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1.水輪機增容改造結構優(yōu)化設計

新方案除在水力方面研發(fā)D443a新轉輪外，結構設計方面，進一步充分認識大渡河泥沙磨蝕的危害性，力求通過合理的結構設計，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)化設計方案率先在#2機上實施。#7水輪機改造優(yōu)化設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上，重新制定了#7水輪機增容改造優(yōu)化設計方案。

2.水力設計方面

水力設計新開發(fā)的D443a轉輪，能量特性與GE公司的F634基本相當，轉輪模型最高效率達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。水輪機結構優(yōu)化設計方面，#7水輪機改造設計參數#7水輪機改造與、水輪機改造設計參數對比。#7機改造結構優(yōu)化設計總體結構。#7水輪機改造結構優(yōu)化設計要點。轉輪上冠、止漏環(huán)結構參數優(yōu)化為克服水輪機磨蝕破壞，#7機改造取消了原GE公司轉輪嵌套止漏環(huán)結構，不單獨加設止漏環(huán)，以保持轉輪上冠上平面的光滑平整，并選擇合理的轉輪上冠、止漏環(huán)結構參數，主要采取了以下優(yōu)化措施：將轉輪止漏環(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,流速系數減小，使轉輪止漏環(huán)出口的流速降低，通過轉輪止漏環(huán)進入轉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)的焊縫結構，以增強其抗磨蝕能力。轉輪上冠加設引水擋板并澆注混凝土，減小轉輪上冠的空腔，改善轉輪上冠水流的流態(tài)，降低含泥沙水流對頂蓋上環(huán)板的沖蝕磨損破壞。設計合理的轉輪泄水孔數，使轉輪泄水孔泄水面積與止漏環(huán)縫隙面積之比K與老702轉輪相當。#7機新方案設計、GE公司及設計、原HL702設計對比計算結果采用三閥聯用的主軸中心孔補氣系統(tǒng)現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，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，在總結以往機組成功經驗的基礎上增設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)結構，并由于其下面設立浮球式閥的緣故，當尾水位不穩(wěn)定、出現晃動時，不會頻繁出現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.埋入部分的結構優(yōu)化

電站#7水輪機改造，由于新D443a轉輪出水邊較原GE轉輪出水邊下延近200mm，故使老機組的基礎環(huán)不能滿足要求。我們考慮盡量減小土建改造的工作量，重新設計了基礎環(huán)增改段。電站施工時只需將老基礎環(huán)割去多余的法蘭段，原尾水管里襯割去372mm，基礎環(huán)增改段機坑內組圓后分別與割去部分段的原基礎環(huán)及尾水管里襯補償段焊接相連，做到既優(yōu)化又經濟。導水機構的部分優(yōu)化根據D443a模型轉輪的試驗結果，真機為滿足出力要求，導葉轉角需增大到43°（原GE方案為42°）。我們作了多個結構方案反復布置計算，在接力器及控制環(huán)均不更換的情況下，保證導葉全關時由控制環(huán)傳遞到導葉上的操作力矩為原GE結構的99.2%，滿足機組出力及導水機構受力及強度要求。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構優(yōu)化設計并新開發(fā)D443a－F13轉輪解決了GEHydro的F634－13轉輪存在的水力不穩(wěn)定問題；轉輪止漏環(huán)處合理的結構并轉輪上冠引水擋板結構的聯合作用，有效地解決了頂蓋上環(huán)板穿孔及轉輪止漏環(huán)磨蝕破壞問題；三閥聯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構優(yōu)化設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結語

經過幾年的摸索總結，我們認為，水輪機出現的問題以及國外公司對水輪機的修復方案之所以未見成效，說明國外公司的、水輪機改造結構設計方案存在一定的局限性。針對、水輪機出現的問題，在作#7水輪機增容改造結構優(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水輪機的新結構優(yōu)化方案，有效地解決了頂蓋上環(huán)板穿孔及轉輪止漏環(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水輪機新結構優(yōu)化方案的設計，以及、水輪機修配的經歷，深深地體會到，真機結構設計的全面綜合考慮，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：三峽電力有限責任公司