型水电站水轮机转轮改型必要性和可行性.docx
《型水电站水轮机转轮改型必要性和可行性.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《型水电站水轮机转轮改型必要性和可行性.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
型水电站水轮机转轮改型必要性和可行性
中小型水电站水轮机转轮改型设计的必要性和可行性
论文作者：
郭鹏程郑小波梁武科
摘要：
中小型水电站技术改造是水电事业发展的重要组成部分，本文通过对我国中小型水电站发展现状的论述，分析了在中小型水电站技术改造中水轮机转轮改型设计的必要性和可行性，并介绍了当前水轮机转轮设计、测试和制造方面的新技术。
关键词：
中小型水电站水轮机转轮改型设计
１我国中小型水电站的发展现状
建国以来，我国水电建设取得了巨大成就，据统计我国常规水电装机容量已达到7700×104ｋＷ，其中，中小型水电站4．5×104余座，拥有机组7×104余台，总装机容量达2020×104ｋＷ，有近一半为50～60年代制造的设备［1］。
因为当时条件限制，这些电站的水轮机多数是应用前苏联40～50年代的技术，制造技术落后，效率较低，过流能力差，总的能量指标偏低。
加上大部分国产机组生产于特殊年代，不按电厂各种条件而硬性套用定型图纸，或仅按模型实验的特定角度硬性规定设计，致使原来水力效率不高的转轮又偏离了高效率区。
还有性能指标较低，如高效区狭小、振动区范围大、空化性能差等，对机组的安全稳定运行产生了严重的影响，很大程度上降低了电站设备的运行管理水平和效益。
另外，因为大部分电站已运行了三四十年，机组设备在性能和结构方面都已陈旧、事故增多、检修频繁。
长期运行已使过流部件磨损，特别是转轮、导叶等部件因为空蚀和磨损，叶型遭到破坏，间隙增加而使效率下降。
根据国外有关资料介绍，效率下降约为２％。
特别是有些电站或因为当年是套用机组，或因为电站参数发生变化，使机组长期在低效率下运行，浪费能源，亟待早日解决。
与此形成鲜明对比的是，近年来，随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，电力负荷峰谷差愈来愈大，增大中小型电厂在电网系统中的调峰、调频能力也愈显重要。
而电力系统越来越多地要求水电机组特别是中小型水电机组担负调峰、调频和事故备用任务，这样就增加了机组启动、停机次数，致使水轮机部件动载荷增加，运行条件变得苛刻，对那些设备陈旧的老电站，担负这样任务显然力不从心。
同时，近几年大电网对地方电网实行峰谷差价和峰电超计划加价政策，让电网中调节性能较好的水电站实行顶峰发电，多发电必将会显著提高地方电网的负荷率和经济效益。
２水轮机转轮改型的必要性和可行性
２．１水轮机转轮改型的必要性
从我国水电事业的发展现状来看，大批水电站存在的主要问题及产生的严重后果主要是长期以来水轮机转轮的设计制造与使用条件相脱节，主要表现在下面几个方面［2］：
<１）水轮机转轮效率低。
水轮机效率是水轮机性能的重要指标，据统计从50年代至今，水轮机效率每10年提高一个百分点，我国有一大批机组水轮机转轮系国内50、60年代产品，与90年代国内外先进转轮相比，差距很大，真机效率约低2％～5％以上。
造成可利用能源的巨大浪费。
<２）水轮机与水轮发电机选型不合理。
“六五”以前安装的水轮发电机组，因为设计条件限制，有些电站选择水轮机与发电机偏于保守，使水能不能充分利用，有些电站选择水轮机与发电机容量匹配不当，从而大大限制了机组出力。
<３）水轮机运行可靠性差。
水轮机受当时设计、制造水平限制，水轮机抗空化、抗磨损、抗振动性能差，经几十年运行，一些机组空化、磨损、振动严重，运行条件恶劣、事故隐患不断增加。
严重影响水轮机的可靠运行。
