西藏瓦龍水電站轉(zhuǎn)輪改造分析

楊傳義

（吉林市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 吉林吉林 132013）

1 電站概況

瓦龍水電站位于氣候多變的藏北高原，海拔4350～4600m，多年平均氣溫－1.0°C，極端最低氣溫－41.2℃，極端最高氣溫22.6℃，屬高海拔嚴(yán)寒地區(qū)。電站以發(fā)電為主，無防洪等其他綜合利用要求，裝有4臺(tái)2.7MW的混流式水輪機(jī)，廠房為壩后式地面廠房，輸水系統(tǒng)采用 “一管兩機(jī)”的布置型式；發(fā)電機(jī)出口電壓6.3kV，通過兩臺(tái)2×8MVA主變升壓至35kV，再通過兩回35kV輸電線路 （24.7km），輸送至本地電網(wǎng)。

水輪機(jī)基本參數(shù)如下：

型號(hào)： HLA244－LJ－150；

轉(zhuǎn)輪直徑： 1.5；

額定轉(zhuǎn)速： 250r／min；

飛逸轉(zhuǎn)速： 570r／min；

最大水頭： 30.5m；

額定水頭： 24.5m；

最小水頭： 19.5m；

極限最小發(fā)電水頭： 17.5m；

額定流量： 13.323m3／s；

水輪機(jī)額定出力： 2872kW；

吸出高度 （相對導(dǎo)葉中心）： 0.0m；

水輪機(jī)安裝高程： 4353.8m。

2 現(xiàn)場查勘及運(yùn)行情況

電站運(yùn)行12年，未進(jìn)行過大的技術(shù)改造。轉(zhuǎn)輪葉片、上冠及尾水管進(jìn)口空蝕嚴(yán)重，轉(zhuǎn)輪葉片上最大空蝕處約30×16cm，深度約為5～6mm，空蝕區(qū)主要位于葉片進(jìn)口正面中央，其主要原因可能是機(jī)組長期在低水頭高負(fù)荷區(qū)運(yùn)行，葉片進(jìn)口正面脫流引起的。

3 轉(zhuǎn)輪改造方案分析

瓦龍電站地處青藏高原，海拔高、泥沙含量小（多年平均含沙量為0.077kg／m3，汛期最大月平均含沙量為0.16kg／m3），對轉(zhuǎn)輪的破壞主要是空蝕的影響，因此改造能否成功的關(guān)鍵是水輪機(jī)空蝕性能是否顯著提高。

本次改造在盡可能不改變導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的前提下，更換空蝕性能好的新型轉(zhuǎn)輪，并研究增容到4×3000kW的可行性。

3.1 不考慮增容時(shí)新型轉(zhuǎn)輪的選擇

表1 模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)表

瓦龍水電站額定水頭24.5m，最大水頭30.5m，最小水頭19.5m，單機(jī)容量2700kW。適合該水頭段的混流式轉(zhuǎn)輪較多，但因本電站裝機(jī)容量較小，機(jī)組選型立足國內(nèi)中型制造廠所能掌握的轉(zhuǎn)輪。根據(jù)我國《中小型軸流式、混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪系列型譜》及該電站的具體情況并結(jié)合我國現(xiàn)行制造經(jīng)驗(yàn)，選擇近年來技術(shù)成熟、性能良好的HLA286、HLA616等轉(zhuǎn)輪進(jìn)行技術(shù)分析，其模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)見表1。經(jīng)計(jì)算，不考慮增容時(shí)各原型水輪機(jī)參數(shù)見表2。

表2 水輪機(jī)參數(shù)比較表

從表1及表2中可看出，與原轉(zhuǎn)輪HLA244相比，HLA286和HLA616各項(xiàng)性能指標(biāo)明顯占優(yōu)，可以考慮選用。

更換轉(zhuǎn)輪最理想的方案是：在不改變導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的前提下，更換空蝕性能好的新型轉(zhuǎn)輪。

