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[摘要]澄碧河水電站于1964年興建，裝機(jī)為4×6.5MW，1997~2000年通過改造擴(kuò)容為4×7.5MW，但改造后水輪機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的空蝕問題，2012年再次啟動改造。介紹了增效擴(kuò)容改造工程的設(shè)計以及實(shí)施過程中遇到的問題和處理方案。

[關(guān)鍵詞]澄碧河水電站；增效擴(kuò)容改造；設(shè)計；實(shí)施；處理方案

1工程背景

廣西百色市澄碧河水庫于1958年9月動工興建，1961年10月基本建成，后經(jīng)1963~1978年和1987~1998年兩次加固方形成現(xiàn)有規(guī)模。澄碧河水庫樞紐工程主要由大壩、溢洪道、引水發(fā)電管、壩后電站等建筑物組成。澄碧河水電站于1964年興建，裝機(jī)為4×6.5MW，于1966年后相繼投產(chǎn)發(fā)電。由于電站設(shè)備老化，1997~2000年，澄碧河水庫管理局對電站水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)施了增容技術(shù)改造。發(fā)電機(jī)定子部分全部更換新線圈，轉(zhuǎn)子部分除1#機(jī)外全部更換新線圈；水輪機(jī)部分全部更換新型轉(zhuǎn)輪。改造后電站轉(zhuǎn)輪由原來的HL702-LJ-140更換為HLJF2513-LJ-140型轉(zhuǎn)輪，電站裝機(jī)擴(kuò)容為4×7.5MW，額定水頭52m，單機(jī)額定流量17.05m3/s。但是，改造后水輪機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的空蝕問題（見圖1）。另外，電站機(jī)組運(yùn)行自動化監(jiān)控、保護(hù)水平低，安全隱患大，嚴(yán)重影響電廠的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。為滿足電廠安全運(yùn)行、節(jié)能減排的需要，滿足當(dāng)前社會發(fā)展、企業(yè)生存發(fā)展和提高企業(yè)職工收入的需要，需要再次進(jìn)行增效擴(kuò)容改造。

2改造設(shè)計

2.1水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造方案

1997年改造更換的HLJF2513轉(zhuǎn)輪是中國水利水電科學(xué)研究院水力機(jī)電研究所在1994年專門為澄碧河水電站擴(kuò)容改造而研發(fā)的轉(zhuǎn)輪，該轉(zhuǎn)輪以中國水科院為三峽工程開發(fā)的JF2803、JF2806為基礎(chǔ)而研發(fā)，具有效率高、限制流量大的特點(diǎn)。從理論上分析，該轉(zhuǎn)輪的水力性能是符合澄碧河水電站運(yùn)行條件的，然而該次改造后水輪機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生了較為嚴(yán)重的空蝕，嚴(yán)重影響到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行和電站的經(jīng)濟(jì)效益?？梢娺x擇適合澄碧河電站運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)輪是本工程設(shè)計的重點(diǎn)。為減少工程投資，確?，F(xiàn)有電站廠房結(jié)構(gòu)安全，本次增效擴(kuò)容改造工程設(shè)計的原則是保留原機(jī)組流道蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、座環(huán)和尾水管埋件，電站裝機(jī)臺數(shù)按原電站裝機(jī)臺數(shù)4臺，因此所選擇的替代轉(zhuǎn)輪直徑須與舊轉(zhuǎn)輪一致；導(dǎo)葉相對高度基本與原水輪機(jī)一致；新轉(zhuǎn)輪在限制工況空蝕性能要優(yōu)于現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪；同時新轉(zhuǎn)輪過流能力必須滿足現(xiàn)有機(jī)組流道、水輪機(jī)埋設(shè)部件不改造的限制條件。另外，由于電站的發(fā)電機(jī)在1997年進(jìn)行改造時除1#機(jī)組的轉(zhuǎn)子外已全部更新，因此本次改造除更換1#機(jī)組轉(zhuǎn)子線圈、提高絕緣等級外，發(fā)電機(jī)其余部件基本不再改造，則新的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪額定轉(zhuǎn)速必須維持375r/min不變?；谏鲜鲞吔缦拗茥l件，經(jīng)過分析比較，選擇X型葉片的JF2529C轉(zhuǎn)輪為理論計算基礎(chǔ)，分析適合電站水頭段轉(zhuǎn)輪的比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K、單位轉(zhuǎn)速n11和單位流量Q11、模型空化系數(shù)бm、效率η等參數(shù)水平，提出澄碧河水電站水輪機(jī)新轉(zhuǎn)輪的目標(biāo)參數(shù)。針對澄碧河水電站無運(yùn)行棄水的特點(diǎn)，與舊轉(zhuǎn)輪相比，提出的新轉(zhuǎn)輪目標(biāo)參數(shù)效率高、單位流量略低，空化性能更優(yōu)。

