高效节能电机节能减排经典案例

　　箐门口二级水电站和漫海水电站都是低水头径流式电站, 低坝拦河取水, 明渠引水, 采用混流卧式机组。因为没有调节水库, 箐门口二级水电站引水渠的设计过水能力大于机组的过流能力, 且丰水期6～11月份前池有大量弃水。漫海水电站引水渠的设计过水能力较小, 丰水期上级电站的大流量引不过来, 每年枯水期1～5月份的5个多月水量很少, 机组一般在50%以下负荷运行, 水轮机运行效率很低。

　　(1)箐门口二级水电站装机2台, 装机容量2 ×400 kW, 水轮机型号为HL123 - WJ - 50, 额定转速n = 750 r /min, 净水头H净= 3012 m。

　　(2)漫海水电站装机2台, 装机容量2 ×1 000 kW,水轮机型号为HL220 - WJ - 60, 额定转速n =750 r/min,净水头H净=47133m。

　　(1)对2座水电站分别进行单机和双机的变负荷试验, 用高精度压力表测水轮机的蜗壳进口压力, 并记录了相应导叶开度、接力器行程、发电机出力、电站前池水位、机组的尾水位, 测量压力表安装高程、机组中心高程, 计算蜗壳进口压力钢管面积和水轮机尾水管出口断面面积等。

　　(2)利用测量数据分别估算2座电站水轮机的净水头和吸出高程。

　　(3)绘制水轮机的下列特性曲线: 导叶开度～出力曲线; 导叶开度～蜗壳压力曲线; 导叶开度～尾水位变化曲线。

　　(4)根据现场试验结果, 并结合水轮机机型特性, 对电站机组实际运行的水力参数和运行状态进行分析, 其结果如下。①箐门口二级水电站机组出力达不到额定出力400 kW, 在导叶开度80%时, 机组最大出力370 kW, 导叶再开大, 机组出力不再随导叶开度的增大而增加。其原因是: ( a)水轮机制造质量差, 有可能导致其运行效率低和过流能力不足; ( b)设备陈旧, 转轮多次检修、叶片变形使水轮机效率下降; ( c)额定工况点的选择未留充分裕量, 在以前的设计中往往把额定工况点选在出力限制线上, 在正常情况下机组可达到额定出力, 但如遇到水头不足、制造质量差等因素的影响,就会产生出力不足。而且这样选择, 水轮机运行效率低, 气蚀性能差, 本电站机组就属这样情况。箐门口水电站丰水期最大负荷运行仍有弃水的时间约为5个多月, 枯水期流量很小, 一般单机运行出力100 kW 左右。②漫海水电站机组,无论是单机或双机运行均可发足额定出力,但由于引水渠过流能力的影响, 即使是丰水期, 上一级电站的大流量来水也不能引到本电站来, 故丰水期即使更换大流量高效转轮, 仍难以大幅度提高出力, 而枯水期1～5月份, 由于来水少, 一般1台机运行单机出力在400～500 kW左右, 少时只有200～300 kW, 机组空载开度约为20%。

　　箐门口二级水电站及漫海水电站虽然是20世纪末建造, 但选用的机型是HL123 及HL220, 两机型都是原苏联20世纪40～50年代的技术, 其能量、气蚀性能都已落后, 技术应更新换代了。

　　(1)保持电站的引水、压力钢管、尾水系统不变, 不改变水轮机主阀、蜗壳、导水机构、水轮机主轴及发电机, 只重新设计制造、更换水轮机转轮。

　　(2)箐门口二级水电站只重新设计制造大流量高效转轮, 在丰水期多利用弃水增发电量; 漫海水电站只重新设计制造小流量高效转轮, 在枯水期提高水轮机的运行效率多发电量。

　　(1)在电站水轮机的基本设计参数下, 新转轮的主要模型参数如下。最优工况: 单位转速n′10 = 68 r/min,单位流量Q′10 = 1120 m3 / s, 效率ηmax = 9312%。设计工况: 单位流量Q ′1 r = 1128 m3 / s, 效率ηrm = 9214% ,气蚀系数σ = 0112。

　　(2)真机性能预估。在净水头3012 m 条件下,单机出力达440 kW, 双机出力达820 kW以上。机组的气蚀、稳定性能优于改造前。

　　(1)在电站水轮机的基本设计参数下, 新转轮的主要模型参数如下。最优工况: 单位转速n′10 = 65 r/min,单位流量Q′10 = 017 m3 / s, 效率ηmax = 9215%。限制工况: 单位流量Q′13 = 0180 m3 / s, 效率η3 = 90%, 气蚀系数σ =0104。