<４）自然条件的变化。
近年来随着经济的发展，有些电站的上游大力发展耗水量较大的农业企业，工农业用水量突飞猛进。
另外，随着人们生活质量的提高，生活用水、环境用水、生态用水等过去设计电站时忽略的部分消耗也一天比一天增多。
这样部分水轮发电机组经几十年投运，上、下游水位已发生较大变化，原有转轮运行已大大偏离设计工况，甚至无法正常运行。
综上所述，８０年代以前建设的一大批电站，因为机电设备落后，技术老化，机组设计水平低，制造工艺差，技术参数低。
以及部件老化机组出力受阻和自然条件的变化，已不能充分利用已开发的水力资源，从而造成水力资源的再度浪费。
再加上电网调峰的迫切需要。
如何提高已开发的水力资源的经济效益和社会效益成为许多老水电厂面临的重大课题。
众所周知，水轮机转轮水电站的核心设备。
水轮机的水力性能、振动与空化主要取决于转轮性能，转轮性能的优劣对合理开发利用水能、保证电网可靠性方面有着巨大影响。
因此，对老的水轮机转轮的更新改造势在必行。
通过对水轮机转轮的改型，可提高机组效率，增加电站容量，改善机组运行的安全稳定性。
２．２水轮机转轮改型的可行性
首先，从经济的角度分析，开发新电站投资大、周期长，而进行水轮机转轮的增容改造因为不需要再建大坝等水工建筑物，故投资很少，见效很快，经济效益很高。
一般认为，对老电站的增容改造其单位千瓦投资要比新建电站低２/３以上［３］。
因此，水电站水轮机转轮的改型是一项投入少产出多效益显著的项目，是提高水电站运行可靠性和经济性的最主要方向，已成为许多国家解决能源短缺问题的手段之一。
其次，从技术上来说，近年来计算机与计算技术、流体机械三维流动分析与设计理论、通讯与传感器技术、现代控制理论和机械加工技术等都已取得了很大的进步。
使得现代转轮的设计、测试和制造方面都取得了长足的进步。
这些新的技术主要表现在：
<１）数值模拟技术。
五六十年代，混流式转轮的设计基础是本世纪初罗伦兹提出的通流理论，即假定转轮中的叶片数无穷多，无限薄，这样将三维流动简化成轴对称流动。
从８０年代以后，随着计算机技术和计算流体动力学的迅速发展，水力机械过流部件的三维流动分析、三维设计和优化算法都有了长足的发展，已成为过流部件水力设计与流动分析的重要工具。
目前，仅在水轮机研究领域就有清华、哈电和东方厂等国内近十家单位引进了先进的ＣＦＤ分析软件。
如哈电，利用ＣＦＤ分析软件进行模型转轮开发，完成了三峡右岸转轮的转化设计，对丰满、新安江、丹江口、东江、乌溪江等一批老电站改造项目进行数值模拟和优化，完成了洛溪渡、水布垭、小湾、龙滩、公伯峡等电站水轮机的水力设计。
东方厂利用ＣＦＤ技术开发出福堂电站用Ｄ307模型转轮，其最高效率为94．43％。
空化性能也很高，其空化系数δ＝0．047，飞逸转速特性最大为106．4ｒ/ｍｉｎ，最大压力脉动混频双振幅值为5．5％。
另外，西安理工大学从８０年代后期开始进行水轮机通流部件的反问题研究［４］，先后提出并建立了基于Ｓ1流面反问题计算的准三维设计模型和方法、基于Ｓ2流面反问题计算的准三维设计模型和方法、基于混合谱方法的全三维有旋流动的反问题计算模型和方法。
近年来，在三维粘性流设计模型的基础上，又实现了设计方案的计算机自寻优，达到了根据厂站的实际水力参数进行“量体载衣”式的设计，取得了水力机械转轮设计方法的重大突破。
到目前为止，用该模型已先后为有关电站、多家水轮机厂和有关研究单位的几十台水轮机转轮进行了改型设计，全部达到了用户提出的改造目标。
这种针对某一电站进行专门设计与制造的水轮机选型方法，可以保证让每一个电站都可以选出适合自己电站条件的最优水轮机型式，从而达到最佳运行效果，取得最大经济效益。
通过采用先进的计算机数值模拟技术对水轮机转轮进行增容改造，具有低投入、高产出、见效快的特点。
在改善运行性能的同时减少了运行及维修费用、减少了机组的停机时间，使电厂费用降低并尽快受益。
