陸渾水庫灌溉洞電站1#機(jī)組增容改造可行性研究

□魏躍民 □程大鵬 □王曉惠（河南省陸渾水庫管理局陸渾水電站 鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院 河南國安建設(shè)集團(tuán)有限公司）

1 工程概況

陸渾水庫灌溉洞電站設(shè)計安裝三臺機(jī)組，總裝機(jī)容量為（2×3000+500）kW，其中1#機(jī)組（500kW）由于質(zhì)量存在問題、設(shè)計存在缺陷，該機(jī)組自安裝之后，一直沒有正常運(yùn)行過。現(xiàn)根據(jù)《陸渾水庫水資源論證分析報告》，通過對陸渾水庫1980-2010年31年的月徑流資料進(jìn)行入庫徑流規(guī)律分析，在滿足下游工農(nóng)業(yè)用水以及河道生態(tài)需水的條件下，應(yīng)用動態(tài)規(guī)劃，通過長系列模擬仿真調(diào)節(jié)計算，結(jié)果表明電站存在富余水量，具有增效擴(kuò)容改造的可行性。

2 灌溉洞電站1#機(jī)組改造方案

2.1 改造原則

水輪發(fā)電機(jī)組改造方案結(jié)合電站的實際情況，在保持原有土建和埋入部分不變的基礎(chǔ)上，通過對機(jī)組改造方案進(jìn)行計算，對其機(jī)墩適應(yīng)性進(jìn)行復(fù)核，選擇最優(yōu)方案。

2.2 發(fā)電水頭分析

由尾水位—流量關(guān)系可知，機(jī)組的尾水位一般在293.50～296m之間變化，根據(jù)近幾年來水庫上游水位統(tǒng)計資料，水庫水位在304～318m范圍內(nèi)變化，同時考慮從灌溉洞進(jìn)口至電站尾水出口的沿程水頭損失和局部水頭損失，確定機(jī)組運(yùn)行水頭應(yīng)定在10～22m范圍內(nèi)。

2.3 水輪機(jī)型號選擇

通過對現(xiàn)有的尾水管、蝸殼尺寸等現(xiàn)場勘察，經(jīng)對多個模型轉(zhuǎn)輪比較篩選，并結(jié)合電站水能復(fù)核計算分析，初選ZD520-LH-120和ZD560-LH-120兩種轉(zhuǎn)輪來進(jìn)行比較，通過性能參數(shù)計算確定優(yōu)選方案，其計算的主要參數(shù)如表1所示。

表1 模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表

2.4 機(jī)組吸出高度復(fù)核

根據(jù)參考文獻(xiàn)中的公式對各機(jī)型允許吸出高進(jìn)行計算，同時用公式對不同機(jī)型額定吸出高度值進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表2。

表2 不同機(jī)型允許吸出高

2.5 過流能力分析

水輪機(jī)的過流能力主要由整個過流系統(tǒng)的尺寸和特性來決定。機(jī)組過流通道主要由壓力鋼管、蝸殼、轉(zhuǎn)輪、尾水管幾部分組成。增容后最大流量為6m3/s，比原來有所增加，經(jīng)驗算壓力鋼管內(nèi)最大流速為5.32m/s，在經(jīng)濟(jì)流速范圍之內(nèi)；由于尾水管沒有改動，如果匹配其它型號的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪屬異型部件，整機(jī)效率可能會略有降低，而設(shè)計流量增加的有限，不存在問題。

2.6 改造方案確定

通過不同水頭下水輪機(jī)基本性能參數(shù)的計算，對不同方案進(jìn)行對比分析，1#機(jī)組計算結(jié)果如下：當(dāng)發(fā)電水頭在16m以下時，ZD520-LH-120在運(yùn)行效率、機(jī)組出力等方面均優(yōu)于ZD560-LH-120；當(dāng)發(fā)電水頭＞16 m時，超出了ZD520-LH-120的運(yùn)行區(qū)域，水輪機(jī)無法正常工作，葉片轉(zhuǎn)角為5°的ZD560-LH-120水輪機(jī)，在發(fā)電水頭＞18m時也存在著同樣的情況，見下表3。考慮結(jié)合小流量灌溉用水發(fā)電和汛期利用水庫棄水發(fā)電這兩種因素，同時經(jīng)咨詢廠家，水推力滿足要求，此次改造擬采用ZD560-LH-120、葉片轉(zhuǎn)角0°的水輪機(jī)及其配套的SF800-14/1730發(fā)電機(jī)。

