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1.水輪機增容改造結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

新方案除在水力方面研發(fā)D443a新轉(zhuǎn)輪外，結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，進一步充分認識大渡河泥沙磨蝕的危害性，力求通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免磨蝕破壞的發(fā)生；降低壓力脈動、提高機組運行穩(wěn)定性；同時兼顧電廠改造實施的經(jīng)濟性，盡量減小埋入部分土建改造及配套部件改造的工作量。2005年底，國電大渡河公司與東電簽訂了#7機組的改造合同（因、機的問題，推遲了一年執(zhí)行）。后因電廠設(shè)備狀況及機組檢修周期安排，東方電機為#7機所作的優(yōu)化設(shè)計方案率先在#2機上實施。#7水輪機改造優(yōu)化設(shè)計思路針對水輪機頂蓋磨蝕穿孔低負荷區(qū)強壓力脈動及較強的噪音問題，東方電機在對多個改進方案進行充分比較論證的基礎(chǔ)上，重新制定了#7水輪機增容改造優(yōu)化設(shè)計方案。

2.水力設(shè)計方面

水力設(shè)計新開發(fā)的D443a轉(zhuǎn)輪，能量特性與GE公司的F634基本相當(dāng)，轉(zhuǎn)輪模型最高效率達92.69%，各水頭下均能達到合同規(guī)定的保證出力要求；D443a空化性能略優(yōu)于F634轉(zhuǎn)輪；壓力脈動性能較F634有較大改善；飛逸特性滿足合同保證值。水輪機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面，#7水輪機改造設(shè)計參數(shù)#7水輪機改造與、水輪機改造設(shè)計參數(shù)對比。#7機改造結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計總體結(jié)構(gòu)。#7水輪機改造結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要點。轉(zhuǎn)輪上冠、止漏環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化為克服水輪機磨蝕破壞，#7機改造取消了原GE公司轉(zhuǎn)輪嵌套止漏環(huán)結(jié)構(gòu)，不單獨加設(shè)止漏環(huán)，以保持轉(zhuǎn)輪上冠上平面的光滑平整，并選擇合理的轉(zhuǎn)輪上冠、止漏環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要采取了以下優(yōu)化措施：將轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)高度由原GE的H加高到1.73H，止漏環(huán)間隙由原GE的~1.225調(diào)為1.33～1.66，致使通過止漏環(huán)縫隙的水流沿程損失增加,流速系數(shù)減小，使轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)出口的流速降低，通過轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)進入轉(zhuǎn)輪上冠的漏水量減小，同時止漏環(huán)間隙的略放大有利于降低機組自激振動發(fā)生的幾率。轉(zhuǎn)輪上冠上端面與頂蓋之間距離由原GE公司的H1加寬到1.55H1，轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)上方的頂蓋上環(huán)板采用S135不銹鋼鋼板并改善頂蓋上環(huán)板及固定止漏環(huán)的焊縫結(jié)構(gòu)，以增強其抗磨蝕能力。轉(zhuǎn)輪上冠加設(shè)引水擋板并澆注混凝土，減小轉(zhuǎn)輪上冠的空腔，改善轉(zhuǎn)輪上冠水流的流態(tài)，降低含泥沙水流對頂蓋上環(huán)板的沖蝕磨損破壞。設(shè)計合理的轉(zhuǎn)輪泄水孔數(shù)，使轉(zhuǎn)輪泄水孔泄水面積與止漏環(huán)縫隙面積之比K與老702轉(zhuǎn)輪相當(dāng)。#7機新方案設(shè)計、GE公司及設(shè)計、原HL702設(shè)計對比計算結(jié)果采用三閥聯(lián)用的主軸中心孔補氣系統(tǒng)現(xiàn)在較大型的混流式水輪機大多采用主軸中心孔補氣方式，即水輪機在部分負荷運行時，為了保證機組穩(wěn)定運行，要求向水輪機轉(zhuǎn)輪底部補入空氣。實踐證明，大軸中心孔補氣量在0.1～0.15％Qr范圍內(nèi)，尾水管壓力脈動下降2～3%。東電成熟的補氣方式在一些電站的實際運行中，取得了很好的效果，提高了機組運行的穩(wěn)定性。#7水輪機增容改造中，在總結(jié)以往機組成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上增設(shè)了主軸中心孔補氣系統(tǒng)，并充分認識電站運行尾水位過高(最大吸出高度可達-20m)的特點，首次采用了三閥聯(lián)用的自然補氣系統(tǒng)，即補氣閥主體部分從上至下包括彈簧式補氣閥、浮球式空氣閥、對夾式蝶閥三部分。三閥的作用為：(1)最下部的對夾式蝶閥主要可用于現(xiàn)場實測有無補氣或補氣量的大小對壓力脈動的影響，同時也是尾水位過高時的雙保險。(2)中間的浮球式空氣閥，當(dāng)水位較低時，浮球在自身重力作用下使浮球閥處于常開狀態(tài)，從而保證向中心孔補充的空氣以最小的阻力進入。尾水位過高時，不銹鋼空心浮球在浮力的作用下向上浮起，將封水口密封，從而防止尾水溢出。(3)最上面的彈簧式補氣閥，在尾水出現(xiàn)真空度時與彈簧力形成壓差而打開閥門補入空氣。由于該彈簧式補氣閥不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并由于其下面設(shè)立浮球式閥的緣故，當(dāng)尾水位不穩(wěn)定、出現(xiàn)晃動時，不會頻繁出現(xiàn)以往彈簧式補氣閥存在的撞擊敲打聲，它同時兼有補氣、密封水、消振的多重功能。

