水電站機組增容改造

1、XX水電站1600kW機組增容改造可行性研究報告XX水電設(shè)備有限公司2010年4月 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1機組基本參數(shù)（3） HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 2機組運行情況（4） HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 3改造目標（4） HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 4水輪機增容改造潛力分析（5） HYPERLINK l bookmark37 o Curren

2、t Document 5水輪機增容改造方案（7） HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 6發(fā)電機增容潛力分析（11） HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 7發(fā)電機增容改造方案（12） HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 8機組增容改造初步報價（15） HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 9改造效益初步估算（15）10質(zhì)量保證條款和售后服務(wù)承諾（16）11技術(shù)改造中的技術(shù)優(yōu)勢（16）12增容補充報告（17）1

3、3增容改造工程報價文件（23）XX水電站1600kW機組增容改造方案1機組基本參數(shù)XX水電廠，裝有三臺混流式水輪發(fā)電機組，額定水頭50.5m,工作水頭變幅 4063m。其中2臺單機額定出力1600kW，電站計劃改造增容到2000kW,目前在 可研立項階段。電站有關(guān)參數(shù)及1#、2#機組主要設(shè)備參數(shù)見下表1和表2。表1寶安電站1#、2#機組技術(shù)參數(shù)項 目參數(shù)項 目參數(shù)上游最高蓄水位（m）166水質(zhì)情況較好上游水位變幅（m）145166壓力鋼管布置單管單機毛水頭范圍（m）43.5 65.5壓力管內(nèi)徑（m）1.0平均尾水位（m）壓力管長度（m）60/65尾水位變幅（m）89 103壓力管流速（m）5.

4、1裝機容量（kW）2X1600+年均發(fā)電量（萬kWh）機組安裝高程（m）101.5增容后額定主管流速（m）6.1年均運行小時（h）8760實際運行功率因數(shù)0.96水輪發(fā)電機組及主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)見下表2。表2XX電站1#、2#機組主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)水輪機發(fā)電機型 號HL220-WJ-71型 號SFW1600-8/1430額定水頭（m）50.5額定功率（kW）1600額定流量（m3/s）4.0額定電壓（kV）6.3額定出力（kW）1710額定電流（A）183.2額定轉(zhuǎn)速（r/min）750頻 率50額定點效率（%）87.3功率因素0.8最高效率（%）90額定轉(zhuǎn)速（r/min）750飛逸轉(zhuǎn)速（r/mi

5、n）1338飛逸轉(zhuǎn)速（r/min）1600相對導葉高度0.25D1效 率（%）96葉片數(shù)/轉(zhuǎn)輪材質(zhì)14/碳鋼絕緣等級B/B機組臺數(shù)2定子鐵心長度（mm）650最大吸出高度（m）+2.0勵磁方式永磁機改造為可控硅出廠日期1994 年機組生產(chǎn)廠家韶關(guān)水輪機廠機組安裝高程（m）101.5主變壓器型號進水閥門直徑（mm） 1000變壓器容量（kVA）調(diào)速器型號YZFT-1000起重設(shè)備2機組運行情況機組運行情況統(tǒng)計分析見下表3。表3機組運行情況統(tǒng)計分析項 目運行參數(shù)單機投產(chǎn)初期和目前機組最大出力均為1800kW單機多年平均發(fā)電量約 1400 萬 kWh豐水期/枯水期負荷均為滿負荷推力軸承運行良好機組振

6、動穩(wěn)定性通流部件空蝕磨蝕氣蝕破壞輕微機電設(shè)備重大事故無二次儀表的準確度及是否每年校驗資料及圖紙完整水輪機轉(zhuǎn)輪單位轉(zhuǎn)速（r/min）實際運行6784r/min，最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速70 r/min，基本適合水輪機轉(zhuǎn)輪單位流量（l/s）模型最優(yōu)點/模型限制點：1000/1140，偏低真機額定點效率（）對應(yīng)1600kW額定出力點效率低于87%，偏低額定點空化系數(shù)a0.133，偏高對應(yīng)最大負荷1800kW的水庫水位為160m，相應(yīng)調(diào)速器開度93%對應(yīng)額定負荷1600kW的水庫水位為157m，（工作水頭約53m）淤一初步確認:機組原額定水頭50,5虹工作水頭范圍40一=63虹相應(yīng)的水庫運行水位約在145m= 1

