双树寺电站电气化县改造项目设计优化及调试运行对策

尚立才

(民乐县洪水河管理处双树寺水电站，甘肃 民乐 734500)

双树寺电站电气化县改造项目设计优化及调试运行对策

尚立才

(民乐县洪水河管理处双树寺水电站，甘肃 民乐 734500)

为消除双树寺电站水工建筑病险隐患，解决机电设备老化、发展进入瓶颈的问题，通过相关参数的优化，减少弃水，增大流量；在装机容量新确定为1600kW时，选择混流式机组；并对压力管道设计、水轮机选型设计、水轮机吸出高度确定、安装高程设计等进行总体优化；调试运行过程中，针对导水叶密封不严、轴瓦温度过高、水轮机出力不足、发电机振荡和失步问题，研究补救措施和解决技术方案。技改后，原有的病险隐患消除，效益显著，电站实现了农村水电安全生产标准化建设目标，有效保护了生态环境，推进了绿色小水电建设发展进程。

小水电；扩容；设计优化；安装调试；故障判断；运行对策

1 工程概况

洪水河是黑河水系的一条支流，多年平均径流量1.21亿m3。已建双树寺水库，库容2580m3。双树寺电站为坝后引水式电站，1975年建成发电，原装机容量2×630kW，年设计发电量450万kW·h，多年平均发电量400万kW·h，其建成对民乐县农村电气化建设起到了示范引领作用。经多年运行，存在水工建筑病险严重、金属结构锈蚀、机电设备老化等问题。电站安全隐患突出，故障多，出力低，水能资源浪费严重，效益下降，发展进入瓶颈。根据《国家发展改革委、水利部关于下达农村小水电项目2012年中央预算内投资计划的通知》(发改投资[2012]799号)，电站被列入2012年水电新农村电气化建设中央补助投资项目。

2 相关参数的优化

2.1 设计水头

根据洪水河多年平均径流量成果及灌区灌溉新模式确定引水方案，确定双树寺水库最高水位2478m，水库最低水位2443m，最高尾水位2419.4m，最低尾水位2417.8m，水头损失0.8～1.3m，计算得水头参数如下：

最大净水头：Hmax=59m；

最小净水头：Hmin=24m；

设计水头：H设计=46m；

加权平均净水头：H=Z上平均-Z下设计-h损=48.25m。

2.2 过水流量

2003年以来，电站所属的洪水河大型灌区实施了全国大中型灌区续建配套与节水改造项目和双树寺水库除险加固，渠道输水能力进一步增大，灌区种植结构和灌溉制度发生重大变化，相应水库放水过程也根据灌区要求进行了调整，水库放水流量较往年有所增大，近几年水库放水流量平均在2.5～6.5m3/s，水库引水流量被双树寺电站全部利用后仍有大量弃水没有被充分利用。为了减少弃水，充分利用水资源，现将机组过水流量增大至4.44m3/s。

2.3 装机规模

装机规模的确定采用设计代表年法进行计算。根据电站设计水头与过水流量，依据机电设备选用性能要求确定水轮机效率为89%，发电机效率为94%。取设计灌溉保证率为电站保证率，设计保证率为P=50%，水电站的出力按照下式计算：

式中η水——水轮机效率，取89%；η发——发电机效率，取94%；Q——静引水流量，为4.44m3/s；H静——发电净水头，为46m。

电站装机容量粗略计算如下：

根据电站的实际水头与流量情况，结合以上效率要求，电站装机容量确定为1600kW。

2.4 机组台数确定

原设计装机容量1260kW，由于受到水库放水流量变化和机组故障的影响，电站被列为民乐县水电新农村电气化县项目，对机组进行技改，根据电站设计水头与过水流量，依据机电设备选用性能要求确定水轮机效率和发电机效率等装机规模。因此, 结合电站实际分析比较，设计新更换两台混流式机组(2×800kW)。

2.5 机组类型选择

流量变化幅度非常大，因此机组台数应选择大于或等于两台，根据电站46m设计水头，可以选择混流式机组两台，虽然机组功率小，但比较适应水头和流量变幅均较大的特点，同时设备投资也较节省，因此必须选择适合该水头范围的混流式水轮机。该水头范围水轮机型号为HLA551-WJ-55。

