淺談小水電站增容改造的水輪機技術方案設計

胡群嬌

（南寧市川水發電設備技術有限公司，廣西 南寧 530031）

淺談小水電站增容改造的水輪機技術方案設計

胡群嬌

（南寧市川水發電設備技術有限公司，廣西 南寧 530031）

通過實例闡述了小型水電站增容改造水輪機技術方案設計的思路和方法，指出水輪機轉輪的選型及結構設計與過流部件的配套改造，是制訂增容改造技術方案的重點，是增容改造成功的關鍵。

水電站；增容改造；轉輪選型；結構設計

許多小水電站水輪發電機組經過多年運行后，普遍存在機組磨損老化嚴重、導水機構漏水增加、機組效率低及出力下降等問題。同時，發電機絕緣老化，危及到電站的安全運行，存在著大修或更新改造的要求。另一方面，近年來隨著國家加大對水利基礎設施建設的投入，也給小水電站的更新改造，提供了資金支持。

部分水資源條件較好的小水電站，都有借機組更新改造之機進行增容，通過提高機組出力增加發電量，提高發電收入，同時又能達到設備技術更新的設想。但各個電站具體情況各異，技術方案設計需要通過實地考查，充分認證計算，并進行方案的比較、經濟效益的分析后得出的。

筆者從事了多年的電站技術改造工作，積累了一些實踐經驗，在這里通過實例對電站水輪機組增容改造技術方案的設計思路和方法進行總結，謹與同行交流。

1 電站水資源條件的校核

水電站進行增容改造，需要具備一定的條件：

首先，豐水期要有較長時間和較大流量的棄水，即水資源條件具備；

其次，增容改造原則上利用電站原有的水工建筑及機組的大部份零部件，只通過更換能通過較大流量的新型高效轉輪，同時對過流部件進行配套改造；發電機則需要更換加大線徑的定子、轉子線圈，并采用新型絕緣材料，提高發電機的絕緣等級，以達到降低投資、增加出力的效果。

進行水輪機增容技術改造前，首先要掌握電站第一手確切資料，內容包括：

（1）電站現有水輪發電機組機型、裝機容量、設計出力、實際出力、投入運行年份等資料。通過實地測量獲取電站毛水頭、凈水頭、尾水高程、渠道過流能力、壓力管徑、導葉開度與實際出力、軸承溫升等確切數據，為改造提供依據。

（2）設計出力與實際出力的校核。根據實地測量的實際流量、凈水頭等數據資料，復核電站現有機組的設計出力，通過計算，檢驗機組設計出力與實際出力是否吻合。如果不一致，還要分析影響差異的原因，尋找影響機組出力的因素及對增容改造的影響等。同時，通過復核可以檢驗測量數據是否準確可靠。

2 水輪機改造技術方案的設計

水電站增容改造成功與否，首先在于水輪機的改造，而轉輪的選型及配套設計尤為關鍵。下面以某電站的增容改造實例，來闡述電站增容改造中水輪機轉輪的選型設計思路。

該電站原機組的基本參數如下：

電站裝機兩臺HL240-LJ-140水輪發電機組，額定水頭32.5m，蝸殼進水口鋼管直徑2.0m，額定流量12m3/s，額定轉速300 r/min，額定功率3200 kW。

電站每年有約5個月的多余棄水。轉輪經過多年運行后，轉輪葉片背面有少量深約5mm蜂窩狀氣蝕。

2.1 新轉輪選型及水力計算分析

（1）出力計算。根據電站具體情況及已掌握的新型水輪機型譜，通過反復計算比較，擬選用A527-140新型轉輪。

查A527-35轉輪模型綜合特性曲線，如圖1。

圖1 A527-35轉輪模型綜合特性曲線圖

由圖可知：

效率修正

則修正后水輪機效率

式中，

Q為額定流量，m3/s；

H為額定水頭，m；

D1為轉輪名義直徑，m；

Q11為單位流量，m3/s；

ηM為水輪機模型效率；

ηg為發電機效率。

考慮新舊轉輪配套損失、轉輪模型與原型導葉數、尾水管異形部件、容積損失增加以及磨擦阻力的增加等因素，效率折減2%，取ηT=85%，發電機效率取ηg=94%則機組最大出力及流量分別為