這兩個(gè)方案原型水輪機(jī)的導(dǎo)葉高度均與原導(dǎo)葉高度473mm不相等，因此如更換新型轉(zhuǎn)輪，即使不增容，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)也應(yīng)作相應(yīng)改造，如導(dǎo)葉、頂蓋、止漏環(huán)部份。

HLA616轉(zhuǎn)輪額定工況點(diǎn)的空化系數(shù)為0.078（遠(yuǎn)低于HLA244轉(zhuǎn)輪額定工況點(diǎn)的0.14），當(dāng)空化安全系數(shù)K＝σ p／σ c取1.5時(shí)，各工況下的空蝕裕量比HLA244轉(zhuǎn)輪大2m左右，且這兩種轉(zhuǎn)輪的過流量相當(dāng)，因此對本電站而言，HLA616轉(zhuǎn)輪比HLA244轉(zhuǎn)輪性能優(yōu)越。

綜上所述，推薦選用HLA616轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪直徑與原轉(zhuǎn)輪直徑相同，仍取150cm。

3.2 電站增容到4×3000kW的可行性

瓦龍電站采用兩機(jī)一變的出線方式，發(fā)電機(jī)的額定容量為4000kVA／3200kW，主變壓器的額定容量為8000kVA。因此具備在不增加發(fā)電機(jī)和主變壓器容量的前提下增容到4×3000kW條件。

在水頭不變的條件下，水輪機(jī)增容有兩種途徑：一是不改變轉(zhuǎn)輪直徑，選用單位流量較大的轉(zhuǎn)輪；另一種途徑是適當(dāng)加大轉(zhuǎn)輪直徑。

空化系數(shù)通常隨著單位流量的加大而增加，通過對大量轉(zhuǎn)輪參數(shù)的分析和向水輪機(jī)廠家的咨詢，暫時(shí)還沒找到過流量比原轉(zhuǎn)輪（HLA244）轉(zhuǎn)輪明顯增加、空蝕性能明顯提高的新型轉(zhuǎn)輪。因此，此方法暫不可行。

從目前掌握的資料來看，只有HLA616轉(zhuǎn)輪的過流量與原轉(zhuǎn)輪相當(dāng)，且空蝕性能比原轉(zhuǎn)輪明顯優(yōu)越。因此，我們只能考慮采用加大HLA616轉(zhuǎn)輪的直徑來達(dá)到增容的目的。為了留下一定的空蝕裕量，水輪機(jī)額定水頭下運(yùn)行的工況點(diǎn)不宜與出力限制線太近。經(jīng)初步分析，為使水輪機(jī)在額定水頭（24.5m時(shí)），發(fā)電機(jī)能達(dá)到3000kW的出力，轉(zhuǎn)輪直徑不宜小于1.56m，即宜選用 HLA616－LJ－156轉(zhuǎn)輪。

當(dāng)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑同為1.5m時(shí)，HLA616轉(zhuǎn)輪高度比HLA244轉(zhuǎn)輪高50mm，這時(shí)可對尾水錐管進(jìn)口進(jìn)行局部處理，勉強(qiáng)能達(dá)到目的。如轉(zhuǎn)輪直徑增加到1.56m時(shí)，轉(zhuǎn)輪高度還需再增加35mm左右，錐管進(jìn)口直徑也應(yīng)相應(yīng)加大。而原水輪機(jī)尾水錐管的錐角較小，且與座環(huán)采用的是焊接結(jié)構(gòu)，加大轉(zhuǎn)輪直徑時(shí)，需將尾水錐管全部更換，實(shí)施起來比較困難，不宜采用。

綜上所述，額定水頭下使機(jī)組增容到4×3000kW的方案不宜采用，下面研究機(jī)組超發(fā)到3000kW的可能性。

3.3 水輪機(jī)超發(fā)到3191.5kW（對應(yīng)發(fā)電機(jī)出力為3000kW）的可行性

水輪機(jī)超發(fā)有兩種途徑：一是保持導(dǎo)葉開度限制不變，水頭大于額定水頭時(shí)超發(fā)；另一種途徑是增加導(dǎo)葉開度限制來超發(fā)。

