水电站机组增容改造.docx
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水电站机组增容改造
XX水电站1600kW机组
增容改造可行性研究报告
XX水电设备有限公司
2010年4月
目次
1机组基本参数……………………………………………………（3）
2机组运行情况……………………………………………………（4）
3改造目标…………………………………………………………（4）
4水轮机增容改造潜力分析………………………………………（5）
5水轮机增容改造方案……………………………………………（7）
6发电机增容潜力分析…………………………………………（11）
7发电机增容改造方案…………………………………………（12）
8机组增容改造初步报价………………………………………（15）
9改造效益初步估算……………………………………………（15）
10质量保证条款和售后服务承诺………………………………（16）
11技术改造中的技术优势……………………………………（16）
12增容补充报告………………………………………………（17）
13增容改造工程报价文件………………………………………（23）
XX水电站1600kW机组增容改造方案
1机组基本参数
XX水电厂，装有三台混流式水轮发电机组，额定水头50.5m，工作水头变幅40～63m。
其中2台单机额定出力1600kW，电站计划改造增容到2000kW，目前在可研立项阶段。
电站有关参数及1＃、2＃机组主要设备参数见下表1和表2。
表1宝安电站1＃、2＃机组技术参数
项目
参数
项目
参数
上游最高蓄水位（m）
166
水质情况
较好
上游水位变幅（m）
145～166
压力钢管布置
单管单机
毛水头范围（m）
43.5～65.5
压力管内径（m）
1.0
平均尾水位（m）
压力管长度（m）
60/65
尾水位变幅（m）
89～103
压力管流速（m）
5.1
装机容量（kW）
2×1600+
年均发电量（万kWh）
机组安装高程（m）
101.5
增容后额定主管流速（m）
6.1
年均运行小时（h）
8760
实际运行功率因数
0.96
水轮发电机组及主要设备技术参数见下表2。
表2XX电站1＃、2＃机组主要设备技术参数
水轮机
发电机
型号
HL220-WJ-71
型号
SFW1600-8/1430
额定水头（m）
50.5
额定功率（kW）
1600
额定流量（m3/s）
4.0
额定电压（kV）
6.3
额定出力（kW）
1710
额定电流（A）
183.2
额定转速（r/min）
750
频率
50
额定点效率（%）
87.3
功率因素
0.8
最高效率（%）
90
额定转速（r/min）
750
飞逸转速（r/min）
1338
飞逸转速（r/min）
1600
相对导叶高度
0.25D1
效率（%）
96
叶片数/转轮材质
14/碳钢
绝缘等级
B/B
机组台数
2
定子铁心长度（mm）
650
最大吸出高度（m）
+2.0
励磁方式
永磁机改造为可控硅
出厂日期
1994年
机组生产厂家
韶关水轮机厂
机组安装高程（m）
101.5
主变压器型号
进水阀门直径（mm）
Ф1000
变压器容量（kVA）
调速器型号
YZFT-1000
起重设备
2机组运行情况
机组运行情况统计分析见下表3。
表3机组运行情况统计分析
项目
运行参数
单机投产初期和目前机组最大出力
均为1800kW
单机多年平均发电量
约1400万kWh
丰水期/枯水期负荷
均为满负荷
推力轴承运行
良好
机组振动稳定性
通流部件空蚀磨蚀
气蚀破坏轻微
机电设备重大事故
无
二次仪表的准确度及是否每年校验
资料及图纸完整
水轮机转轮单位转速（r/min）
实际运行67～84r/min，最优单位转速70r/min，基本适合
水轮机转轮单位流量（l/s）
模型最优点/模型限制点：
1000/1140，偏低
真机额定点效率（%）
对应1600kW额定出力点效率低于87%，偏低
额定点空化系数σ
0.133，偏高
对应最大负荷1800kW的水库水位为160m，相应调速器开度93%
对应额定负荷1600kW的水库水位为157m，（工作水头约53m）
※初步确认：
机组原额定水头50.5m，工作水头范围40～63m；相应的水库运行水位约在▽145m～▽166m，需进行现场机组负荷试验确定工作水头与上游水位的准确关系。