2.2采用當(dāng)前成熟的材料技術(shù)和先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)計手段實(shí)施機(jī)組改造

根據(jù)研究成果，結(jié)合項目特點(diǎn)，精心編制機(jī)組改造招標(biāo)文件，詳細(xì)說明機(jī)組改造所有限制條件，提出轉(zhuǎn)輪（包括葉片和下環(huán)）材質(zhì)均采用抗空蝕、耐磨損的材料，增強(qiáng)轉(zhuǎn)輪抗空蝕效果；同時提出中標(biāo)機(jī)組廠家必須采用先進(jìn)的CFD技術(shù)分析新轉(zhuǎn)輪對電站多個限制邊界條件的適應(yīng)性。通過招標(biāo)采購，選用HLA835c-35轉(zhuǎn)輪替代舊轉(zhuǎn)輪，新轉(zhuǎn)輪（包括葉片和下環(huán)）材質(zhì)選用抗空蝕、耐磨損的不銹鋼材料ZG06Cr16Ni5Mo，應(yīng)用VOD超低碳精煉技術(shù)進(jìn)行鋼水冶煉以確保轉(zhuǎn)輪鑄件的品質(zhì)及綜合性能。南寧廣發(fā)重工發(fā)電設(shè)備有限責(zé)任公司（中標(biāo)廠家，以下簡稱“南寧廣發(fā)重工”）委托哈爾濱大電機(jī)研究所對HL702轉(zhuǎn)輪流道和HLA835c-35轉(zhuǎn)輪進(jìn)行CFD分析，通過CFD流體力學(xué)分析，模擬新轉(zhuǎn)輪在現(xiàn)狀流道中的運(yùn)行狀態(tài)，對比新轉(zhuǎn)輪與目標(biāo)參數(shù)的吻合度，驗(yàn)證新轉(zhuǎn)輪的優(yōu)越性。

2.3因地制宜，注重細(xì)節(jié)

為將有限的改造資金充分利用在機(jī)電設(shè)備更新升級，確?，F(xiàn)有電站廠房結(jié)構(gòu)安全，本次增效擴(kuò)容改造廠房土建結(jié)構(gòu)基本不改變，因此所有機(jī)電設(shè)備更新改造方案必須符合現(xiàn)有廠房布置條件。澄碧河水電廠于1964年興建，設(shè)計圖紙資料有缺失，特別是廠房土建結(jié)構(gòu)圖和布置尺寸圖不全。為確保改造方案可行，設(shè)計人員多次前往電站現(xiàn)場，復(fù)核廠房和開關(guān)站布置尺寸、土建結(jié)構(gòu)，與業(yè)主充分溝通后確定改造方案并因地制宜地開展施工圖設(shè)計。電站廠房水輪機(jī)層、水輪機(jī)進(jìn)水蝶閥層通道狹窄、機(jī)電設(shè)備布置尺寸緊張，現(xiàn)場廠房尺寸復(fù)核工作尤為必要。

2.4力求改造方案效益最大化

由于本次改造資金有限，難以一步到位更新全廠所有機(jī)電設(shè)備，因此設(shè)計人員對電廠原有設(shè)備運(yùn)行情況和性能參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，在此基礎(chǔ)上與澄碧河水庫管理局反復(fù)溝通協(xié)調(diào)，保留部分狀況尚可的設(shè)備，選擇對電站安全穩(wěn)定運(yùn)行影響較大、不滿足節(jié)能型產(chǎn)品要求或者為提高電站自動化水平、實(shí)現(xiàn)電廠綜合自動化、減輕運(yùn)行人員勞動強(qiáng)度、增加電廠效益需要更新的設(shè)備進(jìn)行改造。

3改造內(nèi)容

經(jīng)過分析研究，確定本次增效擴(kuò)容改造工程的主要改造項目如下：

3.1水力機(jī)械

⑴水輪機(jī)保留蝸殼、座環(huán)、尾水管等埋設(shè)部件，更換4臺套水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪；⑵更換4臺套水輪機(jī)的大部分水輪機(jī)自動化元件，并增加一部份自動化元件，以滿足機(jī)組自動控制需求；⑶更換4臺套舊調(diào)速器及其油壓裝置，以滿足水輪機(jī)、水輪機(jī)調(diào)壓閥的聯(lián)動控制要求和實(shí)現(xiàn)電廠微機(jī)綜合自動化監(jiān)控；⑷拆除4臺套舊放空閥，更新為4臺套水輪機(jī)調(diào)壓閥，以滿足引水發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證及安全與穩(wěn)定運(yùn)行的要求；⑸更換電廠油、氣、水系統(tǒng)的部分設(shè)備和自動化元件，以實(shí)現(xiàn)電廠自動化監(jiān)控。