　　(2)真机性能预估。真机小流量运行, 净水头H = 47133 m, 真机最大出力750 kW。出力更大时,超出设计运行范围, 水轮机的效率会低于原转轮。

　　新转轮模型主要设计参数确定后, 可进行计算机优化设计, 必要时加工出模型转轮, 在高精度模型试验台上做模型试验, 验证经过优化设计的水轮机新转轮的性能。上述2座水电站新转轮设计, 为了节省费用, 只应用成熟的计算机优化设计完成。

　　新转轮设计完成后, 按国家水轮机通流部件的标准, 严格加工制造, 以保证材料化学及机械性能。新转轮的叶型、进出口角度及其外形尺寸和静平衡等各项指标, 均达到设计图纸和国家标准的要求。

　　箐门口二级水电站换装JF3622新转轮以后, 过机流量增加, 效率提高, 机组出力增加, 运行稳定,气蚀噪音小。机组出力从原来370 kW增加到440 kW,最大达460 kW, 据统计双机运行出力从720 kW增加到840 kW, 净增加120 kW, 按丰水期5个月弃水计算, 年增加发电量4312万kW·h。

　　漫海水电站枯水期换装1个JF2519新转轮以后,机组效率提高, 出力增大, 发电量增加。当原转轮出力为116, 328, 545 kW 时, 新转轮相应出力增为202, 518, 661 kW, 原转轮空载时, 新转轮出力可达100 kW左右。按新转轮运行一个枯水期统计, 平均出力为620 kW, 比往年旧转轮运行出力的平均值480～500 kW高出140～120 kW, 一个枯水期多发电量26万～30万kW·h, 见表1。

 

 

　　箐门口二级水电站与漫海水电站的技术改造, 是2种不同类型的典型改造例证, 前者是设计高效大流量转轮, 充分利用电站弃水, 后者是设计高效小流量转轮, 以提高枯期水能所用效率, 2种典型改造可在一定程度上解决小型水电站径流式开发河流来水流量不能控制与调节问题。这也是目前小水电站开发中普遍存在的问题, 主要原因如下。

　　(1)一般说来, 水轮机的设计流量是按动能经济分析确定的, 对于径流式电站, 设计流量不是丰水期的大流量, 也不是枯水期的小流量, 因此, 电站在丰水期会有不同程度的弃水, 而枯水期则水流量不足,如果弃水时间长, 或枯水期时间长, 可以引用上述方法, 更充分利用水能。

　　(2)由于自然环境的变化, 和人为改变河流的流量, 电站设计时河流的水文条件与建成后实际运行水文条件出现较大的差异。这样可能形成电站大量弃水或者水流量不足的情况, 也可用上述方法在一定程度上予以解决。

　　(3)对于混流式水轮机, 由于其转轮叶片是固定的, 在一定水头条件下, 其流量与效率特性是固定不变的, 不可能在较大的流量变化范围内均高效工作,因此对径流式小型水电站机组, 就会产生河道水量丰富、电站引水能力大而机组过水能力和机组出力受限, 电站前池弃水; 也会出现河道水量少、过机水量太小而水轮机效率过低, 少发电或发不出电量。由于小型卧式混流式水轮机结构简单, 拆装比较方便, 如能更换适用的大流量和小流量高效转轮, 等于大大拓宽了机组的最优运行区, 可以更充分利用水资源发更多电量, 如图1所示。

 

 

　　在云南省已建水电站中, 小型水电站( 5 万kW以下的电站)装机约有1 000万kW, 据粗略估计, 其中径流开发的混流卧式机组超过300万kW, 若换装大流量高效转轮后, 在丰水期可利用弃水多发电10%。如以装机利用小时4 600 h、丰水期发电量占年发电量的85%计算, 年可利用弃水增发丰水电量约1117亿kW·h; 而枯水期发电量估计占年总发电量的15%, 从漫海电站更换小流量转轮增效24%推算, 更换小流量高效转轮年发电量可增加枯水期电量约415亿kW·h, 两项合计年可增加小型水电站发电量约1612亿kW·h, 相当于新增电站装机3512万kW的年发电量。此项技术的推广节能增效的意义重大。