尚立才

(民樂縣洪水河管理處雙樹寺水電站，甘肅 民樂 734500)

雙樹寺電站電氣化縣改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)優(yōu)化及調(diào)試運(yùn)行對策

尚立才

(民樂縣洪水河管理處雙樹寺水電站，甘肅 民樂 734500)

為消除雙樹寺電站水工建筑病險隱患，解決機(jī)電設(shè)備老化、發(fā)展進(jìn)入瓶頸的問題，通過相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化，減少棄水，增大流量；在裝機(jī)容量新確定為1600kW時，選擇混流式機(jī)組；并對壓力管道設(shè)計(jì)、水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)、水輪機(jī)吸出高度確定、安裝高程設(shè)計(jì)等進(jìn)行總體優(yōu)化；調(diào)試運(yùn)行過程中，針對導(dǎo)水葉密封不嚴(yán)、軸瓦溫度過高、水輪機(jī)出力不足、發(fā)電機(jī)振蕩和失步問題，研究補(bǔ)救措施和解決技術(shù)方案。技改后，原有的病險隱患消除，效益顯著，電站實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村水電安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)目標(biāo)，有效保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，推進(jìn)了綠色小水電建設(shè)發(fā)展進(jìn)程。

小水電；擴(kuò)容；設(shè)計(jì)優(yōu)化；安裝調(diào)試；故障判斷；運(yùn)行對策

1 工程概況

洪水河是黑河水系的一條支流，多年平均徑流量1.21億m3。已建雙樹寺水庫，庫容2580m3。雙樹寺電站為壩后引水式電站，1975年建成發(fā)電，原裝機(jī)容量2×630kW，年設(shè)計(jì)發(fā)電量450萬kW·h，多年平均發(fā)電量400萬kW·h，其建成對民樂縣農(nóng)村電氣化建設(shè)起到了示范引領(lǐng)作用。經(jīng)多年運(yùn)行，存在水工建筑病險嚴(yán)重、金屬結(jié)構(gòu)銹蝕、機(jī)電設(shè)備老化等問題。電站安全隱患突出，故障多，出力低，水能資源浪費(fèi)嚴(yán)重，效益下降，發(fā)展進(jìn)入瓶頸。根據(jù)《國家發(fā)展改革委、水利部關(guān)于下達(dá)農(nóng)村小水電項(xiàng)目2012年中央預(yù)算內(nèi)投資計(jì)劃的通知》(發(fā)改投資[2012]799號)，電站被列入2012年水電新農(nóng)村電氣化建設(shè)中央補(bǔ)助投資項(xiàng)目。

2 相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化

2.1 設(shè)計(jì)水頭

根據(jù)洪水河多年平均徑流量成果及灌區(qū)灌溉新模式確定引水方案，確定雙樹寺水庫最高水位2478m，水庫最低水位2443m，最高尾水位2419.4m，最低尾水位2417.8m，水頭損失0.8～1.3m，計(jì)算得水頭參數(shù)如下：

最大凈水頭：Hmax=59m；

最小凈水頭：Hmin=24m；

設(shè)計(jì)水頭：H設(shè)計(jì)=46m；

加權(quán)平均凈水頭：H=Z上平均-Z下設(shè)計(jì)-h損=48.25m。

2.2 過水流量

2003年以來，電站所屬的洪水河大型灌區(qū)實(shí)施了全國大中型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目和雙樹寺水庫除險加固，渠道輸水能力進(jìn)一步增大，灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)和灌溉制度發(fā)生重大變化，相應(yīng)水庫放水過程也根據(jù)灌區(qū)要求進(jìn)行了調(diào)整，水庫放水流量較往年有所增大，近幾年水庫放水流量平均在2.5～6.5m3/s，水庫引水流量被雙樹寺電站全部利用后仍有大量棄水沒有被充分利用。為了減少棄水，充分利用水資源，現(xiàn)將機(jī)組過水流量增大至4.44m3/s。

2.3 裝機(jī)規(guī)模

裝機(jī)規(guī)模的確定采用設(shè)計(jì)代表年法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)電站設(shè)計(jì)水頭與過水流量，依據(jù)機(jī)電設(shè)備選用性能要求確定水輪機(jī)效率為89%，發(fā)電機(jī)效率為94%。取設(shè)計(jì)灌溉保證率為電站保證率，設(shè)計(jì)保證率為P=50%，水電站的出力按照下式計(jì)算：