若取增容到Pmax=4241 kW，則單機流量Qmax=16.6m3/s，2臺機流量則為Q=33.2m3/s，超出渠道的過流能力，壓力管道的流速也超出經濟流速，水力損失增加，故不可取。

若按增容至4000 kW計（假設ηT取85%），則流量

（2）校核壓力鋼管流速。當設計出力取P=4000 kW時，壓力鋼管流速

一般壓力管經濟流速為ν=3～5m/s，若機組增容至4000 kW，壓力管流速在經濟流速范圍內。

（3）校核吸出高程，檢驗氣蝕性能。查A527-35轉輪模型綜合特性曲線，可知：

氣蝕系數δm=0.25，而電站實際尾水高程▽=86m，

則有吸出高程

電站機組實際吸出高程Hs=-1m＜+0.15m，可知改造后氣蝕性能滿足要求，若制造時轉輪葉片采用不銹鋼材質，則抗氣蝕性能更理想。

（4）增容方案選擇。考慮發電機的配套改造以及主軸強度、渠道過流能力、經濟流速及保證估水期機組還能在較高效率區內運行等綜合因素，擬考慮增容至4000 kW比較適宜。

推算P=4000 kW時的單位流量及效率

ηT折減3%后為85.5%，效率較高。

（5）計算分析的結論。由以上的計算分析可得：選用A527-140型轉輪，機組出力完全可以達到4000 kW，壓力鋼管過流量為Q=15.7m3/s，流速在經濟流速范圍內，效率較高，損失較少。

2.2 新轉輪結構設計

經過對比新舊轉輪幾何結構參數可知，新轉輪的導葉高度系數b0=0.378，而HL240轉輪的導葉高度系數b0=0.365，這樣，新轉輪進水口高度比HL240長了18.2mm。

通過分析論證后認為：如果在制造轉輪時，葉片按標準葉片生產，但新轉輪進水口高度按HL240高度裝焊，具體做法是將新轉輪葉片與上冠連接段去除18.2mm的高度，即將轉輪上冠下拉18.2mm，保持與原轉輪高度一致。這樣，轉輪的水力性能變化不大，流量減少也不明顯。

據此思路，我們對新轉輪的進水口高度進行了局部改動，其他參數都相似，不作修改。

2.3 改造效果

按照上述的改造方案，我們完成了廣西某水力發電廠的水輪發電機組增容技術改造，更換了新轉輪，并配套改造導水機構，更換密封件，改造調速機構的拐臂以加大導葉開度，增加導葉過水量。同時更換加大線徑的定轉子線圈，并把絕緣等級提高到F級，以滿足增容后電流密度增加的需要。

改造后機組最大出力達4100 kW，且機組運行十分穩定可靠，軸承溫度52℃，電站對改造效果十分滿意。改造結果表明，我們所選用的改造方案及對轉輪結構參數的修正是可行的。

3 結束語

水電站增容改造，是一項技術性較強的系統工程，有一定的投資風險，需要嚴謹、科學地計算論證、方案比較，而能否正確選擇能通過較大流量的水輪機新型轉輪替代原有舊轉輪，是改造成功的關鍵。在選型時，要求新舊轉輪的結構參數，流道尺寸盡可能相似，以減少由于異形部件影響機組出力，并降低改造風險。

[1]劉大愷.水輪機[M].北京：中國水利水電出版社，1997.

[2]陳錫芳.水輪機發電機組改造增容與優化運行[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

Talking about Capacity of Hydraulic Turbine Design of SmallHydropower

HUQun-jiao
（Nanning ChuanshuiPower Generation Equipment Technology Co.,Ltd.,Nanning530031,China）

By instance set out small hydropower station capacity increase of turbine technology design thinking and methods,that selection and structure design of hydraulic turbine runner and supporting improvement of the flow componentsare the focus for development of retrofit technology programmes,isa capacity increase of the key to success.

hydropower station;uprating;wheel design

TV742

B

1672-545X（2012）06-0166-03

2012-03-05

胡群嬌（1971—），女（壯族），廣西南寧人，工程師，主要從事水電站設備技術改造工作。