3.2電氣工程

⑴更換1#水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈，將轉(zhuǎn)子絕緣等級由B級提高到F級；⑵更換2臺水輪發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)，包括變壓器、勵磁屏等；⑶更換4臺套水輪發(fā)電機(jī)的滑環(huán)部件及上蓋板，拆除原發(fā)電機(jī)的勵磁機(jī)部件（與滑環(huán)做成一個部件）；⑷更換4臺水輪發(fā)電機(jī)制動系統(tǒng)（含制動閘、集塵系統(tǒng)、制動屏）；⑸為預(yù)留水輪發(fā)電機(jī)超發(fā)電能輸出及電網(wǎng)35kV側(cè)系統(tǒng)電能向110kV側(cè)系統(tǒng)輸入能力，電廠3B主變?nèi)萘坑稍瓉?0000kVA增容至31500kVA，并將電站原用的高損耗、已淘汰的變壓器更換成S11新型節(jié)能低耗變壓器；⑹拆除7B1000kVA變壓器，保留6B3150kVA變壓器，將近區(qū)10.5kV配電裝置由戶外式更換為戶內(nèi)式，與原有10.5kV近區(qū)I段母線并聯(lián)運(yùn)行，接成單母線分段接線；⑺更換電站原用已運(yùn)行多年的10.5kV、35kV、110kV配電裝置；⑻更換4B、5B廠用變壓器、動力配電箱等，采用干式低能耗變壓器；⑼更換電站照明系統(tǒng)，采用節(jié)能型燈具、重新敷設(shè)照明線路；⑽檢修維護(hù)防雷及接地部分；⑾增設(shè)電廠計算機(jī)綜合自動化系統(tǒng)；⑿增加輔機(jī)遠(yuǎn)程智能控制設(shè)備；⒀更換電站繼電保護(hù)設(shè)備；⒁增設(shè)電廠視頻系統(tǒng)；⒂更換電廠電力電纜、二次信號控制電纜，更換水輪機(jī)層電纜橋架。

3.3升壓站修復(fù)改造

⑴拆除重建圍墻（含大門）。⑵改造設(shè)備構(gòu)、支架及電纜溝。部分拆除并重建原110kV、35kV構(gòu)架及110kV、35kV和10kV設(shè)備支架；對配置有操作機(jī)構(gòu)的設(shè)備相應(yīng)設(shè)置絕緣地面；新建電纜溝，總長16.4m。⑶修復(fù)改造后破壞設(shè)施。對構(gòu)、支架拆除及基礎(chǔ)開挖破壞的排水系統(tǒng)、原硬化場地及電纜溝進(jìn)行修復(fù)復(fù)原。⑷改造后重新敷設(shè)升壓站人工接地網(wǎng)。

4實(shí)施改造

4.1實(shí)施過程

2012年，《百色市澄碧河水電站增效擴(kuò)容改造工程初步設(shè)計報告》編制完成并審查通過。2013年，完成機(jī)電設(shè)備采購和安裝施工招標(biāo)。2014年12月30日首臺機(jī)組改造完成、通過啟動驗(yàn)收投產(chǎn)發(fā)電，2015年6月15日4臺機(jī)組全部改造完成，2015年12月28日，百色市澄碧河水電廠增效擴(kuò)容改造工程通過廣西水利廳委托百色市水利局組織的完工驗(yàn)收。