本站机组发电机轴承甩油较为严重，计划进行调速器改造，本次改造将去掉永磁机
3改造目标
在50.5m额定水头条件下，增容改造后达到额定出力2000kW，在较高水头下运行，机组应保证稳定性能满足要求；
4水轮机增容改造潜力分析
4.1HL220机型特点简介
HL220型转轮是50年代由苏联引进的混流机型，在60～70年代是中水头段性能较好的转轮之一，曾用型号为HL702。
相对导叶高度为0.25D1，其能量、效率及空化性能均一般。
该机型转轮在国内大中小电站都得了到广泛使用，典型老电站有湖南柘溪、湖北丹江口及四川龚嘴等电站。
HL220模型水轮机转轮主要技术参数见表4，模型水轮机转轮综合特性曲线见附图1。
表4HL220-46模型水轮机转轮主要技术参数
模型
转轮
使用水头（m）
n110（r/min）
Q110
（l/s）
ηmO
（%）
Q11
（l/s）
ηm
（%）
σ
相对
导叶高
HL220-46
85
70
980
92.0
1140
88
0.132
0.25D1
单位飞逸转速n11f=133.0（r/min），水推力系数K=0.32
该机型在使用中存在的主要问题有：
（1）效率偏低。
从苏联提供的模型特性曲线看，最高效率点为92%，但在国内试验台上进行模型试验结果表明，其最高模型效率点仅为91%；
（2）空化性能较差。
真机普遍都存在较为突出的空蚀问题；
（3）稳定性能差。
HL220有两个比较明显且范围较大的振动区，据大型机组调研结果表明，振动区大致在导叶开度30～40%和70～80%两个区域。
在小机组上，振动区的影响不是很突出，稍加补气后，能够稳定运行。
（4）HL220转轮对水头变幅偏大的运行条件比较敏感，最优单位转速偏低。
4.2增容改造思路及要求
（1）核查基本数据，重点是复核电站来水量是否充足有余；
（2）复核引水管路直径是否满足增容要求，并精确测量工作水头及水头损失；
（3）通过计算分析论证找出原额定工况技术参数与电站运行实际最佳需要存在的差距，确定改造目标；
（4）根据增容目标参数，校核机组关键转动部件强度及技术相关参数等；
（5）选择适合电站实际运行要求的转轮或采用“量体裁衣”方式优化设计的转轮；
（6）准确选择有资质业绩的供货商作为合作伙伴，确保技术改造圆满成功。
4.3应注意的问题
（1）对于增容机组，转轮过流能力即单位流量的选择确定，主要受气蚀性能的限制；对于工作水头大于50m的机组，转轮增容幅度不宜太大，一般应限制在20%左右，否则改造后转轮的气蚀性能将下降。
建议转轮叶片和下环都采用抗气蚀性能较好的ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢材料。
（2）改造前现场调研时，应通过机组负荷试验或查阅大修记录的方法，了解导叶的真实开口值。
当增容幅度较大时，导叶开口需要随之调整加大（调速器摇臂改造）。
4.4水轮机增容潜力分析小结
综上所述，XX电站HL220-71水轮机可以在引水钢管和流道不变的前提下，通过更换较大过流能力、较高效率的新型“X”叶片转轮，在额定水头50.5m条件下，具有增容到2000kW的潜力。
5水轮机增容改造方案
5.1改造转轮选型
通过全面分析XX电站增容改造的条件和实际需求，推荐HL2517型转轮应用于本站改造。
其主要模型技术参数见下表6。
HL2517-35模型转轮综合特性曲线见附图2。
表6HL2517-35模型转轮主要技术参数
转轮型号
最优工况
计算工况
单位飞逸转速n11R
水推力系数K
n110
Q110
η0
σ0
Q11
η
σ
HL2517-35
75
1150
92.2
0.09
1350
89
0.14
138
0.34～0.41
5.2改造转轮技术指标
改造转轮满足以下技术指标，见下表7
表7HL2517-71转轮改造后技术指标
转轮型号
额定水头（m）
额定点
单位转速（r/min）
额定点单位流量（l/s）
额定流量（m3/s）
额定点效率（%）
发电机效率（%）
机组出力（kW）
HL2517-71
50.5
74.9
1350
4.84
88
94.7
2000
注：
水轮机转轮效率修正值取△η=-1%。
5.3水轮机改造后性能保证
5.3.1功率保证
改造后的机组功率保证见下表8。
表8转轮改造的机组功率保证值计算
技术参数
水轮机净水头（m）
40
45
