运东水电站小水电增效扩容改造技术分析研究

运东水电站小水电增效扩容改造技术分析研究

施庆和1，石素美2

(1.淮安市淮安区水利建筑工程公司，江苏 淮安223200；

2.淮安市通源建设工程质量检测有限公司，江苏 淮安223300)

摘要：结合运东水电站小水电增效扩容改造实例，从改造原则、原因分析的角度出发，对水轮机转轮总成的更换和改造、导水和调速机构的改造及安装精度进行详细分析。通过改造前后水轮机技术参数的对比以及对增效现状及效益的分析，找到增效扩容的关键所在，从而促进经济社会发展效益分析。

关键词：运东水电站；增效扩容改造；技术研究；效益分析

中图分类号：TV742

Analysis and Study of Yundong Hydropower Station Small Hydropower

Effect Increase and Volume Expansion Rebuilding Technology

SHI Qing-he1, SHI Su-mei2

(1.Huai’anHuai’anDistrictWaterConservancyConstructionEngineeringCo.,Ltd.,Huai’an223200,China;

2.Huai’anTongyuanConstructionEngineeringQualityTestingCo.,Ltd.,Huai’an223300,China)

Abstract：Rebuilding example of Yundong Hydropower Station Small Hydropower Effect Increase and Volume Expansion Project is combined for analyzing water turbine runner assembly replacement and reconstructing, water guidance, speed governing mechanism rebuilding and installation precision in detail from the aspects of rebuilding principle and cause analysis. Keys of efficiency increase and volume expansion can be discovered through comparison of turbine technical parameters before and after reconstruction as well as analysis of efficiency increase status and efficiency, thereby promoting economic and social development efficiency analysis.

Keywords：Yundong hydropower station; effect increase and volume expansion rebuilding; technical research; benefit analysis

1工程概况

淮安区的小水电发展于20世纪六七十年代，主要利用灌溉水源发电，多年来为当地的工农业生产提供了有力的能源帮助，对地方的经济发展起到了一定的促进作用。由于建站时间久远，原水轮发电机组加工工艺欠佳，技术缺陷较多，再加上管理维修不及时等，长期带病运作，致使效能不足，安全可靠性差。

淮安区的运东水电站建成于1989年，位于淮河流域下游洪泽湖入海通道苏北灌溉总渠上,具有发电、灌溉和防洪抗灾能力，是灌溉总渠的第二梯级电站。运东水电站设计水头2.5m，最高水头4.5m，最低水头1.5m，引用流量110m3/s；安装有GD004-WS-160贯流定浆式水轮机组10台，配套45-200发电机10台,总装机容量2000kW。电站进口流道采用前轴伸竖井式，三面(两侧及底)进水，进口断面高4m，宽4.6m。水轮机与发电机采用齿轮增速箱，设计年发电量为750万kW·h。经多年运行，水轮机组及机电设备老损现象严重，效率低下，平均年发电量仅为640万kW·h。为进一步提高水电站机组运行效率，增加水能源发电量，实现节能减排，经批准决定对该站进行增效扩容改造，改造后总装机容量要求达到2500kW。

2改造重点

根据小型水电站增效扩容“坚持突出重点、提升综合能效”的改造原则，结合运东水电站实际情况，主要以增效扩容和提高设备安全可靠性为目的，以技术改造为重点，对水轮机转轮总成、活动导叶及其联接传动机构、调节进行更换，并修复原水轮机主轴与新转轮总成的良好匹配。

3原因分析

由于建设时间长，年久失修，水轮机叶片间隙经检测已达4.5～4.8mm。在额定扬程下，发电机的出力仅为140～170kW，而设计出力为200kW，且在运行过程中增速设备振动大、噪音大、仪表显示不稳定。通过检测对比，发现水轮机运行效率低、影响运行安全可靠的主要原因有以下四个方面：

a. 由于机组运行时间长，平时的维护投入不足，导致整个机组跑、冒、渗、漏现象严重，特别是水轮机的转轮及叶片老损严重，叶轮间隙过大，机组整体故障率高，发电能力大大下降。

b. 我国早期编制的水轮机模型转轮型谱中可供各种水头段选用的转轮型号少，运东水电站也是套用相近转轮，转轮效率不高。机组主要性能参数与电站实际运行参数不匹配，水轮机处于非最优工况区运行，导致机组运行效率低下，增速设备振动及噪声大。

c. 电站机组超期运行，设备未能进行大修，电气设备老化严重，绝缘性能差。机组配电屏主保护采用GL10-21/10反时限过电流继电器,表计采用电磁式仪表,读数显示不准确，绝大部分器件型号已被国家列入淘汰产品，备品备件解决非常困难，已无合格产品可更换,随时都可能发生不可预测的故障，直接降低了机组运行安全的可靠性。

d. 原水轮机导叶调节机构采用蜗轮蜗杆传动，调节机和控制环拨叉设计制造薄弱，经多年运行老化，转动部件卡滞严重，曾经多次在机组甩负荷时发生拨叉和调节环装配螺栓折断，无法及时关闭导叶造成机组长时间飞逸过速，发生设备事故，使机组运行安全存在重大隐患。