7、66_m，需進行現(xiàn)場機組負荷試驗確定工作水頭與上游水位的準確關(guān)系。本站機組發(fā)電機軸承甩油較為嚴重，計劃進行調(diào)速器改造，本次改造將去掉永磁機3改造目標在50.5m額定水頭條件下，增容改造后達到額定出力2000kW，在較高水頭下運行，機組應(yīng)保證穩(wěn)定性能滿足要求；4水輪機增容改造潛力分析4.1 HL220機型特點簡介HL220型轉(zhuǎn)輪是50年代由蘇聯(lián)引進的混流機型，在6070年代是中水頭段 性能較好的轉(zhuǎn)輪之一，曾用型號為HL702。相對導葉高度為0.25D1，其能量、效 率及空化性能均一般。該機型轉(zhuǎn)輪在國內(nèi)大中小電站都得了到廣泛使用，典型老 電站有湖南柘溪、湖北丹江口及四川龔嘴等電站。HL220模型水

8、輪機轉(zhuǎn)輪主要技術(shù)參數(shù)見表4,模型水輪機轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線 見附圖1。表4HL220-46模型水輪機轉(zhuǎn)輪主要技術(shù)參數(shù)模型 轉(zhuǎn)輪使用水頭(m)nil0(r/min)Q110 (l/s)nm。(%)Q11(l/s)n m(%)G相對 導葉高HL220-46857098092.01140880.1320.25D1單位飛逸轉(zhuǎn)速niif=133.0(r/min)，水推力系數(shù)K=0.32該機型在使用中存在的主要問題有：效率偏低。從蘇聯(lián)提供的模型特性曲線看，最高效率點為92%，但在國 內(nèi)試驗臺上進行模型試驗結(jié)果表明，其最高模型效率點僅為91%；空化性能較差。真機普遍都存在較為突出的空蝕問題；穩(wěn)定性能差。HL22

9、0有兩個比較明顯且范圍較大的振動區(qū)，據(jù)大型機組 調(diào)研結(jié)果表明，振動區(qū)大致在導葉開度3040%和7080%兩個區(qū)域。在小機組 上，振動區(qū)的影響不是很突出，稍加補氣后，能夠穩(wěn)定運行。HL220轉(zhuǎn)輪對水頭變幅偏大的運行條件比較敏感，最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速偏低。4.2增容改造思路及要求核查基本數(shù)據(jù)，重點是復核電站來水量是否充足有余；復核引水管路直徑是否滿足增容要求，并精確測量工作水頭及水頭損 失；通過計算分析論證找出原額定工況技術(shù)參數(shù)與電站運行實際最佳需要 存在的差距，確定改造目標；根據(jù)增容目標參數(shù)，校核機組關(guān)鍵轉(zhuǎn)動部件強度及技術(shù)相關(guān)參數(shù)等；選擇適合電站實際運行要求的轉(zhuǎn)輪或采用“量體裁衣”方式優(yōu)化設(shè)計的 轉(zhuǎn)輪；

10、準確選擇有資質(zhì)業(yè)績的供貨商作為合作伙伴，確保技術(shù)改造圓滿成功。4.3應(yīng)注意的問題對于增容機組，轉(zhuǎn)輪過流能力即單位流量的選擇確定，主要受氣蝕性能 的限制；對于工作水頭大于50m的機組，轉(zhuǎn)輪增容幅度不宜太大，一般應(yīng)限制在 20%左右，否則改造后轉(zhuǎn)輪的氣蝕性能將下降。建議轉(zhuǎn)輪葉片和下環(huán)都采用抗氣 蝕性能較好的ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼材料。改造前現(xiàn)場調(diào)研時，應(yīng)通過機組負荷試驗或查閱大修記錄的方法，了解 導葉的真實開口值。當增容幅度較大時，導葉開口需要隨之調(diào)整加大(調(diào)速器搖 臂改造)。4.4水輪機增容潛力分析小結(jié)綜上所述，XX電站HL220-71水輪機可以在引水鋼管和流道不變的前提下， 通過更換