3 工程总体布置的优化

3.1 地质条件

电站坐落于洪积含砾砂土及冲积砂卵砾石层上，层厚分别是0～3.5m及2.5～4.0m；基础坐落于白垩系地层的砂砾岩层上，砂砾岩层间夹少量黏土质砂岩，岩层产状NW330° SW<23°。厂房位于洪水河左岸Ⅰ级阶地上，建基高程2416.17m，基础置于砂砾岩层上。尾水渠表层为人工堆积块石碎石土，厚0.5m，其下为砂砾层厚3.7m、卵石层厚1m，尾水渠基础置于卵石层与黏土质砂层交界处。设计在原工程布置与建筑物设计的基础上进行，根据国标《防洪标准》(GB 50201—94)，工程等级为Ⅵ等，主要建筑物按5级设计。

3.2 压力管道设计

电站从水库隧洞引水，原来的主压力钢管内径为100cm，支管内径为70cm，已不能满足现在技改的需要，根据《水电站压力钢管设计规范》(SL 281—2003)规定，适宜的钢管的经济流速一般为3～5m/s，管径D=1.2m，设计流量Q=4.7m3/s，设计流速v=3.4m3/s；管径D=0.8m，设计流量Q=2.4m3/s，设计流速v=3.46m3/s。为了能够满足电站技改后的引水要求，将压力钢管全部予以更换，主管直径增至1.2m，壁厚为10mm，支管直径增至0.8m，壁厚增至10mm。

在技改中，拆除原压力钢管周围混凝土83m3，开挖砂砾石280m3，重新浇筑压力钢管周围混凝土116m3，回填230m3。新制作压力钢管主管22.25m，管径1.2m，壁厚10mm；支管19.7m，管径0.8m，壁厚10mm，约10.9t；重新进行安装；更换蝶阀一台。

3.3 水轮机选型设计

根据电站水头引用流量的范围，对照现行的中小型水轮机选型资料，适用于电站参数范围的水轮机型有HLD41-71、HLA551-WJ-55、HLD41-WJ-71，这些水轮机的转轮是近年来国内厂家新研制的，不仅具有较高的能量指标，而且也有良好的汽蚀特性。上述机型均属常规机型，有着十分成熟和完善的制造技术以及丰富的运行管理经验。因此，将上述三种转轮作为比选转轮，分别就其模型参数和真机计算参数及各相关特性进行比较和论证。

3.4 水轮机吸出高度及安装高程

水轮机吸出高度计算如下：

=0.33m

根据以上参数计算得吸出高度为Hs=0.33m。

安装高程确定如下：

式中 D1——水轮机转轮直径。

4 调试问题及故障处理

4.1 调试问题

4.1.1 导水叶密封不严，导叶开关力矩较大

在试运行中发现，开启导叶比较困难；停机时，导叶封水不严密，漏水较大，机组转速不能降至额定转速的30%以下。对此进行认真分析和检查，发现导水叶与顶盖和底环之间的间隙过小，且在导叶轴孔处顶盖和底环均已磨出深沟槽(约1.5mm)，故按设计要求重新调整导叶与顶盖和底环之间的间隙,并用金属胶填充导叶轴孔处顶盖底环磨损的沟槽。处理后，导叶开、关自如,密封严密。

4.1.2 机组轴瓦温度过高

调试期间，2号机组后导轴承随着功率的增加温度缓慢持续上升，运行40多分钟温度就达到63℃，而且还有持续上升的现象。停机检测发现,轴瓦顶部间隙过小是导致温度过高的主要原因，根据技术要求和间隙实测数据,经过计算,在轴瓦组合面加垫符合要求的垫片进行处理。处理后机组轴瓦温度始终保持在45℃左右。

4.2 故障处理

4.2.1 水轮机故障

a. 水轮机出力不足。造成水轮机出力不足主要由三方面因素：ⓐ进水口拦污栅堵塞，阻力增大，使拦污栅前后水位差增加，进入机组的水头与流量减少，机组出力不足；ⓑ转轮叶片过水流道堵塞，小型混流式水轮机转轮流道狭窄、扭曲，运行中因拦污栅栅条间距过大，或隧洞中碎石、杂物落入并堵塞转轮流道，影响水轮机出力；ⓒ止漏环间隙不符合设计要求，间隙过小会导致机组运行时转轮与固定部件擦壳而使出力减小，间隙过大又会造成部分水流不做功而从间隙白白流过，也会使水轮机出力减少。