4.2CFD分析不足之處

本次改造南寧廣發(fā)重工對轉(zhuǎn)輪性能的CFD分析存在以下不足之處：⑴由于缺乏HLJF2513轉(zhuǎn)輪的葉片型線數(shù)據(jù)，且機(jī)組流道維持HL702轉(zhuǎn)輪流道不變，因此本次CFD分析是針對HL702轉(zhuǎn)輪流道、對HLA835c-35轉(zhuǎn)輪與HL702轉(zhuǎn)輪進(jìn)行CFD對比分析，未能直接對HLA835c-35轉(zhuǎn)輪與本次改造前HLJF2513轉(zhuǎn)輪進(jìn)行CFD對比分析。⑵未能對轉(zhuǎn)輪和活動導(dǎo)葉作為一個整體進(jìn)行藕合CFD分析。⑶分析成果缺乏轉(zhuǎn)輪與現(xiàn)狀轉(zhuǎn)輪的效率、葉片工作面（正面/正壓面）壓力和背面（負(fù)壓面）壓力、空化特性、轉(zhuǎn)輪出口及尾水管壓力分布等的一些數(shù)值比較表。⑷分析成果缺乏采用HLA835C型轉(zhuǎn)輪后，原型水輪機(jī)效率的CFD解析預(yù)測值表。⑸分析成果未提出新模型轉(zhuǎn)輪應(yīng)用于本工程時的模型水輪機(jī)初生和臨界空化性能預(yù)測線、葉道渦初始線和發(fā)展線（應(yīng)重視額定水頭和低水頭下低負(fù)荷工況（相應(yīng)水頭下最大保證功率的0～80%）時的轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流態(tài)分析，分析其轉(zhuǎn)輪靠近下環(huán)處是否會有強(qiáng)烈的葉道渦存在）、無渦區(qū)等，以便指導(dǎo)真機(jī)運(yùn)行時的穩(wěn)定運(yùn)行范圍。綜上所述，新轉(zhuǎn)輪的CFD分析只能作為設(shè)計參考，實(shí)際轉(zhuǎn)輪性能有待實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行效果驗(yàn)證。

4.3施工過程遇到問題和處理方案

增效擴(kuò)容工程施工的難點(diǎn)是新舊設(shè)備的銜接、新設(shè)備與廠房原土建結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)。即便招標(biāo)設(shè)計和施工圖設(shè)計做得認(rèn)真細(xì)致，新設(shè)備運(yùn)到現(xiàn)場后，安裝施工過程中仍然難以避免出現(xiàn)一些問題，比如：（1）1997年改造前1#水輪機(jī)額定出力6900kW，其他3臺機(jī)組的額定出力為6550kW，本次改造本應(yīng)特別注意，但業(yè)主、設(shè)計院、南寧廣發(fā)重工都忽略了這一點(diǎn)，未通過現(xiàn)場復(fù)核尺寸發(fā)現(xiàn)原有機(jī)組1#機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)控制環(huán)尺寸與其他3臺機(jī)組不同，導(dǎo)葉接力器行程須比電廠其他3臺機(jī)組長，導(dǎo)致1#機(jī)的新接力器須返廠更換；（2）2#機(jī)的主軸水輪機(jī)端法蘭孔徑較其他3臺機(jī)組小，因4臺機(jī)新轉(zhuǎn)輪的聯(lián)接螺栓統(tǒng)一直徑為M64×4，2#機(jī)主軸水輪機(jī)端法蘭孔需要擴(kuò)孔；（3）本次改造前原轉(zhuǎn)輪總高度為788.2mm，與尾水錐管法蘭間隙為20mm。改造后新轉(zhuǎn)輪總高度為798.2mm，比原轉(zhuǎn)輪高10mm，與尾水錐管法蘭間距為10mm。發(fā)電機(jī)軸與水輪機(jī)軸連接端止口高度為12mm，水輪機(jī)軸與發(fā)電機(jī)軸連接端裝配槽深1mm，聯(lián)軸裝配時，由于發(fā)電機(jī)軸與水輪機(jī)軸法蘭面間距為10mm，比止口高度12mm少1～2mm，發(fā)電機(jī)軸下端止口頂住水輪機(jī)軸法蘭，影響機(jī)組聯(lián)軸及盤車。問題出現(xiàn)后，設(shè)計人員提出以下3個處理方案：①打磨或車削發(fā)電機(jī)軸與水輪機(jī)軸連接端止口端面3mm，使止口高度由12mm減為9mm，此方案工作量少，不會影響設(shè)備的性能。由于止口側(cè)面為精配合面，施工時須采取有效措施防止止口變形；②切割尾水錐管法蘭面以下的錐管，裁去活量后再焊接尾水管進(jìn)口段，使尾水錐管法蘭高程下降10mm，宜結(jié)合尾水管進(jìn)口的改造一起進(jìn)行，使尾水錐管與轉(zhuǎn)輪出口順暢連接，減少尾水管進(jìn)口與轉(zhuǎn)輪出口流道突變造成的效率降低和空蝕破壞。由于需要切割尾水錐管及加工新的尾水錐管進(jìn)口段，并對土建部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，此方案的工作量較大，但效果最好；③把機(jī)組尾水管法蘭面下磨2～3mm，這是南寧廣發(fā)重工推薦的方案，由于下磨法蘭面會使錐管法蘭變薄，而且現(xiàn)場處理法蘭面工藝不好控制，工作量大，加上本電站空蝕性能不好，經(jīng)過處理后的尾水錐管法蘭處空蝕可能會變得更嚴(yán)重。經(jīng)過設(shè)計院、業(yè)主、南寧廣發(fā)重工共同研究，從工作量、進(jìn)度、施工難度綜合考慮，最后采用方案③現(xiàn)場處理。