11、較大過流能力、較高效率的新型“X”葉片轉(zhuǎn)輪，在額定水頭50.5m條 件下，具有增容到2000kW的潛力。5水輪機增容改造方案5.1改造轉(zhuǎn)輪選型通過全面分析XX電站增容改造的條件和實際需求，推薦HL2517型轉(zhuǎn)輪應(yīng)用 于本站改造。其主要模型技術(shù)參數(shù)見下表6。HL2517-35模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線 見附圖2。表6HL2517-35模型轉(zhuǎn)輪主要技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)輪型號最優(yōu)工況計算工況單位飛逸 轉(zhuǎn)速 n11R水推力系數(shù)Kn110Q110n 0 0Q11nHL2517-3575115092.20.091350890.141380.34 0.415.2改造轉(zhuǎn)輪技術(shù)指標改造轉(zhuǎn)輪滿足以下技術(shù)指標，見下表7表7HL25

12、17-71轉(zhuǎn)輪改造后技術(shù)指標轉(zhuǎn)輪型號額定水頭(m)額定點 單位轉(zhuǎn)速 (r/min)額定點單 位流量 (l/s)額定流量 (m3/s)額定點效率(%)發(fā)電機 效率(%)機組出力 (kW)HL2517-7150.574.913504.848894.72000注：水輪機轉(zhuǎn)輪效率修正值取Anl%。5.3水輪機改造后性能保證功率保證改造后的機組功率保證見下表8。表8轉(zhuǎn)輪改造的機組功率保證值計算技術(shù)參數(shù)水輪機凈水頭(m)404550.5556063轉(zhuǎn)輪單位轉(zhuǎn)速(r/min)84.279.474.971.868.767.1水輪機過流量(ms)4.274.534.844.814.414.25水輪機功率(kW)

13、147517602112232323232323水輪機效率(%)88888889.589.588.5機組功率(kW)139016602000220022002200水輪機軸向水推力改造后的水輪機軸向水推力按下式計算：Poc=K(n/4)D 2Hmax(t)= 0.34X 0.785 X 0.7 X 63=8.476(t)1由于改造轉(zhuǎn)輪模型水推力系數(shù)K值略有增加，由0.32提高到0.34，因此水 輪機最大軸向水推力比改造前增加約9.34%。建議機組增容改造中將原合金瓦更 換為承載能力較高的彈性金屬塑料瓦(冷卻系統(tǒng)改造為外循環(huán))。一般要求單位 壓力 12kg/cm2o水輪機飛逸轉(zhuǎn)速水輪機飛逸轉(zhuǎn)速按

14、下式計算：n p=(n11RXHmax0.5)/D1=(138 X 630.5)/0.71=1543r/min改造后轉(zhuǎn)輪的最大飛逸轉(zhuǎn)速為1543r/min,高于原水輪機飛逸轉(zhuǎn)速 1338r/min,但仍低于機組設(shè)計最大飛逸轉(zhuǎn)速1600r/min。因此，改造后發(fā)電機 轉(zhuǎn)動部件在飛逸狀態(tài)下的強度滿足原設(shè)計要求?？栈阅苄：擞捎跈C組的安裝高程已經(jīng)確定，不可能再降低轉(zhuǎn)輪的安裝高程，因此，須對 新轉(zhuǎn)輪能否滿足安裝高程要求進行校核。H = 10 - K q HS900 M水輪機裝置空化安全系數(shù)K按下式進行計算，計算結(jié)果見表9。式中：H-S水輪機的實際吸出高度（m）；機組安裝高程（m），=101.5m；K裝