50.5
55
60
63
转轮单位转速（r/min）
84.2
79.4
74.9
71.8
68.7
67.1
水轮机过流量（m3/s）
4.27
4.53
4.84
4.81
4.41
4.25
水轮机功率（kW）
1475
1760
2112
2323
2323
2323
水轮机效率（%）
88
88
88
89.5
89.5
88.5
机组功率（kW）
1390
1660
2000
2200
2200
2200
5.3.2水轮机轴向水推力
改造后的水轮机轴向水推力按下式计算：
Poc=K（π/4）D12Hmax（t）=0.34×0.785×0.712×63=8.476（t）
由于改造转轮模型水推力系数K值略有增加，由0.32提高到0.34，因此水轮机最大轴向水推力比改造前增加约9.34%。
建议机组增容改造中将原合金瓦更换为承载能力较高的弹性金属塑料瓦（冷却系统改造为外循环）。
一般要求单位压力≤12kg/cm2。
5.3.3水轮机飞逸转速
水轮机飞逸转速按下式计算：
np=（n11R×Hmax0.5）/D1=（138×630.5）/0.71=1543r/min
改造后转轮的最大飞逸转速为1543r/min，高于原水轮机飞逸转速1338r/min，但仍低于机组设计最大飞逸转速1600r/min。
因此，改造后发电机转动部件在飞逸状态下的强度满足原设计要求。
5.3.4空化性能校核
由于机组的安装高程已经确定，不可能再降低转轮的安装高程，因此，须对新转轮能否满足安装高程要求进行校核。
水轮机装置空化安全系数K按下式进行计算，计算结果见表9。
式中：
HS——水轮机的实际吸出高度（m）；
▽——机组安装高程（m），▽=101.5m；
K——装置空化安全系数；
σM——模型转轮临界空化系数；
H——水轮机净水头（m）；
表9
水头（m）
改造前HL220-71
改造后HL2517-71
HS（m）
σM
K
HS（m）
σM
K
40
+2.0
0.14
1.41
+2.0
0.13
1.517
50.5
+2.0
0.133
1.17
+2.0
0.13
1.20
63
+2.0
0.137
0.914
+2.0
0.13
0.963
由表9可以看出，在现有装置高程和吸出高度条件下，各工况改造后新转轮HL2517-71空化安全系数都略大于改造前HL220-71转轮的空化系数，说明新转轮空化性能满足水轮机的安装高程的要求，同时在安装高程相同的条件下，新转轮的空蚀性能稍优于改造前。
5.3.5振动稳定性
HL220转轮在部分负荷工况下的尾水管涡带压力脉动是比较严重的，在大型电站运行时，经常出现强烈的涡带振动，甚至个别电站出现了强烈的引水系统水力共振现象。
说明HL702转轮整体水力稳定性能不够好。
但在转轮直径小于1.4m的小型机组上，振动现象不突出，水轮机的振动稳定性基本能够满足运行要求。
而新转轮HL2517是采用先进的计算机优化设计技术，并在设计中参考了性能相近的优秀转轮，充分借鉴了最新的转轮流场分布与压力脉动的相互关系研究成果，涡带压力脉动将比HL220转轮有所改善。
无论在压力脉动的大小上，还是出现压力脉动的工况范围，都将有较大的改善。
因此，改造后新转轮能够保证在各种工况下长期安全稳定运行。
5.3.6调保计算校核
本机组改造目标主要是增容，新转轮在各水头下的过流量比原转轮相比增大约6～20%，但是由于本机组是接在大型机组引水管道上，因此，转轮改造后，所增加的流量对于大型机组引水管道基本上可以忽略不计。
在导叶关闭时间及关闭规律不变的情况下，甩额定负荷时的蜗壳压力上升和机组转速上升均与改造前基本相同。
因此新转轮应完全能够满足调保计算的要求。
5.3.7活动导叶最大开口值校核
在水轮机流道和转轮确定的条件下，水轮机的过流能力取决于导叶的最大开度。
因此，需对原机组最大导叶开度进行校核。
真机导叶数为12枚，导叶分布圆直径为910mm，最大导叶开度a0max＝110mm。
HL2517-35模型导叶数为24枚，导叶分布圆直径为413mm，限制工况相应导叶开度约为a0M＝27mm。
换算到真机时，限制工况对应真机所需导叶开度为119mm。
5.3.8水轮机改造项目
水轮机增容改造是在通流部件不变条件下进行的，因此改造的主要内容是转轮。
其他部件如导叶和前后盖板是否需要维修改造，应待现场检测后再确定。
原型水轮机转轮的制造，采用铸焊结构。
