如图1所示。机组改造前和改造后水导轴承振动数据变化明显，改造前水导振动随负荷增加而增加，当负荷达到30 MW后振动超标，改造后机组的振动基本不受负荷变化的影响。

图1 改造前后稳定性曲线对比图

由于百龙滩电站3号机组已经运行了20多年，且上下游的水位变化。根据相关稳定性试验检测结果，表明机组的稳定性状况开始恶化，一部分关键部位参数已超标。按相关规程要求，对改造后的3号机组进行了验收试验，各项试验数据良好，均满足规程要求，机组符合验收标准。机组试运和并网后，各项技术指标达到设计要求，各部振动、摆度、温度正常。经过扩容增效改造后，新机组能够良好的适应新的水文情况，整体的稳定性明显提升，即使在低水头、低负荷的振动区间内运行时，各测点的振动摆度值也远低于国家相关标准值。

3 机组扩容增效改造效果分析

通过对百龙滩电站3号机组转轮结构进行优化设计和改造，在未改变流道和转轮室直径的前提下，增加了机组的过流量，使机组设计出力从32 MW提升至33 MW，适应了新的水文工况，降低了电站的弃水率，提高了电站的经济效益，改造效果良好。改造后的机组水力性能更加优秀，降低了尾水压力变化对机组的稳定性的影响，实现了低水头工况下机组扩容增效的目的，同时也优化了机组的整体稳定性能，提升了机组的效率和出力，振动摆度参数值较改造前也明显改善。

改造后转轮轮毂比由0.428缩小为0.38，增加了过流面积，使得转轮过流能力提高约10%~12%，在相同导叶开度下，出力较原机组增加10%~25%左右，如表6所示。3号机组在水头9.1 m时，改造后机组出力达到26 MW，相比原机组出力21 MW增加的5 MW，机组出力提升了23%，效率提升约10%；在水头7.6 m时，改造后机组出力达到20 MW，相比原机组出力16 MW增加的4 MW，机组出力提升了25%，效率提升约11.5%。说明改造后机组不仅出力显著增加，而且效率明显提升，创造了良好的经济效益和社会效益。

表6 改造后机组效率变化数值

4 结 论

（1）机组通过技术改造，不仅解决了机组低水头振动大，达不到设计出力的问题，提升机组的稳定性，消除原机组的安全隐患，使机组能够适应经常性运行水头的变化，特别是低水头运行时间增多的情况，保障机组安全、可靠运行。

（2）机组通过扩容增效改造，增加机组的过流量，提升机组出力，实现机组低水头完成出力，机组效率显著提升，提升了水力资源的利用率。在9.1 m水头时，机组出力提升23%，效率提升10%；在7.6 m水头时，机组出力提升25%，效率提升11.5%。

百龙滩电厂3号机的扩容增效改造效果良好，消除了原机组的安全隐患，适应了新的水文情况，提升机组的稳定性，增加了机组的出力和效率，可为相似的贯流式机组改造工作提供参考。