<２）模型测试技术。
当前流体机械测试技术发展迅速，诸如压力测量技术、流量测量技术和粒子图像测速技术有较大的提升，多媒体技术和计算机网络技术进一步应用到流体机械测试系统中。
总之，以计算机为核心的自动测试系统已成为现代测试系统的一个特点和通用形式。
国内的哈电、东方、双富等厂家和清华、河海、水科院等科研院校都建设或对原水轮机模型实验台的电气、测试系统进行了全面的改造。
其综合测试精度、运行稳定性和重复精度大大提高。
目前，全国已有５座通过部级鉴定的现代化实验台，其效率综合实验误差在±0．25％～±0．3％，为水轮机模型实验和电站改造验证研究提供了良好的条件。
如哈电研制成功了转轮内部流态观察成像系统［5］，可通过光纤内窥镜和摄像头采集转轮进口处的脱流、叶道涡、空化和出口处的空化、涡带的信息，验证ＣＦＤ的分析结果。
也可通过观察转轮在各工况的流态，为改型设计提供依据。
<３）刚强度计算技术［５］。
水轮机转轮不仅要有好的水力性能，还应具备高的刚强度性能，这样才能保证机组高效安全地运行。
因此对转轮的刚强度计算以及计算的准确性尤为重要。
传统的设计方法采用简单的材料力学理论将叶片作为一悬臂梁在全水头均压下计算根部应力，计算结果与实际有较大出入，或通过模型实验和电站实测来为设计者提供参考。
而且还无法计算叶片的静位移和固有频率。
近年来随着有限元的发展，机械构件的刚强度计算技术有了很大的提高。
用计算机模拟技术代替模型实验和电站实测以成为可能。
目前以ＡＮＳＹＳ和ＩＤＥＡＳ为代表的一大批大型有限元结构分析计算软件在转轮刚强度计算中得到
了广泛的应用，实现了水力与强度的交互式设计，计算结果更为准确，叶片应力状况也更趋合理。
同时采用有限元边界元法相结合来计算过流部件的流固耦合振动，因为考虑了结构在流体中振动的附连水质量，可用计算来估算结构在水中的固有频率，这种方法可在改造项目中对机组的稳定性进行预测。
<４）叶片模压成形技术。
水轮机转轮是水轮机的心脏，因此它的制造质量至关重要。
直接影响着转轮的效率、抗空化性能和运行稳定性。
过去大多采用铸造方法制造叶片，打磨光滑后与上冠、下环拼焊。
该工艺方法有很多缺点：
型线偏差大、表面粗糙、打磨废工、抗空化性能差，并且铸造的叶片带有铸造缺陷，使得叶片使用性能变坏，对于大型叶片，叶型精确度更难控制，最终也不易达到要求。
近几年来，模压成型技术广泛用于水轮机转轮叶片制造，它是一项可以获得叶型准确、铲磨量小、价格适中、生产周期较短的转轮叶片制造技术。
其方法是将叶片母材进行初步加工，然后放在用数控机床铣好的压模内用压力机压型，最后做局部修磨。
这种方式制成的叶片型线好，材质好，抗空化磨损性能强，效率也易得到保证。
如哈电应用ＩＤＥＡＳ和ＤＥＦＯＲＭ－３Ｄ两个有限元软件开发了动态计算模压叶片中心和压力吨位的计算方法，已获得了成功。
<５）叶片数控加工技术。
对于叶片的加工过去采用“立体样板－铲磨”工艺，这是一种通过投入大量手工劳动力，依据立体样板作为测量工具，把铸件毛坯变成叶片成品的工艺。
根据文献［６］，使用这种加工工艺存在着测量精度差、使用操作困难和费用大的三大致命缺点。
近年来，国内外各水轮机制造厂家已取消了传统的立体样板，采用数控加工技术，它是一种通过计算机系统的软件控制机床自动操作完成的一种理想的加工工艺。
因为它能把叶片的理论曲面图形通过数据输出准确无误地传送到执行指令的操作机构上，解决了叶片测量与理论位置的自动找正问题和测点加工余量的自动计算问题，使大型水轮机的叶片制造精度较传统立体样板工艺有了较大提高。
如刘家峡２＃转轮和天生桥的５＃、６＃转轮都是采用数控加工。
再者，从项目应用方面来说，近年来，老电站机组的技术改造工作已引起了世界各国的普遍关注，尤其在一些水力资源开发程度较高的国家，更为重视。