15、置空化安全系數(shù)；OM模型轉(zhuǎn)輪臨界空化系數(shù)；H水輪機凈水頭（m）；表9水頭（m）改造前HL220-71改造后HL2517-71H (m)0KH (m)0K40S+2.0M0.141.41S+2.0M0.131.51750.5+2.00.1331.17+2.00.131.2063+2.00.1370.914+2.00.130.963由表9可以看出，在現(xiàn)有裝置高程和吸出高度條件下，各工況改造后新轉(zhuǎn)輪 HL2517-71空化安全系數(shù)都略大于改造前HL220-71轉(zhuǎn)輪的空化系數(shù)，說明新轉(zhuǎn) 輪空化性能滿足水輪機的安裝高程的要求，同時在安裝高程相同的條件下，新轉(zhuǎn) 輪的空蝕性能稍優(yōu)于改造前。振動穩(wěn)定性HL22

16、0轉(zhuǎn)輪在部分負荷工況下的尾水管渦帶壓力脈動是比較嚴重的，在大型 電站運行時，經(jīng)常出現(xiàn)強烈的渦帶振動，甚至個別電站出現(xiàn)了強烈的引水系統(tǒng)水 力共振現(xiàn)象。說明HL702轉(zhuǎn)輪整體水力穩(wěn)定性能不夠好。但在轉(zhuǎn)輪直徑小于1.4m 的小型機組上，振動現(xiàn)象不突出，水輪機的振動穩(wěn)定性基本能夠滿足運行要求。而新轉(zhuǎn)輪HL2517是采用先進的計算機優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，并在設(shè)計中參考了性 能相近的優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪，充分借鑒了最新的轉(zhuǎn)輪流場分布與壓力脈動的相互關(guān)系研究 成果，渦帶壓力脈動將比HL220轉(zhuǎn)輪有所改善。無論在壓力脈動的大小上，還是 出現(xiàn)壓力脈動的工況范圍，都將有較大的改善。因此，改造后新轉(zhuǎn)輪能夠保證在各種工況下長期安全穩(wěn)定運

17、行。調(diào)保計算校核本機組改造目標主要是增容，新轉(zhuǎn)輪在各水頭下的過流量比原轉(zhuǎn)輪相比增大 約620%，但是由于本機組是接在大型機組引水管道上，因此，轉(zhuǎn)輪改造后， 所增加的流量對于大型機組引水管道基本上可以忽略不計。在導葉關(guān)閉時間及關(guān) 閉規(guī)律不變的情況下，甩額定負荷時的蝸殼壓力上升和機組轉(zhuǎn)速上升均與改造前 基本相同。因此新轉(zhuǎn)輪應(yīng)完全能夠滿足調(diào)保計算的要求。活動導葉最大開口值校核在水輪機流道和轉(zhuǎn)輪確定的條件下，水輪機的過流能力取決于導葉的最 大開度。因此，需對原機組最大導葉開度進行校核。真機導葉數(shù)為12枚，導葉分布圓直徑為910mm，最大導葉開度a =110mm。0max24910 x x 27 = 1

18、1 9(mm)12413HL2517-35模型導葉數(shù)為24枚導葉分布圓直徑為413mm，限制工況相應(yīng)導葉開度約為氣尸2而。換算到真機時，限制工況對應(yīng)真機所需導葉開度為119mm。水輪機改造項目水輪機增容改造是在通流部件不變條件下進行的，因此改造的主要內(nèi)容是轉(zhuǎn) 輪。其他部件如導葉和前后蓋板是否需要維修改造，應(yīng)待現(xiàn)場檢測后再確定。原型水輪機轉(zhuǎn)輪的制造，采用鑄焊結(jié)構(gòu)。葉片制造采用三坐標數(shù)控機床，葉 片型線的加工偏差小于0.1%D。轉(zhuǎn)輪組焊后，葉片和上冠、下環(huán)等過流表面粗1糙度，各項技術(shù)指標達到并優(yōu)于水輪機通流部件技術(shù)條件所規(guī)定的各項要求。水輪機調(diào)速功校核由于本次技術(shù)改造是將機組額定功率由1600kW