式中η水——水輪機(jī)效率，取89%；η發(fā)——發(fā)電機(jī)效率，取94%；Q——靜引水流量，為4.44m3/s；H靜——發(fā)電凈水頭，為46m。

電站裝機(jī)容量粗略計(jì)算如下：

根據(jù)電站的實(shí)際水頭與流量情況，結(jié)合以上效率要求，電站裝機(jī)容量確定為1600kW。

2.4 機(jī)組臺數(shù)確定

原設(shè)計(jì)裝機(jī)容量1260kW，由于受到水庫放水流量變化和機(jī)組故障的影響，電站被列為民樂縣水電新農(nóng)村電氣化縣項(xiàng)目，對機(jī)組進(jìn)行技改，根據(jù)電站設(shè)計(jì)水頭與過水流量，依據(jù)機(jī)電設(shè)備選用性能要求確定水輪機(jī)效率和發(fā)電機(jī)效率等裝機(jī)規(guī)模。因此, 結(jié)合電站實(shí)際分析比較，設(shè)計(jì)新更換兩臺混流式機(jī)組(2×800kW)。

2.5 機(jī)組類型選擇

流量變化幅度非常大，因此機(jī)組臺數(shù)應(yīng)選擇大于或等于兩臺，根據(jù)電站46m設(shè)計(jì)水頭，可以選擇混流式機(jī)組兩臺，雖然機(jī)組功率小，但比較適應(yīng)水頭和流量變幅均較大的特點(diǎn)，同時設(shè)備投資也較節(jié)省，因此必須選擇適合該水頭范圍的混流式水輪機(jī)。該水頭范圍水輪機(jī)型號為HLA551-WJ-55。

3 工程總體布置的優(yōu)化

3.1 地質(zhì)條件

電站坐落于洪積含礫砂土及沖積砂卵礫石層上，層厚分別是0～3.5m及2.5～4.0m；基礎(chǔ)坐落于白堊系地層的砂礫巖層上，砂礫巖層間夾少量黏土質(zhì)砂巖，巖層產(chǎn)狀NW330° SW<23°。廠房位于洪水河左岸Ⅰ級階地上，建基高程2416.17m，基礎(chǔ)置于砂礫巖層上。尾水渠表層為人工堆積塊石碎石土，厚0.5m，其下為砂礫層厚3.7m、卵石層厚1m，尾水渠基礎(chǔ)置于卵石層與黏土質(zhì)砂層交界處。設(shè)計(jì)在原工程布置與建筑物設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，根據(jù)國標(biāo)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—94)，工程等級為Ⅵ等，主要建筑物按5級設(shè)計(jì)。

3.2 壓力管道設(shè)計(jì)

電站從水庫隧洞引水，原來的主壓力鋼管內(nèi)徑為100cm，支管內(nèi)徑為70cm，已不能滿足現(xiàn)在技改的需要，根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 281—2003)規(guī)定，適宜的鋼管的經(jīng)濟(jì)流速一般為3～5m/s，管徑D=1.2m，設(shè)計(jì)流量Q=4.7m3/s，設(shè)計(jì)流速v=3.4m3/s；管徑D=0.8m，設(shè)計(jì)流量Q=2.4m3/s，設(shè)計(jì)流速v=3.46m3/s。為了能夠滿足電站技改后的引水要求，將壓力鋼管全部予以更換，主管直徑增至1.2m，壁厚為10mm，支管直徑增至0.8m，壁厚增至10mm。

在技改中，拆除原壓力鋼管周圍混凝土83m3，開挖砂礫石280m3，重新澆筑壓力鋼管周圍混凝土116m3，回填230m3。新制作壓力鋼管主管22.25m，管徑1.2m，壁厚10mm；支管19.7m，管徑0.8m，壁厚10mm，約10.9t；重新進(jìn)行安裝；更換蝶閥一臺。

3.3 水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)

根據(jù)電站水頭引用流量的范圍，對照現(xiàn)行的中小型水輪機(jī)選型資料，適用于電站參數(shù)范圍的水輪機(jī)型有HLD41-71、HLA551-WJ-55、HLD41-WJ-71，這些水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪是近年來國內(nèi)廠家新研制的，不僅具有較高的能量指標(biāo)，而且也有良好的汽蝕特性。上述機(jī)型均屬常規(guī)機(jī)型，有著十分成熟和完善的制造技術(shù)以及豐富的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)。因此，將上述三種轉(zhuǎn)輪作為比選轉(zhuǎn)輪，分別就其模型參數(shù)和真機(jī)計(jì)算參數(shù)及各相關(guān)特性進(jìn)行比較和論證。