我国的电站更新改造工作与国外先进国家相比虽然起步较晚。
但也于８０年代初开始探索性的工作。
２０年来，各类水电站的技术改造工作已取得了不少的成绩和经验，为各电厂和科研单位培养了大批技术人员和技术工人，从而为我国各电厂的增容改造工作奠定了基础，使各水电站的技术改造工作的顺利完成成为可能。
３结论
开发新电站投资大、周期长，而老电站增容更新改造因为不需要再建大坝等水工建筑物，故投资少、周期短、收益大。
可见，水电站更新改造已成为许多国家解决能源短缺的重要手段之一，而水轮机转轮是水电站的主要设备之一，水轮机转轮性能的优劣对合理开发利用水能、提高水电站运行可靠性和经济性、保证电网可靠性方面有着巨大影响。
所以，水电站水轮机转轮改型设计已成为水电站更新改造的主要任务与关键途径之一。
与此同时，现代计算机数值模拟技术、模型测试技术、刚强度计算技术和制造技术的不断进步，为水轮机转轮的改型设计创造了条件。
因此，我们应充分利用现代科学技术成果，结合我国八十年代之前建造的中小型水电站的实际情况进行机组特别是水轮机的技术改造。
确保水轮机的高性能、高质量和安全可靠运行。
参考文献：
［１］任柏青．小型水电站老式机组的增容改造［Ｊ］．浙江水利科技，１９９９，<２）
［２］李吉川．水轮发电机组的增容改造［Ｊ］．广西电力技术，１９９９，<１）
［３］李成家，等．安康电厂水轮发电机组增容改造分析［Ｊ］．西北电力技术，２０００，<５）
［４］罗兴琦，等．混流式水轮机转轮的改型研究［Ｊ］．水利学报，１９９６，<１１）
［５］王国海，等．水轮机增容改造与新技术的应用［Ｊ］．大电机技术，２００１，<７）
［６］杨金华，等．水轮机叶片计算机辅助测量系统［Ｊ］．大电机技术，１９９７，<２）
.3对电厂老机组转轮进行改造、增容和机组抗磨蚀处理，提高机组整体出力水平
水轮机是水电厂的心脏，转轮是水轮机的核心，转轮的性能指标对水轮机的出力起至关重要的作用。
我厂使用水轮机转轮均为20世纪50～60年代老型号转轮，转轮的单位流量、单位转速及模型效率性能指标低。
长期以来机组水能耗高，年发电量损失较大。
而三级电站作为我厂最大的电站，机组单机容量大，在冬季玛河小流量时，水轮机运行严重偏离设计工况，机组长期在低效率区运行，水能利用率更低。
为解决上述问题，我厂70年代末就曾对四级电站机组进行过增容改造和抗磨蚀处理，90年代末开始对各电站机组进行转轮、定、转子线圈的增容改造和水轮机座环、涡壳、叶片、导叶的抗磨蚀处理。
目前水轮机抗磨蚀处理已取得一定成效，等离子喷涂、低温镀铁、热喷涂等各种新型的软、硬抗磨材料都使用过，但水轮机过流部件的磨损和汽蚀还没有得到根本解决，抗磨蚀问题仍将是我厂认真研究的课题。
通过研究，转轮的增容应根据引水渠流量和水能条件合理地进行。
2005年11月四级电站扩建机组引进的4000kw新型转轮，在同样水量条件下，比我厂现有机组效率提高17％以上。
这样企业开始利用机组大、小修的时机，逐年对机组更换新式高效率转轮。
考虑到各电站机组装机容量和渠系引水量不匹配的因素，先将二级电站两台3200kw转轮增容为4000kw转轮，将三级电站三台9000kw转轮增容为1.1万kw转轮，同时制作一台6000kw小型转轮，供三级电站冬季使用，使二、三级电站水能资源充分得到利用。
然后将其他各电站机组老转轮改造为相同容量的新型转轮。
2006年1月28日，三级电站9000kw转轮更换成6000kw小转轮运行，机组出力显著增加，相同流量，每日增发电量3万kwh以上，机组效率提高36.7％。
冬季机组运行3～4个月，可增发电量300～400万kwh，效果相当显著。
转轮增容和改造的完成将使我厂15台机组整体出力提高15％以上，发电生产能力由设计出力6.505万kw提高到7.5万kw以上。
枯水年年发电量可达到2.6亿kwh，丰水年年发电量达到2.7亿kwh以上。
.