19、提高到最大2200kW,需要對 水輪機調(diào)速器的調(diào)速功進行校核。本電站采用YZFT-1000型調(diào)速器，其調(diào)速功為1000kg-m。根據(jù)小型水輪機調(diào)速功計算公式：N 、A = ( k) 1 . 1765H 2/3r取k=1.5，則所需調(diào)速功為：A = (1.5 X 2200 )1.1765 =535 kg - m632/3從計算結(jié)果看，本站原調(diào)速器的調(diào)速功余量較大，完全滿足增容改造要求， 電站介紹原調(diào)速器調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性不好，建議在條件容許的情況下，可考慮更換新 型微機調(diào)速器。水輪機的導水機構(gòu)傳動部件如拐臂、連桿機構(gòu)、控制環(huán)及調(diào)速軸、推拉桿等 部件的強度均是按調(diào)速功來計算的，與其他因素無關(guān)。所以，本站

20、水輪機導水機 構(gòu)的傳動零、部件的強度都應(yīng)滿足改造要求。水輪機改造方案小結(jié)綜上所述，采用HL2517-71轉(zhuǎn)輪改造后，水輪機額定流量可以由改造前的 4m3/s增加到改造后的4.8m3/s，增加最大幅度為20%；額定點運行效率提高1% 左右。改造后的機組額定出力能夠達到2000kW，空化系數(shù)與HL220基本相同。 經(jīng)校核，改造后水輪機的水力性能和機械性能完全滿足安全穩(wěn)定運行的要求。綜上所述，HL2517-71轉(zhuǎn)輪是XX電站機組增容改造比較理想的轉(zhuǎn)輪。6發(fā)電機增容潛力分析由于發(fā)電機定子絕緣材料性能的提高，在定子鐵芯不動的條件下，通過更換 定子線圈，減小絕緣材料厚度，將絕緣等級由B級提高為F級，并增加

21、線圈的過 流面積，發(fā)電機功率一般可以提高2025%。具體到本站機組，由增容改造經(jīng)驗 和初步電磁計算得知，通過更新定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈，額定功率可以由1600kW 增容到2000kW(cos =0.80)。并且最大功率可以達到2200 kW (cos =0.88)。國內(nèi)早期設(shè)計制造的水輪發(fā)電機組，支撐結(jié)構(gòu)部件和主軸強度一般都有較大 安全裕量，1600kW機組增容到2000kW在結(jié)構(gòu)強度方面不存在問題。綜上所述，根據(jù)目前國內(nèi)的技術(shù)水平和我公司的實際改造經(jīng)驗，XX電站機 組增容到2000kW在技術(shù)上是完全可行的。需要注意的是，發(fā)電機增容改造雖然是一項較為成熟的技術(shù)工作，尤其對于 本站而言，基本上不存在

22、特殊的技術(shù)難度問題。但是選擇哪個廠家，該廠的工作 業(yè)績及信譽如何，線圈的材料與制造工藝、材料的質(zhì)量等級等問題。都應(yīng)慎重對 待。7發(fā)電機增容改造方案表1寶安電站水輪發(fā)電機電磁方案比較項 號案項目-原方案改造方案1 轉(zhuǎn)孑改造改造方案2 轉(zhuǎn)于不變1視在功率（kVA）2000250025002額定功率（kW）1600200020003額定電壓（kV）6.36.36.34額定電流（A）183.2229.1229.15額定功率因數(shù)（滯后）0.800.800.806額定轉(zhuǎn)速（rpm）7507507507極距TA（mm）431.97431.97431.978定子外徑Da（mm）1430143014309定子內(nèi)

23、徑Di（mm）11001100110010鐵芯長度Lt（mm）65065065011定子線規(guī)alXbl (mmXmm)12定子線圈電密Ja （A/ mm2）4.724.824.8213定子線負荷AS （A/ cm）420.1525.1525.114定子線圈溫升Ocul （C）48616115定子鐵芯溫升（C）16轉(zhuǎn)子線圈溫升Ocu2 （C）59667817短路比OKZ0.930.7440.74418縱軸同步電抗xh d1.2541.5681.56819縱軸瞬變電抗Xd，0.2410.3010.30120縱軸超瞬變電抗xd“0.2410.3010.19121橫軸同步電抗Xq0.6880.8590