表3 不同水頭下各機(jī)型參數(shù)比較表

2.7 適應(yīng)性分析

水輪機(jī)調(diào)節(jié)保證計算的宗旨，是在機(jī)組負(fù)荷處于大波動時，調(diào)速器應(yīng)該在規(guī)定的導(dǎo)葉關(guān)閉時間內(nèi)，保證輸水系統(tǒng)壓力管道內(nèi)的壓力變化值和機(jī)組轉(zhuǎn)速變化值在允許的范圍內(nèi)，以期達(dá)到電能質(zhì)量最佳，輸水系統(tǒng)建筑物和機(jī)組的造價最省，同時保證機(jī)組投入運(yùn)行后，水輪機(jī)調(diào)節(jié)過程中壓力和轉(zhuǎn)速變化在預(yù)期的范圍內(nèi)，使電站安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。合理選擇導(dǎo)葉關(guān)閉時間，使壓力上升值和速率上升值都在合理范圍內(nèi)，是調(diào)節(jié)保證計算的主要工作。

根據(jù)設(shè)備機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量（GD2）、機(jī)組引水流量及壓力管道長度等基本數(shù)據(jù)，按調(diào)保計算的選擇條件，在不同的關(guān)機(jī)時間下計算對應(yīng)的機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率和壓力管道末端的水擊壓力上升值，計算結(jié)果如表4所示。

表4 不同關(guān)機(jī)時間下轉(zhuǎn)速上升率和水擊壓力上升值表

由于受原機(jī)座尺寸的限制，使得增容后選用的發(fā)電機(jī)型變的瘦高，因而其轉(zhuǎn)動慣量（GD2）僅有2.80～3.00tm，比標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列（機(jī)座型號為2150）發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量減小將近一倍，所以機(jī)組甩負(fù)荷后的轉(zhuǎn)速上升率β要比常規(guī)機(jī)組高得多，故機(jī)組改造后調(diào)速器的啟閉時間TS不宜整定的太大，建議TS＜3.50s。雖然調(diào)速器的啟閉時間較短，由于從機(jī)組到調(diào)壓室的距離不長，產(chǎn)生的水擊壓力的絕對值并不大，不會對壓力管道和蝸殼產(chǎn)生太大影響。從而也保證了β值滿足規(guī)范的要求。

3 機(jī)墩結(jié)構(gòu)復(fù)核

3.1 機(jī)墩荷載計算

根據(jù)水電站廠房設(shè)計規(guī)范（SL266-2001）規(guī)定，機(jī)墩荷載包括以下幾方面：一是垂直靜荷載G1=433.30kN；二是垂直動荷載G2=228kN；三是水平動荷載，正常運(yùn)行時：Pm=10.10kN；飛逸時：Pm=40.68kN；四是正常扭矩標(biāo)準(zhǔn)值T=14.56kNm；五是短路扭矩標(biāo)準(zhǔn)值T′=74.89kNm

3.2 機(jī)墩荷載組合

根據(jù)水電站廠房設(shè)計規(guī)范（SL266-2001）規(guī)定，機(jī)墩荷載效應(yīng)組合見表5。

表5 機(jī)墩作用效應(yīng)組合表

3.3 機(jī)墩結(jié)構(gòu)簡化

取機(jī)墩單寬核算機(jī)墩的承載能力。經(jīng)計算，折合到每米機(jī)墩上的荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：P1=74.15 kN/m；P2=48.17 kN/m；P3=13.57 kN/m；P=135.89kN/m。

3.4 機(jī)墩強(qiáng)度校核

根據(jù)《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL191-2008）的要求。經(jīng)計算，現(xiàn)有機(jī)墩軸向承載能力：NU=128.93kN＞135.89/1.20=113.24kN。根據(jù)以上計算，說明原機(jī)墩承載能力可以滿足800kW機(jī)組的承載能力要求。

3.5 動力計算

經(jīng)計算，機(jī)墩自振頻率與強(qiáng)迫振動頻率之差和自振頻率的比值分別為86.02，58.56和94.18%。均大于規(guī)范規(guī)定的30%。振幅滿足規(guī)范設(shè)計要求。動力系數(shù)均小于規(guī)范規(guī)定＜2的要求。

計算結(jié)果：環(huán)梁底面所需受力縱筋為4Φ18；環(huán)梁頂面所需受力縱筋為4Φ18；箍筋按構(gòu)造要求配筋。原設(shè)計配筋：環(huán)梁頂?shù)酌娓髋淇v筋4Φ18，均滿足要求。

綜上所述，陸渾水庫灌溉洞電站1#機(jī)組由500 kW增至800kW在設(shè)備技術(shù)上是可行的。

4 結(jié)語

本文結(jié)合陸渾水庫水電站技術(shù)改造工程，依據(jù)水能計算及機(jī)組選型的初步方案，對其現(xiàn)有機(jī)墩進(jìn)行了結(jié)構(gòu)復(fù)核，結(jié)果表明灌溉洞水電站1#機(jī)組在設(shè)備技術(shù)上可滿足此次技術(shù)改造需要，該種計算方法可為類似工程提供一定的參考。

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