大化水电站发电机的增容改造
聂启蓉
摘 要：
大化水电站通过更换发电机定子铁芯和线圈并配合水轮机增容实现机组增容改造。
改造后的定子采用了新结构、新工艺。
在额定转速、额定电压和额定功率因数不变的条件下，发电机的额定出力由原来的100MW提高至114MW。
关键词：
发电机；增容改造；额定出力；大化水电站
分类号：
TM312 文献标识码：
B
文章编号：
1001-408X（2000>01-0057-04
ModificationofCapacityIncrementforGeneratorofDahuaHydropowerStation
NIEQi-rong
（GuangxiElectricPowerIndustryInvestigation,DesignandResearchInstitute,Nanning530023,China>
Abstract：
ModificationofcapacityincrementforgeneratingsetofDahuahydropowerstationachievedbyreplacingcore,coilofstatorandincreasingtheturbinecapacity.Thenewstructureandnewtechniquehadbeenaplliedtothenewstator.Andtheratedoutputofgeneratorwouldbeincreasedfrom100MWto114MWundertheconditionthatratedspeed,ratedvoltageandratedpowerfactorwerenotchanged.
Keywords：
generator,modificationofcapacityincrement,ratedoutput,Dahuahydropowerstation▲
大化水电站一期项目安装4台立轴转桨式水轮发电机组，发电机型号SF100-78/12800，额定功率100MW，额定电压15.75kV，额定功率因数0.875。
为消除发电机定子铁芯松动，线棒绝缘磨损、槽楔松动、电晕、电腐蚀等缺陷，并配合水轮机增容改造，通过更换定子铁芯和定子线圈实现发电机的增容改造。
新的发电机定子铁芯和线圈采用国内招标方式采购，参加这次发电机增容改造设备投标的有东方电机股份有限公司、天津通用电气阿尔斯通水电设备有限公司和富春江富士电机有限公司（以下简称双富公司>，该项目于1998年1月6日在广西机电设备招标中心开标，经询标、澄清、评标和商务谈判，历时18d，确定双富公司中标并签约。
大化水电站发电机改造逐台实施，与水轮机的技改项目同步进行。
发电机增容改造后，在额定转速、额定电压和额定功率因数不变的条件下，单机额定出力由原来的100MW提高至114MW。
新的发电机定子铁芯和定子线圈的绝缘等级为F级。
定子槽数将由原来的540槽改为504槽，并在结构上采取了防止铁芯和线圈松动的措施，使发电机具有优良的性能和高的可靠性。
1 优化发电机定子铁芯槽数，降低电磁振动
本改造项目电磁设计的核心是定子铁芯槽数的选择。
大化水电站发电机将保持原额定转速76.9r/min不变，该转速不属于优先推荐的转速，其极数不利于槽数的选择。
根据大化水电站发电机容量、电压及转速等基本参数，可选槽数为468、504、522、540、558、576，相应的每极每相槽数为2、
。
其中，468槽定子绕组磁势谐波中没有分数次谐波，即不存在分数次谐波引起的次谐波振动问题，属优选槽数。
但是，在现有结构条件下，468槽的磁负荷将比原发电机提高18.8%，磁负荷过高，加之相应的每极每相的槽数为较小的整数，齿谐波电势较强，故不宜采用。
其他各方案发电机定子线圈均为分数槽绕组，因为每极下的槽数不同，将产生由定子绕组电流引起的一系列分数次谐波磁动势。
这些磁动势和旋转着的转子有着不同的相对速度。
各种不同的振动模式和频率成为发电机电磁振动的激振力。
