探討水輪機(jī)增加容量的改造方法
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上游水庫正常高為384.3m，確定機(jī)組設(shè)計(jì)毛水頭為11m，根據(jù)電站輸水系統(tǒng)水力損失計(jì)算，相應(yīng)的輸水系統(tǒng)損失為1.5m，綜合確定電站設(shè)計(jì)水頭為9.4m，相應(yīng)的流量Q=2.10m3/s；按上游設(shè)計(jì)洪水位減去下游最低尾水位及輸水系統(tǒng)的水力損失確定電站最大水頭為13m；按上游最低庫水位減去下游最高尾水位及輸水系統(tǒng)水力損失確定電站最小水頭為6m。
方案一：ZD987型轉(zhuǎn)輪模型設(shè)計(jì)工況效率為89.2%，應(yīng)用于龍鳳水庫電站流道，因流道變化，效率約下降0.2%，用ηTmax=1-0.3(1-ηMmax)-0.7(1-ηMmax)·(D1M/D1)1/5·(HM/H)1/10這個公式進(jìn)行計(jì)算，原來的模型效率修正值是-1%，所以真機(jī)的效率比模型的效率小1.2個百分點(diǎn)，因此對模型的效率進(jìn)行-1.2%修正，設(shè)計(jì)點(diǎn)真機(jī)效率為88%。
方案二：K408-01/4型轉(zhuǎn)輪模型設(shè)計(jì)工況效率為91%，應(yīng)用于龍鳳水庫電站，由于流道發(fā)生了改變，其效率也隨之降低了3.8%，通過計(jì)算原來模型效率的修正數(shù)值是-0.4%，所以真機(jī)的效率比模型的效率小4.2個百分點(diǎn)，因此要把模型效率進(jìn)行-4.2%修正，設(shè)計(jì)點(diǎn)真機(jī)效率為86.8%。
方案三：ZD660型轉(zhuǎn)輪模型設(shè)計(jì)工況效率為90%，應(yīng)用于龍鳳水庫電站，由于流道改變，其效率也隨之降低了2.6%，通過計(jì)算原來模型的效率修正值是-0.7%，所以真機(jī)的效率比模型的效率低3.3個百分點(diǎn)，因此要把模型效率修正-3.3%，設(shè)計(jì)點(diǎn)真機(jī)效率是86.7%。
方案四：JP502型轉(zhuǎn)輪模型設(shè)計(jì)工況效率為90.8%，應(yīng)用于龍鳳水庫電站，由于流道發(fā)生了變化，其效率約也隨之降低了3.8%，通過計(jì)算原來模型效率修正值是-0.8%，所以真機(jī)效率比模型效率小4.6個百分點(diǎn)，因此要把模型效率進(jìn)行-4.6%修正，設(shè)計(jì)點(diǎn)真機(jī)的效率為86.2%。
方案五：JK508型轉(zhuǎn)輪模型設(shè)計(jì)工況效率為89%，應(yīng)用于龍鳳水庫電站，由于流道發(fā)生了改變，效率也隨之降低3.8%，通過計(jì)算模型效率修正值是-1%，所以真機(jī)效率比模型效率小4.8個百分點(diǎn)，因此要把模型效率進(jìn)行-4.8%修正，設(shè)計(jì)點(diǎn)真機(jī)效率為84.2%。4.3.2空化性能分析對出力有關(guān)聯(lián)的臨界空化系數(shù)來講，輪轂體直徑和尾水管高度的作用大一些，尾水管高度低，臨界空化系數(shù)將變??；輪轂體直徑大，臨界空化系數(shù)將變大。在空化系數(shù)修正時，把原空化系數(shù)乘上1.1為龍鳳水庫電站轉(zhuǎn)輪的臨界空化系數(shù)值。
2技術(shù)比較
經(jīng)過五種方案的性能分析我們得出結(jié)論，方案五JK508型轉(zhuǎn)輪與方案四JP502型轉(zhuǎn)輪效率偏低，綜合指標(biāo)不符合，流道和ZD661型轉(zhuǎn)輪相差很大，輪轂比，ZD661型轉(zhuǎn)輪輪轂直徑為0.24m，JK508與JP502型轉(zhuǎn)輪輪轂直徑為0.27m，并過流能力不好，因此不用。方案一ZD987型轉(zhuǎn)輪、方案二K408-01/4型轉(zhuǎn)輪和方案三ZD660型轉(zhuǎn)輪比較，屬于目前國內(nèi)最為先進(jìn)的轉(zhuǎn)輪。從模型曲線圖查到，K408-01/4型轉(zhuǎn)輪最高效率能達(dá)到91%，ZD660型轉(zhuǎn)輪最高效率只能到90%，ZD987型轉(zhuǎn)輪最高效率能到89.2%，可K408-01/4型轉(zhuǎn)輪和ZD660型轉(zhuǎn)輪由于流道的偏差導(dǎo)致真機(jī)效率均低于ZD987轉(zhuǎn)輪，工況偏差較大，經(jīng)過綜合比較分析，最終選擇方案一ZD987作為龍鳳水庫電站增容改造轉(zhuǎn)輪。