24、.85922橫軸瞬變電抗Xq，0.6880.8590.85923橫軸超瞬變電抗Xq”0.6880.8590.85924空載勵磁電壓（V）21192125空載勵磁電流（A定勵磁電壓（V）60636827額定勵磁電流（A）26329030228勵磁功率（kW）15.7818.2720.5429極身寬Bm （mm）16016016030發(fā)電機效率（%）94.194.794.67.1發(fā)電機初步改造方案比較原方案：發(fā)電機電磁方案經(jīng)校核計算，各電氣技術(shù)參數(shù)匹配均比較合理。方案（1）：發(fā)電機通過更換新的定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈絕緣改造（均為F級絕 緣）功率因數(shù)不變，發(fā)電機能夠滿足由160

25、0kW增發(fā)到2000kW。改造后發(fā)電機定 子線圈和轉(zhuǎn)子線圈的溫升分別為61C0和66C0。由于線圈的絕緣等級由B級提高 至F級，允許運行溫度可以達到120 C0。通常機組環(huán)境溫度不大于40C0，因此改 造后發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子的允許溫升為80C。方案（2）：發(fā)電機通過更換F級絕緣新定子線圈，功率因數(shù)不變，發(fā)電機滿 足由1600kW增發(fā)到2000kW。改造后發(fā)電機定轉(zhuǎn)子線圈溫升為61 C0和78 C。7.2發(fā)電機增容改造初步結(jié)論由以上電磁計算校核及方案比較和充分的技術(shù)性經(jīng)濟性比較，我公司推薦第 二方案，即僅更換新的定子線圈并改造轉(zhuǎn)子線圈（均為F級絕緣），功率因數(shù)不 變，就可以確保發(fā)電機由1600kW增

26、發(fā)到2000kW。定、轉(zhuǎn)子線圈溫升均符合改造 設(shè)計技術(shù)標準規(guī)范。綜上所述，該發(fā)電機更換新的F級絕緣定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈絕緣改造、可以 確保發(fā)電機在功率因數(shù)為0.80情況下增發(fā)至2000kW。機組改造增容后，額定出力由1600kW提高到最大2200kW，因此應(yīng)對水輪機 主軸的強度進行校核。主軸的輸出額定功率從1698kW，提高到2323kW。主軸傳遞的扭矩：軸身抗扭斷面模數(shù)：N2323、M k = 97400= 97400 x 二：=3.02 x 10 5 (kg.cm)HW = D 3 f 1 - = x 20 3 f 1 - - = 1570 (cm 3) n 16 I D 4 J 16I 2

27、0 4 J斷面面枳：F = (D2 - d2) = (202 一 0) = 314(cm2)Z 44軸身扭應(yīng)力：t = Mk = 3.02 X 105 = 192 .3(kg/cm 2)W1570主軸總軸向力：P = P z + G L + G z式中：Pz軸向水推力；Gl水輪機轉(zhuǎn)動部分重量，約為0.5噸；Gz發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分重量，約為6噸。HL2517型轉(zhuǎn)輪水推力系數(shù)為0.34，則最大軸向水推力為:P = KD 2H = 0.34 x 0.71 2 x 63 = 10.8 (t)主軸總軸向力：P = 10.8 + 0.5 + 6 = 17.3 (t)主軸拉應(yīng)力：cP 17.3 x 10 30 - f 一314= 55.1(kg/cm 2)z軸身綜合應(yīng)力:b = Jb2 + 4t 2 = J55.12 + 4 x 192.32 = 388.5(kg/cm2)由上述計算結(jié)果表明，主軸軸身綜合應(yīng)力基本取決于軸的扭矩，當機組出力 為2200kW時，