尽管各投标厂因电磁参数匹配和分析方法各异而得出的分数次谐波的频率和振幅有一定的差异，但都一致认为改造后的定子槽数由原来的540槽改为504槽较为合理。
双富公司提供的定子槽数选择方案比较详见表1。
表1 定子槽数选择方案比较表
序号
项目
单位
504槽
522槽
540槽
558槽
576槽
1
定子铁芯内/外径
mm
12158/12830
12164/12800
12164/12830
12164/12800
12170/12830
2
铁芯高/净高
mm
1733/1433
1700/1400
1700/1400
1700/1400
1666/1372
3
每极每相槽数
2
2
2
2
2
4
主要谐波级次
-7
-7
-7
-7
-7
5
主要谐波频率
Hz
177.6
178.2
179.1
176..2
179.4
6
总径向振动值
μm
4.0
5.5
6.4
6.2
7.1
7
额定励磁电流
A
1284
1360
1378
1410
1508
8
铁损值
kW
560
566
520
548
471
9
定子周向冲片数
42
58
45
62
48
10
每冲片槽数
12
9
12
9
12
11
每台机冲片数
万枚
约12
约16.24
约12.6
约17.36
约13.2
12
定子机座下环板处理
钻84-Φ24孔
钻116-Φ24孔
不需处理
钻124-Φ24孔
钻96-Φ24孔
从表1可以看出，504槽的径向振动值较其他方案小，发电机励磁电压和励磁电流与原设计相近。
因为发电机增容后励磁电流不变，使原发电机转子磁极线圈具有更大的安全裕度，可以保证发电机稳定可靠地运行。
同时，504槽还避免了有害的齿谐波振动，从而可消除因振动而产生断齿的危险。
另外，该槽数能使增容后达到最佳的电负荷和磁负荷匹配，从而获得最佳电磁设计。
大化发电机原540槽设计方案虽无明显设计错误，但振动值是较大的。
大化发电机定子铁芯出现松动掉片现象，究其原因，主要是铁芯压紧结构及压紧工艺不恰当，造成铁芯运行一段时间后因收缩而使铁芯特别是端部松动。
实际上，因为发电机中总存在基波和各种各样的谐波，这些磁场谐波相互作用虽不会引起整体铁芯的显著振动，但微小振动总是存在的，因为铁芯松动而造成局部较大振动也是可能的。
特别是基波磁场引起的极频交变径向电磁力较大。
虽然该极频交变径向电磁力引起整体铁芯的振动甚小，但对于松动的端部冲片，承受如此大的交变径向电磁力，将会产生较大的局部振动，从而造成冲片局部疲劳断裂而发生掉片现象。
综上所述，为消除原发电机的缺陷，除了在结构上改进压紧结构和压紧工艺使铁芯真正压成整体外，在电磁上选用电磁振动值较小的槽方案也是十分必要的。
因此，改造后的定子铁芯槽数选用504槽。
2 定子铁芯结构及防松动措施
定子铁芯内径Φ12158mm，外径Φ12830mm，铁芯高1733mm。
通风沟数为50个，高6mm。
定子冲片整圆分为42片，每片12槽，材料50W310冷轧硅钢片，其双面涂F级绝缘漆。
定子铁芯段两端的端板和通风槽采用0.7mm厚的DWK2硅钢片。
定子铁芯采用8片一组（4mm>1/2搭接的叠片方式叠片，两端和每段间设有绝缘片。
定子铁芯采用上、下齿压板通过拉紧螺栓将铁芯压紧，上、下齿压板均采用分块式齿压板结构，上齿压板84块，下齿压板42块，压指材料采用高强度非磁性合金钢AUNI18B。
铁芯压紧定位采用拉紧螺杆和鸽尾筋合为一体的结构形式，由套于拉紧螺杆并焊于机座上的拉块传递切向转矩，如图1所示。
这样的结构可增强铁芯的刚度，减少电磁振动。
拉块的倒鸽尾可适应铁芯温升而产生的径向变形。
图1 铁芯压紧定位示意图
防止定子铁芯松动的主要措施有：
（1>采用在铁芯拉紧螺杆上端加高强度蝶形弹簧的压紧结构。
当铁芯的实物高度因绝缘漆收缩降低时，因为高强蝶簧的缓冲作用，铁芯的面压仅发生缓慢的变化，保证铁芯收缩稳定后仍保持一定的安全面压，以保证铁芯运行的稳定性和可靠性。
（2>采用优质F级无机质烘干漆，减小铁芯收缩量，提高收缩稳定性。
新、旧铁芯绝缘漆收缩特性比较见表2。
表2 新、旧铁芯绝缘漆收缩特性比较表
名 称
绝缘漆材料
铁芯涂覆
升级会员 