3.4 水輪機(jī)吸出高度及安裝高程

水輪機(jī)吸出高度計(jì)算如下：

=0.33m

根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算得吸出高度為Hs=0.33m。

安裝高程確定如下：

式中 D1——水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑。

4 調(diào)試問題及故障處理

4.1 調(diào)試問題

4.1.1 導(dǎo)水葉密封不嚴(yán)，導(dǎo)葉開關(guān)力矩較大

在試運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，開啟導(dǎo)葉比較困難；停機(jī)時，導(dǎo)葉封水不嚴(yán)密，漏水較大，機(jī)組轉(zhuǎn)速不能降至額定轉(zhuǎn)速的30%以下。對此進(jìn)行認(rèn)真分析和檢查，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水葉與頂蓋和底環(huán)之間的間隙過小，且在導(dǎo)葉軸孔處頂蓋和底環(huán)均已磨出深溝槽(約1.5mm)，故按設(shè)計(jì)要求重新調(diào)整導(dǎo)葉與頂蓋和底環(huán)之間的間隙,并用金屬膠填充導(dǎo)葉軸孔處頂蓋底環(huán)磨損的溝槽。處理后，導(dǎo)葉開、關(guān)自如,密封嚴(yán)密。

4.1.2 機(jī)組軸瓦溫度過高

調(diào)試期間，2號機(jī)組后導(dǎo)軸承隨著功率的增加溫度緩慢持續(xù)上升，運(yùn)行40多分鐘溫度就達(dá)到63℃，而且還有持續(xù)上升的現(xiàn)象。停機(jī)檢測發(fā)現(xiàn),軸瓦頂部間隙過小是導(dǎo)致溫度過高的主要原因，根據(jù)技術(shù)要求和間隙實(shí)測數(shù)據(jù),經(jīng)過計(jì)算,在軸瓦組合面加墊符合要求的墊片進(jìn)行處理。處理后機(jī)組軸瓦溫度始終保持在45℃左右。

4.2 故障處理

4.2.1 水輪機(jī)故障

a. 水輪機(jī)出力不足。造成水輪機(jī)出力不足主要由三方面因素：?進(jìn)水口攔污柵堵塞，阻力增大，使攔污柵前后水位差增加，進(jìn)入機(jī)組的水頭與流量減少，機(jī)組出力不足；?轉(zhuǎn)輪葉片過水流道堵塞，小型混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪流道狹窄、扭曲，運(yùn)行中因攔污柵柵條間距過大，或隧洞中碎石、雜物落入并堵塞轉(zhuǎn)輪流道，影響水輪機(jī)出力；?止漏環(huán)間隙不符合設(shè)計(jì)要求，間隙過小會導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行時轉(zhuǎn)輪與固定部件擦殼而使出力減小，間隙過大又會造成部分水流不做功而從間隙白白流過，也會使水輪機(jī)出力減少。

b. 剪斷銷剪斷。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在動作過程中，個別導(dǎo)葉被異物卡住或因其他原因使導(dǎo)葉不能轉(zhuǎn)動，剪斷銷剪斷，以此保護(hù)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)安全。

c. 防治措施：?提高攔污柵質(zhì)量，并保持完好率，防止過大漂浮物經(jīng)由引水室進(jìn)入導(dǎo)葉；?提高導(dǎo)水機(jī)構(gòu)質(zhì)量，導(dǎo)葉應(yīng)靈活、無別勁。

d. 處理方法：?首先判斷剪斷銷剪斷原因，將調(diào)速器切到手動位置，調(diào)整導(dǎo)葉開度以適應(yīng)修理需要，便于在不停機(jī)條件下更換剪斷銷；?若在運(yùn)行中無法修理，應(yīng)及早停機(jī)，關(guān)閉主閥后，再更換導(dǎo)葉剪斷銷。