叶片制造采用三坐标数控机床，叶片型线的加工偏差小于±0.1%D1。
转轮组焊后，叶片和上冠、下环等过流表面粗糙度，各项技术指标达到并优于《水轮机通流部件技术条件》所规定的各项要求。
5.3.9水轮机调速功校核
由于本次技术改造是将机组额定功率由1600kW提高到最大2200kW，需要对水轮机调速器的调速功进行校核。
本电站采用YZFT-1000型调速器，其调速功为1000kg-m。
根据小型水轮机调速功计算公式：
取k=1.5，则所需调速功为：
从计算结果看，本站原调速器的调速功余量较大，完全满足增容改造要求，电站介绍原调速器调节的稳定性不好，建议在条件容许的情况下，可考虑更换新型微机调速器。
水轮机的导水机构传动部件如拐臂、连杆机构、控制环及调速轴、推拉杆等部件的强度均是按调速功来计算的，与其他因素无关。
所以，本站水轮机导水机构的传动零、部件的强度都应满足改造要求。
5.3.10水轮机改造方案小结
综上所述，采用HL2517-71转轮改造后，水轮机额定流量可以由改造前的4m3/s增加到改造后的4.8m3/s，增加最大幅度为20%；额定点运行效率提高1%左右。
改造后的机组额定出力能够达到2000kW，空化系数与HL220基本相同。
经校核，改造后水轮机的水力性能和机械性能完全满足安全稳定运行的要求。
综上所述，HL2517-71转轮是XX电站机组增容改造比较理想的转轮。
6发电机增容潜力分析
由于发电机定子绝缘材料性能的提高，在定子铁芯不动的条件下，通过更换定子线圈，减小绝缘材料厚度，将绝缘等级由B级提高为F级，并增加线圈的过流面积，发电机功率一般可以提高20～25%。
具体到本站机组，由增容改造经验和初步电磁计算得知，通过更新定子线圈和转子线圈，额定功率可以由1600kW增容到2000kW（cosφ=0.80）。
并且最大功率可以达到2200kW（cosφ=0.88）。
国内早期设计制造的水轮发电机组，支撑结构部件和主轴强度一般都有较大安全裕量，1600kW机组增容到2000kW在结构强度方面不存在问题。
综上所述，根据目前国内的技术水平和我公司的实际改造经验，XX电站机组增容到2000kW在技术上是完全可行的。
需要注意的是，发电机增容改造虽然是一项较为成熟的技术工作，尤其对于本站而言，基本上不存在特殊的技术难度问题。
但是选择哪个厂家，该厂的工作业绩及信誉如何，线圈的材料与制造工艺、材料的质量等级等问题。
都应慎重对待。
7发电机增容改造方案
表1宝安电站水轮发电机电磁方案比较
项号
方案
项目
原方案
改造方案1
转子改造
改造方案2
转子不变
1
视在功率（kVA）
2000
2500
2500
2
额定功率（kW）
1600
2000
2000
3
额定电压（kV）
6.3
6.3
6.3
4
额定电流（A）
183.2
229.1
229.1
5
额定功率因数（滞后）
0.80
0.80
0.80
6
额定转速（rpm）
750
750
750
7
极距TA（mm）
431.97
431.97
431.97
8
定子外径Da（mm）
1430
1430
1430
9
定子内径Di（mm）
1100
1100
1100
10
铁芯长度Lt（mm）
650
650
650
11
定子线规a1×b1（mm×mm）
2.26×8.6
2.5×9.5
2.5×9.5
12
定子线圈电密Ja（A/mm2）
4.72
4.82
4.82
13
定子线负荷AS（A/cm）
420.1
525.1
525.1
14
定子线圈温升Ocu1（。
C）
48
61
61
15
定子铁芯温升（。
C）
16
转子线圈温升Ocu2（。
C）
59
66
78
17
短路比OKZ
0.93
0.744
0.744
18
纵轴同步电抗Xd
1.254
1.568
1.568
19
纵轴瞬变电抗Xd′
0.241
0.301
0.301
20
纵轴超瞬变电抗Xd″
0.241
0.301
0.191
21
横轴同步电抗Xq
0.688
0.859
0.859
22
横轴瞬变电抗Xq′
0.688
0.859
0.859
23
横轴超瞬变电抗Xq″
0.688
0.859
0.859
24
空载励磁电压（V）
21
19
21
25
空载励磁电流（A）
130
125
130
26
额定励磁电压（V）
60
63
68
27
额定励磁电流（A）
263
290
302
28