5改造完成投產(chǎn)后的實(shí)際效果

百色市澄碧河水電廠增效擴(kuò)容改造工程于2015年12月28日通過廣西水利廳委托百色市水利局組織的完工驗(yàn)收。工程設(shè)計概算為2695.41萬元，完工驗(yàn)收結(jié)算投資2291.5萬元，節(jié)約投資約400萬元。本次增效擴(kuò)容改造維持原裝機(jī)容量4×7.5MW。改造前1997～2011年實(shí)際年平均發(fā)電量為1.116億kW•h，裝機(jī)利用小時數(shù)3722h；改造后相應(yīng)多年平均發(fā)電量為1.35億kW•h，裝機(jī)利用小時數(shù)4496h，比改造前增加發(fā)電量0.234億kW•h。自2014年12月30日首臺機(jī)組改造完成、通過啟動驗(yàn)收投產(chǎn)發(fā)電運(yùn)行至今一切正常。2015年6月15日4臺機(jī)組全部改造完成，2015年4臺機(jī)組單機(jī)運(yùn)行最高出力分別為1#機(jī)7.9MW、2#機(jī)7.9MW、3#機(jī)7.6MW、4#機(jī)8.0MW。2015年受澄碧河水庫除險加固工程影響，水庫最高蓄水位為181.5m，未達(dá)到水庫正常蓄水位185m，但水電廠年發(fā)電量仍達(dá)到1.4億kW•h，超過改造前實(shí)際年平均發(fā)電量，亦超過本次改造設(shè)計多年平均發(fā)電量1.35億kW•h，緩解了百色電網(wǎng)地方電力需求，促進(jìn)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。。

（1）在機(jī)組出力和效率方面。2015年1月16日澄碧河水庫管理局會同百色市大流量水表檢定站對3臺機(jī)組進(jìn)行檢測。在水庫蓄水位172.87m工況，尚未改造的2#機(jī)組單機(jī)運(yùn)行出力為6.2MW，發(fā)電用水量為20.791～21.4m3/s，平均每1MW用水量約3.4m3/s。已經(jīng)完成改造的3#、4#機(jī)組單機(jī)運(yùn)行出力為6.0MW，單機(jī)發(fā)電用水量為14.71～15.21m3/s，平均每1MW用水量為2.5m3/s，改造后平均每1MW發(fā)電用水量減少0.9m3/s，機(jī)組效率明顯提高。

（2）水輪機(jī)空蝕性能方面。新轉(zhuǎn)輪HLA835c-35在限制工況時的空蝕系數(shù)σ=0.12，遠(yuǎn)小于舊轉(zhuǎn)輪的σ=0.14，且當(dāng)σ≤0.136（對應(yīng)的Hs=-0.73m）時，即可滿足電站機(jī)組安裝高程要求，因此新轉(zhuǎn)輪能滿足澄碧河電站吸出高度要求并有一定余量，新轉(zhuǎn)輪葉片和下環(huán)材質(zhì)選用抗空蝕、耐磨損的材料ZG06Cr16Ni5Mo，明顯改善轉(zhuǎn)輪的抗空蝕性能。新轉(zhuǎn)輪單位轉(zhuǎn)速降低，水輪機(jī)葉片背面脫流空化減少，水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性得到改善。自2015年6月機(jī)組全部改造完成投入運(yùn)行以來，期間經(jīng)過汛期考驗(yàn)，機(jī)組安全度汛沒有出現(xiàn)任何不利情況。4臺機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，溫度與振動值等各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)正常。

（3）在節(jié)能降耗方面。2#主變壓器由SF10000/35型更新為SF11-10000/38.5型，3#主變壓器由SFS20000/110更新為SFSZ11-31500/110，廠用變均由原來鋁芯繞組的油浸式更新為節(jié)能型干式變壓器，有效降低水電廠輸送電能的損耗，電站效益顯著提高。本次改造完成后，電站設(shè)備完備率和綜合自動化水平得到很大提高，減輕了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，提高了電站運(yùn)行的安全性、可靠性。廠房和開關(guān)站面貌一新，廠內(nèi)運(yùn)行環(huán)境和勞動衛(wèi)生條件明顯改善。

作者：劉春燕 單位：廣西水利電力勘測設(shè)計研究院