4.2.2 發(fā)電機(jī)故障

a. 發(fā)電機(jī)失步和振蕩。發(fā)生失步現(xiàn)象時，值班人員不要慌張，應(yīng)采取下列補(bǔ)救措施：?設(shè)法增加發(fā)電機(jī)的勵磁電流，以增加同步的電磁轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)在達(dá)到平衡點(diǎn)附近時被拉入同步；?當(dāng)已判明是某臺發(fā)電機(jī)失步時，可適當(dāng)減輕其有功輸出功率，以創(chuàng)造條件讓發(fā)電機(jī)恢復(fù)同步；?按上述方法處理，經(jīng)1～2min后仍不能恢復(fù)同步時，則可將失步發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)解列。

b. 發(fā)電機(jī)三相定子電流不平衡。值班人員在

監(jiān)視運(yùn)行表時，如發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)三相定子電流不平衡，并且超過規(guī)定值，應(yīng)立即調(diào)整負(fù)荷，應(yīng)于2min內(nèi)減低負(fù)荷，使定子電流的不平衡值控制在額定電流的10%以內(nèi)，并且最大一相定子電流不大于額定值。

發(fā)電機(jī)在定子電流不平衡狀態(tài)下運(yùn)行時，值班人員應(yīng)尋找或判明故障原因，如是否由于發(fā)電機(jī)及其回路中一相斷開；是否由于斷路器一相接觸不良(可能性最大)；送電線路是否全相運(yùn)行；系統(tǒng)單相負(fù)荷是否過大(后兩點(diǎn)可以通過觀測同站的另外機(jī)組判斷)，根據(jù)不同原因進(jìn)行處理。

c. 發(fā)電機(jī)的欠磁或失磁。并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)失磁后有以下現(xiàn)象：轉(zhuǎn)子電流指示為零或接近零，定子電壓降低(由于從系統(tǒng)吸收無功所致)；勵磁電壓為零(當(dāng)勵磁系統(tǒng)故障時)或正常(當(dāng)轉(zhuǎn)子回路開路時)；定子電流顯著增大，甚至?xí)霈F(xiàn)過負(fù)荷信號；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速略有升高；有功表指示較正常值低；無功表指示低于零位等。

發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)欠磁或失磁時，值班人員應(yīng)降低有功負(fù)荷，使定子電流不超過額定值，手動增加發(fā)電機(jī)的勵磁電流，使其脫離不正常運(yùn)行。若還不能恢復(fù)正常就立即停機(jī)，待查明原因后，再啟動、并列。

5 結(jié) 語

雙樹寺電站技改后運(yùn)行三年來，發(fā)電量較改造前增加了210萬kW·h，同比增長率為52.5%。該電站成為民樂縣唯一一座省級安全生產(chǎn)達(dá)標(biāo)示范電站?？梢?，改造成效是顯著的。

[1] 王永年. 小型水電站[M].北京：電子工業(yè)出版社，1990：31，61，106.

[2]SL281—2003 《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》[S].北京：中國水利水電出版社，2013.

[3] 蔣金珠.工程水文及水利計(jì)算[M].北京：中國水利出版社，1992：221-223.

Operation Strategies for Design Optimization and Debugging of Electrification County Reconstruction Project in Shuangshu Temple Hydropower Station

SHANG Licai

(ShuangshuTempleHydropowerStationofHongshuiRiverManagementBureauofMinleCountry,Minle734500,China)

In order to eliminate the hidden dangers of hydrotechnical construction in Shuangshu Temple hydropower station and to solve the aging of mechanical and electrical equipment and the problem of development stalled, it is possible to reduce the abandoned water and increase the flow through optimization calculations of relevant parameters; When the new installed capacity is determined at 1600kW, select the Francis turbine unit; In addition, carry out the overall layout optimization of the design of pressure piping, the lectotype design of hydraulic turbine, the suctcon height determination of the hydraulic turbine and the design of installation height; During the processes of debugging and running, research the remedial measures and technical solutions to the following cases that the sealing of the guide vane is not tight, the temperature of the bearing is too high, the insufficient output of turbine oscillation and out-of step problem of generator. After the technical transformation, the original hidden dangers are eliminated and the generated benefits are significant. In all, the power station has realized the construction goal of standardized rural hydropower safety in production, effectively protected the ecological environment, and has promoted the development process of the green small hydropower construction.

small hydropower; capacity expansion; design optimization; installation and debugging; fault judgment; operation strategy

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.01.011

TV737

B

1673-8241(2017)01- 0035- 04