励磁功率（kW）
15.78
18.27
20.54
29
极身宽Bm（mm）
160
160
160
30
发电机效率（%）
94.1
94.7
94.6
7.1发电机初步改造方案比较
原方案：
发电机电磁方案经校核计算，各电气技术参数匹配均比较合理。
方案
（1）:
发电机通过更换新的定子线圈和转子线圈绝缘改造（均为F级绝缘）功率因数不变，发电机能够满足由1600kW增发到2000kW。
改造后发电机定子线圈和转子线圈的温升分别为61C0和66C0。
由于线圈的绝缘等级由B级提高至F级，允许运行温度可以达到120C0。
通常机组环境温度不大于40C0，因此改造后发电机定、转子的允许温升为80C0。
方案
（2）：
发电机通过更换F级绝缘新定子线圈，功率因数不变，发电机满足由1600kW增发到2000kW。
改造后发电机定转子线圈温升为61C0和78C0。
7.2发电机增容改造初步结论
由以上电磁计算校核及方案比较和充分的技术性经济性比较，我公司推荐第二方案，即仅更换新的定子线圈并改造转子线圈（均为F级绝缘），功率因数不变，就可以确保发电机由1600kW增发到2000kW。
定、转子线圈温升均符合改造设计技术标准规范。
综上所述，该发电机更换新的F级绝缘定子线圈和转子线圈绝缘改造、可以确保发电机在功率因数为0.80情况下增发至2000kW。
7.3主轴强度校核（初步）
机组改造增容后，额定出力由1600kW提高到最大2200kW，因此应对水轮机主轴的强度进行校核。
主轴的输出额定功率从1698kW，提高到2323kW。
主轴传递的扭矩：
轴身抗扭断面模数：
断面面积：
轴身扭应力：
主轴总轴向力：
式中：
PZ——轴向水推力；
GL——水轮机转动部分重量，约为0.5吨；
GZ——发电机转动部分重量，约为6吨。
HL2517型转轮水推力系数为0.34，则最大轴向水推力为：
主轴总轴向力：
主轴拉应力：
轴身综合应力：
由上述计算结果表明，主轴轴身综合应力基本取决于轴的扭矩，当机组出力为2200kW时，主轴轴身综合应力为388.5kg/cm2。
主轴材料为45号锻钢，其许用应力为，[τ]=400kg/cm2，[σb]=250kg/cm2，[σnp]=850kg/cm2。
上面的计算结果表明，主轴轴身的扭应力τ、拉应力σb和综合应力σnp都在材料的许用应力范围内。
因此，主轴轴身强度满足增容改造的要求。
说明：
主轴和轴承系统的最终详细校核计算结果稍后提供。
8机组增容改造初步报价
报价包括改造范围、经费预算及制造工期。
8.1改造范围
（1）水轮机改造范围包括：
完整的新型HL2517-71水轮机转轮（含泄水锥及拆装工具）；改造转轮的外形结构尺寸完全适合原转轮外形尺寸。
调速器摇臂是否需要改造待定。
有关水轮机部件（如前后盖板更换抗磨板及导叶维修等）是否需要维修，应在现场拆机检查之后再行确定检修方案，费用另计。
（2）发电机改造范围包括：
按额定功率2000kW方案2。
更换新的定子线圈和转子线圈，绝缘等级均为F级。
具体工作包括新定、转子线圈的制作及在电站现场更换线圈工作。
8.2改造经费预算
（1）新型高效改造转轮设计研制费14万元/台套（上冠材质ZG20SiMn，叶片和下环材质为ZG06Cr13Ni4Mo），含现场更换转轮技术服务。
（2）发电机定、转子线圈（F级绝缘）更新改造制作费（含现场更换技术服务）30万元/台套。
综上所述，壹台套水轮机转轮和发电机增容改造总报价为44万元。
初步报价说明：
由于近期部分原材料价格波动较大，故本报价有效期为30d。
8.3制造工期
从正式签订合同起算，在每次付款均按合同要求按时到位的条件下，全部改造设备在4.5个月内完成设计加工制造。
其中新转轮停机更换时间≤2d；发电机定、转子线圈现场更换一台机需要15d左右。
9改造效益初步估算
通过对机组增容技术改造，可获得下述两方面的经济效益。
9.1效率提高可增发电量
本站机组改造后，水轮机效率将有一定提高，在相同来水量的条件下可增发电量。
平均效率由改造前的87%提高到改造后的88%，可年增电量约26万kWh。
9.2增容后增发电量
改造后由于水轮机过流能力提高，两台机组额定出力可以提高800kW左右，如按满负荷运行8000h计算，可年增发电量640万kWh。
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