3.埋入部分的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電站#7水輪機改造，由于新D443a轉(zhuǎn)輪出水邊較原GE轉(zhuǎn)輪出水邊下延近200mm，故使老機組的基礎(chǔ)環(huán)不能滿足要求。我們考慮盡量減小土建改造的工作量，重新設(shè)計了基礎(chǔ)環(huán)增改段。電站施工時只需將老基礎(chǔ)環(huán)割去多余的法蘭段，原尾水管里襯割去372mm，基礎(chǔ)環(huán)增改段機坑內(nèi)組圓后分別與割去部分段的原基礎(chǔ)環(huán)及尾水管里襯補償段焊接相連，做到既優(yōu)化又經(jīng)濟。導(dǎo)水機構(gòu)的部分優(yōu)化根據(jù)D443a模型轉(zhuǎn)輪的試驗結(jié)果，真機為滿足出力要求，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角需增大到43°（原GE方案為42°）。我們作了多個結(jié)構(gòu)方案反復(fù)布置計算，在接力器及控制環(huán)均不更換的情況下，保證導(dǎo)葉全關(guān)時由控制環(huán)傳遞到導(dǎo)葉上的操作力矩為原GE結(jié)構(gòu)的99.2%，滿足機組出力及導(dǎo)水機構(gòu)受力及強度要求。4機組運行情況2008年4月，電站#2機組完成增容改造并投入運行。#2水輪機采用合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計并新開發(fā)D443a－F13轉(zhuǎn)輪解決了GEHydro的F634－13轉(zhuǎn)輪存在的水力不穩(wěn)定問題；轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)處合理的結(jié)構(gòu)并轉(zhuǎn)輪上冠引水擋板結(jié)構(gòu)的聯(lián)合作用，有效地解決了頂蓋上環(huán)板穿孔及轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)磨蝕破壞問題；三閥聯(lián)用的主軸中心孔補氣系統(tǒng)，使低負荷區(qū)運行的強壓力脈動及較強的噪音問題有較好的改善，使機組運行穩(wěn)定性大大加強，同時解除了電站因尾水位過高可能造成的安全運行隱患。#2機組的投運，效果明顯，業(yè)主滿意。事實證明，#2水輪機增容改造的新方案是成功的。2008年12月，#2水輪機增容改造經(jīng)竣工驗收鑒定為：機組額定出力由100MW增加到110W，達到了改善設(shè)備健康水平、提高機組運行可靠性和增加出力的目的。這進一步對#2水輪機增容改造的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計新方案給予了肯定，我們也更有信心將該成功方案用于后續(xù)機組的改造。鑒于水電站#2機組增容改造的成功，業(yè)主將后續(xù)機組的改造一并交付東方電機實施。2010年12月，#7水輪機增容改造通過了竣工驗收鑒定；2011年12月，#4、#6水輪機增容改造也通過了竣工驗收鑒定；2012年4月底，最后一臺#3水輪機將順利完成改造并投運。

4結(jié)語

經(jīng)過幾年的摸索總結(jié)，我們認為，水輪機出現(xiàn)的問題以及國外公司對水輪機的修復(fù)方案之所以未見成效，說明國外公司的、水輪機改造結(jié)構(gòu)設(shè)計方案存在一定的局限性。針對、水輪機出現(xiàn)的問題，在作#7水輪機增容改造結(jié)構(gòu)優(yōu)化新方案時，采取了一系列優(yōu)化改進措施，從其實際運行取得的良好成果以及進一步將其運用于、水輪機修配的效果來看，#7水輪機的新結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，有效地解決了頂蓋上環(huán)板穿孔及轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)磨蝕破壞問題，較好地解決了低負荷區(qū)運行的穩(wěn)定性問題，同時解除了因尾水位過高可能造成的安全運行隱患，是適合電站運行條件的、滿足業(yè)主改造增容目的要求的合理有效方案。同時，通過#7水輪機新結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的設(shè)計，以及、水輪機修配的經(jīng)歷，深深地體會到，真機結(jié)構(gòu)設(shè)計的全面綜合考慮，是對機組長期穩(wěn)定安全運行的不可低估的重要保證。

吳曉莉曾明富李新威單位：三峽電力有限責(zé)任公司