b. 剪断销剪断。导水机构在动作过程中，个别导叶被异物卡住或因其他原因使导叶不能转动，剪断销剪断，以此保护导水机构安全。

c. 防治措施：ⓐ提高拦污栅质量，并保持完好率，防止过大漂浮物经由引水室进入导叶；ⓑ提高导水机构质量，导叶应灵活、无别劲。

d. 处理方法：ⓐ首先判断剪断销剪断原因，将调速器切到手动位置，调整导叶开度以适应修理需要，便于在不停机条件下更换剪断销；ⓑ若在运行中无法修理，应及早停机，关闭主阀后，再更换导叶剪断销。

4.2.2 发电机故障

a. 发电机失步和振荡。发生失步现象时，值班人员不要慌张，应采取下列补救措施：ⓐ设法增加发电机的励磁电流，以增加同步的电磁转矩，使发电机在达到平衡点附近时被拉入同步；ⓑ当已判明是某台发电机失步时，可适当减轻其有功输出功率，以创造条件让发电机恢复同步；ⓒ按上述方法处理，经1～2min后仍不能恢复同步时，则可将失步发电机从系统解列。

b. 发电机三相定子电流不平衡。值班人员在

监视运行表时，如发现发电机三相定子电流不平衡，并且超过规定值，应立即调整负荷，应于2min内减低负荷，使定子电流的不平衡值控制在额定电流的10%以内，并且最大一相定子电流不大于额定值。

发电机在定子电流不平衡状态下运行时，值班人员应寻找或判明故障原因，如是否由于发电机及其回路中一相断开；是否由于断路器一相接触不良(可能性最大)；送电线路是否全相运行；系统单相负荷是否过大(后两点可以通过观测同站的另外机组判断)，根据不同原因进行处理。

c. 发电机的欠磁或失磁。并列运行的发电机失磁后有以下现象：转子电流指示为零或接近零，定子电压降低(由于从系统吸收无功所致)；励磁电压为零(当励磁系统故障时)或正常(当转子回路开路时)；定子电流显著增大，甚至会出现过负荷信号；发动机转速略有升高；有功表指示较正常值低；无功表指示低于零位等。

发现发电机欠磁或失磁时，值班人员应降低有功负荷，使定子电流不超过额定值，手动增加发电机的励磁电流，使其脱离不正常运行。若还不能恢复正常就立即停机，待查明原因后，再启动、并列。

5 结 语

双树寺电站技改后运行三年来，发电量较改造前增加了210万kW·h，同比增长率为52.5%。该电站成为民乐县唯一一座省级安全生产达标示范电站。可见，改造成效是显著的。

[1] 王永年. 小型水电站[M].北京：电子工业出版社，1990：31，61，106.

[2]SL281—2003 《水电站压力钢管设计规范》[S].北京：中国水利水电出版社，2013.

[3] 蒋金珠.工程水文及水利计算[M].北京：中国水利出版社，1992：221-223.

Operation Strategies for Design Optimization and Debugging of Electrification County Reconstruction Project in Shuangshu Temple Hydropower Station

SHANG Licai

(ShuangshuTempleHydropowerStationofHongshuiRiverManagementBureauofMinleCountry,Minle734500,China)

In order to eliminate the hidden dangers of hydrotechnical construction in Shuangshu Temple hydropower station and to solve the aging of mechanical and electrical equipment and the problem of development stalled, it is possible to reduce the abandoned water and increase the flow through optimization calculations of relevant parameters; When the new installed capacity is determined at 1600kW, select the Francis turbine unit; In addition, carry out the overall layout optimization of the design of pressure piping, the lectotype design of hydraulic turbine, the suctcon height determination of the hydraulic turbine and the design of installation height; During the processes of debugging and running, research the remedial measures and technical solutions to the following cases that the sealing of the guide vane is not tight, the temperature of the bearing is too high, the insufficient output of turbine oscillation and out-of step problem of generator. After the technical transformation, the original hidden dangers are eliminated and the generated benefits are significant. In all, the power station has realized the construction goal of standardized rural hydropower safety in production, effectively protected the ecological environment, and has promoted the development process of the green small hydropower construction.

small hydropower; capacity expansion; design optimization; installation and debugging; fault judgment; operation strategy

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.01.011

TV737

B

1673-8241(2017)01- 0035- 04