3水輪機(jī)安裝高程的復(fù)核
根據(jù)額定水頭計(jì)算Hs值，并用最大、最小水頭校核。Hs值按下式計(jì)算：Hs'=Hs+XD1(X取0.41)▽安=Zd+Hs'根據(jù)電站水輪機(jī)采用不銹鋼轉(zhuǎn)輪的要求，經(jīng)計(jì)算最小水頭下Hs=+2.98m,設(shè)計(jì)水頭下Hs=+2.86m，最大水頭下Hs=+3.86m考慮一定余量，電站最低尾水位373.3m，計(jì)算水輪機(jī)的安裝高程（導(dǎo)葉中心）為376.41m，高于原有水輪機(jī)安裝高程（導(dǎo)葉中心）的375.56m，說明本轉(zhuǎn)輪的汽蝕性好，綜合確定水輪機(jī)的安裝高程（導(dǎo)葉中心）取與原機(jī)組相同，即為375.56m。
3.1改造后的主要參數(shù)
水輪機(jī)參數(shù)：型號ZD987-LH-60，轉(zhuǎn)輪直徑0.6m，額定水頭9.4m，額定流量1.99m3/s，額定轉(zhuǎn)速750r/min，飛逸轉(zhuǎn)速1560r/min，額定效率88%，最高效率88.2%，吸出高度2.014m。發(fā)電機(jī)參數(shù)：型號SF150-8/740，額定容量150kW，額定功率161.8kW，額定電壓0.4KV，額定功率因數(shù)0.8，額定轉(zhuǎn)速750r/min。
3.2水力過渡過程計(jì)算
本電站三臺機(jī)組合用一根引水管，按三臺機(jī)組同時甩負(fù)荷考慮。當(dāng)額定水頭Hr=9.4m、P=150kW時，Q=2.1m3/s，∑LV=494.53m2/s，導(dǎo)葉分段關(guān)閉時間Ts1=5s,Ts2=10s，分段點(diǎn)為導(dǎo)葉全開度的50%，甩三臺機(jī)組全負(fù)荷，機(jī)組最大速率上升βmax=24%，蝸殼進(jìn)口壓力相對于額定水頭上升43.2%，蝸殼承壓13.1m，尾管進(jìn)口真空度為3.6m水柱。當(dāng)最大水頭Hmax=13m、P=150kW時，Q=1.62m3/s，∑LV=381.49m2/s，導(dǎo)葉分段關(guān)閉時間Ts1=5s,Ts2=10s，分段點(diǎn)為導(dǎo)葉全開度的50%，甩二臺機(jī)組全負(fù)荷，機(jī)組最大速率上升βmax=18.5%，蝸殼進(jìn)口壓力相對于額定水頭上升38.5%，蝸殼進(jìn)口承壓15m，尾管進(jìn)口真空度為3.1m水柱。根據(jù)《小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50071-2002）規(guī)范要求，水輪機(jī)蝸殼最大允許壓力上升率不得大于70%，機(jī)組額定出力甩全負(fù)荷時，最大轉(zhuǎn)速上升率不宜大于50%，本計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。
4結(jié)論
水庫電站水輪機(jī)增容改造是在保持原有流道及部分參數(shù)不變的情況下，通過采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了水輪機(jī)效率及過流量，增加了水輪機(jī)出力。經(jīng)過計(jì)算分析后確定的增容改造方案，不僅是可行的，而且是穩(wěn)妥可靠的。該電站通過改造，使機(jī)組消除了安全運(yùn)行隱患，到達(dá)增容增效安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的。
作者：鞠萬昌 楊雷 單位：吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院