4技术改造

受原水工建筑结构和流道形式等诸多因素限制，在不增加流量(即原进、出口流道不变)的情况下，结合运东水电站的实际情况，对影响运行效率因素采取有针对性的改造措施：着重整体更换水轮机转轮总成和250kW发电机，提高机组效率；修复原水轮机主轴与新转轮总成的良好匹配，以达到增效的目的；更换10台YWY型液压调节机、10台套活动导叶及其联动附件等；更换10台机组控制屏和励磁柜、低压母线、主变压器、变电所控制和保护屏，以提高安全可靠性。

4.1水轮机转轮总成的更换和改造

根据水轮发电机组的高效工作要求，和水轮机生产厂家共同商讨研究，在原流道及水轮机外壳不变的情况下，根据现有条件和资料进行选型,最终选定了HGL-001型转轮。该转轮模型流道与原电站模型流道相同，机组效率和水轮机出力理论上得到了相应的保证，原电站的水工建筑都保持不变，使电站“少投资、多增效”。

4.1.1　水轮机转轮体优化

运东水电站水头、流量与原设计变化幅度相差不大，对该水头段(H=3.5m左右)选用与导水叶轮相对高度相近的新型HGL-001转轮，新型转轮体长为500mm，直径为493mm、472mm，而原转轮体长为380mm，直径为526mm、500mm，这样水轮机室空间变大，过流断面相应变大，原水轮机体和新水轮机体分别见图1、图2。

图1　原水轮机体

图2　新水轮机体

4.1.2　叶片的改型

该站原水轮机叶片为4片，安装角度为0°(见图3)；改造后HGL-001转轮叶片为3片，安装角度为+4°(见图4)。由此可见叶片改型后，新叶片比老叶片叶型优化特点明显，且分布合理，叶轮室过流空间变大，加上叶片安装角度的调整，扩大了水轮机的过流能力，运行效率明显提高，达到了扩容增效的目的。

图3　原水轮机叶片

图4　改造后水轮机叶片

4.2导水和调速机构的改造

该站原导水机构使用年代久，老化损坏严重，关闭不严，操作不灵活；更新的新导叶采用整体铸造、二支点结构，以利于灵活调节开度，改善了工作条件。同时，还对调速机构进行了更新，选用了适用于贯流式水轮发电机组配套使用的YWT型液压调速器，由电脑调节器、电液随动系统及油压装置三部分组成。该系统具有结构简单、可靠性高、响应速度快、易操作、易维护、易扩展等特点，便于同以后的自动化控制系统相兼容。当水轮发电机组在手动各种工况下能满足要求稳定运行时，这种调速器动态特性能达到在机组的各种工况和运行方式下自动稳定运行，且在接收到上位的事故信号后执行停机工作,也可在事故情况下独立自动紧急关机，确保机组运行的安全可靠性。

4.3严格执行行业规范、提高安装精度

水轮发电机组的安装精度对发电效率有比较明显的影响，根据规范要求，在安装过程中其转轮室上平面水平为东西0.01mm/m、南北0.05mm/m范围内时，机组摆度为0.06mm，叶轮间隙为1.20mm；发电机平面水平为东西0.03mm/m、南北0.05mm/m，同心度为0.02mm，均达到规范要求，投入运行后状况良好。

水轮机主轴修复后与新转轮体总成的良好匹配，为机组运行提供了有利条件，图5为新旧主轴和新旧转轮体接触部位的安装尺寸。为提高总体水平，对电缆、输电铝排、主变压器、控制屏、励磁屏等都进行了相应配套改造，使整个发电系统在运行中确保高效、安全、可靠。

图5　新旧主轴和新旧转轮体接触部位的安装尺寸

5改造前后水轮机技术参数

5.1改造前原机组参数

型号： GD004-WS-1600

使用水头: 1.5～4.5m

额定水头: 3.5m

额定转速: 160r/min(水轮机)，600r/min

(发电机)

齿轮箱增速比：I=3.9

发电机出力: 200kW

额定流量: 8m3/s

转轮安放角度: +0°

机组旋转方向: 从上游往下游看逆时针

5.2改造后现机组参数

型号： GDhgl-001-WS-1600

使用水头: 1.3～3.7m

额定水头: 2.5m

额定转速: 187r/min(水轮机)，600r/min

(发电机)

齿轮箱增速比：I=3.9

发电机出力: 250kW

额定流量: 8～11m3/s

转轮安放角度: +4°

机组旋转方向: 从上游往下游看逆时针

6增效现状及效益分析

通过改造后，机组的出力效率明显提升，达到改造前的预期效果，见下表。

机组改造前后出力效率对比表

经对比，改造后发电量平均提高40%，运东水电站装机容量2500kW，按每年发电6个月计算，年发电量可达1080万kW·h，较改造前年均发电量640万kW·h增加了440万kW·h；按每度电0.435元计算，可增加收入191.4万元。

7结语

转轮选型是能否成功改造并达到增效扩容的关键所在，针对原导水调节机构的不足,重新对液压调速器选型是此次改造提高安全可靠性的重点所在。

通过对小型水电站进行增效扩容和改造，可以增加电站发电量效益，增加当地的税收，增加国家电网的电源，缓解地方日益增长的电力需求，有效改善电网的稳定性，对促进社会经济发展起到积极的作用，也对小水电系统的管理工作提出了更高的要求。