對原HLA244－LJ－150水輪機(jī)而言，水輪機(jī)空化系數(shù)比較大，空蝕比較嚴(yán)重，加大導(dǎo)葉開度會(huì)使工況點(diǎn)的空化系數(shù)加大，而進(jìn)一步降低水輪機(jī)的空蝕性能，不宜采用。HLA616－LJ－150水輪機(jī)空化系數(shù)較小，但為了避免大開度時(shí)葉片正面脫流而引起振動(dòng)，建議不要采用增加導(dǎo)葉開度的方式來超發(fā)。這三種水輪機(jī)超發(fā)方案比較詳見表3。

表3 水輪機(jī)超發(fā)方案比較

表4 水輪機(jī)改造工程量清單

從表3可以看出，原轉(zhuǎn)輪空蝕性能較差，即使在最大水頭下也不宜超發(fā)至3191.5kW。如更換為HLA616轉(zhuǎn)輪，在額定工況對應(yīng)的開度下，水頭大于26.45m時(shí)可超發(fā)至3191.5kW；如加大開度運(yùn)行，當(dāng)水頭大于25.6m時(shí)也可超發(fā)至3191.5kW。對HLA616而言，這兩種方案各工況點(diǎn)吸出高度相差不大，均可采用。

因此本方案可擬為：轉(zhuǎn)輪全部更換為HLA616－LJ－150型不銹鋼轉(zhuǎn)輪，頂蓋、尾水管進(jìn)口、各環(huán)抗磨板和止漏環(huán)、導(dǎo)葉、導(dǎo)葉軸承等也同時(shí)更換，主軸密封更換為不接觸式。當(dāng)水頭大于25.6m時(shí)，此方案水輪機(jī)可超發(fā)至3191.5kW（對應(yīng)發(fā)電機(jī)出力為3000kW）。改造工程量清單見表4。

與原轉(zhuǎn)輪HLA244相比，空化安全系數(shù)K取1.5時(shí)，HLA616轉(zhuǎn)輪的允許吸出高度要大2m左右，從而能在一定程度上減少水輪機(jī)的空蝕，延長機(jī)組大修年限。此外，與HLA244轉(zhuǎn)輪相比，HLA616轉(zhuǎn)輪最高點(diǎn)效率與額定點(diǎn)效率分別要高1.43%和2%，加權(quán)平均效率約高1.5%左右，換用HLA616轉(zhuǎn)輪能增加發(fā)電量。

從經(jīng)濟(jì)性上看，本次改造一次性投資較高（471.2萬元），改造后年均大修費(fèi)用有所減少（從25萬元降至16.7萬元），本次改造及十年間大修費(fèi)用合計(jì)638.2萬元，十年間由于效率提高而增加的電能收益為308.7萬元。改造方案合理可行。

表5 水輪機(jī)改造方案經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)表

4 結(jié)論及建議

瓦龍水電站轉(zhuǎn)輪主要問題是葉片空蝕及效率下降，空蝕位于葉片進(jìn)口正面中央，其主要原因可能是機(jī)組長期在低水頭高負(fù)荷區(qū)運(yùn)行、葉片進(jìn)口正面脫流引起的，因此改造的重點(diǎn)在提高提高水輪機(jī)的空蝕性能上。本次改造通過選用空蝕性能好的新型轉(zhuǎn)輪，能有效的解決空蝕問題；并且當(dāng)水頭大于25.6m時(shí)，水輪機(jī)可超發(fā)至3191.5kW（對應(yīng)發(fā)電機(jī)出力為3000kW）；水輪機(jī)加權(quán)平均效率提高約1.5%，增加了發(fā)電量。

為盡量減小改造后轉(zhuǎn)輪的空蝕，建議同時(shí)改變機(jī)組的運(yùn)行方式，避免機(jī)組長期在低水頭高負(fù)荷區(qū)或高水頭低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行。