小灣水電站水輪機性能試驗和技術改造綜述

徐德新，喬進國（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南　大理 675702）

小灣水電站水輪機性能試驗和技術改造綜述

徐德新，喬進國
（華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠，云南大理 675702）

針對小灣水電站水輪機技術特點及制造難度，為進一步掌握機組運行特點和功能技術，電廠組織開展了對轉輪、調速器、筒閥等核心部件的性能測試，并根據運行情況開展重大設備改造，有效地提高了水輪機運行性和可靠性；積極推進技術和管理創新，實現了生產管理信息化和智能化。

穩定性；頂蓋取水；技術改造；小灣水電站

1　工程概況

小灣水電站位于云南省鳳慶縣和南澗縣交界的瀾滄江上，地下廠房內安裝有6臺單機700 MW的立軸混流式水輪發電機組，總裝機容量為4 200 MW，額定水頭為216 m，多年平均發電量為189.9億kW·h，采用筒閥作為主閥，電站以500 kV電壓等級接入電力系統，在系統中擔任調峰、調頻和事故備用，電站按無人值班（少人值守）設計。

小灣水電站水輪機型號為HL153-LJ-660，額定出力714 MW；最大水頭251 m；設計水頭216 m；最小水頭164 m；設計流量360.3 m3/s；額定轉速150 r/min；轉輪公稱直徑6 600 mm；活動導葉24個；安裝高程980 m；轉動慣量110 000 t·m2；軸向水推力27 000 kN；導水機構關閉時間6～12 s；推力軸承載荷10 500 kN；水庫正常蓄水位1 240 m；飛逸轉速286 r/min。

2　小灣水輪機技術特點及制造難度

（1）小灣水輪機額定出力700 MW，單機容量大，額定轉速高，為該水頭段單機容量世界最大。小灣水輪機制造難度系數達10 933，蝸殼制造難度系數為942.5，均屬世界前列，對水輪機的設計、制造質量控制、運行維護提出前所未有的挑戰。

（2）水輪機運行水頭高，水頭變幅較大，最大水頭（251 m）與最小水頭（164 m）比值達1.53，運行水頭變幅達87 m，機組運行條件苛刻，要求水輪機具有寬幅度的水頭適應性、穩定性和高效性。

（3）小灣水輪機效率高，達到96.4%，轉輪直徑為6 600 mm，出水邊較薄，是700 MW水輪機組中水頭最高的水輪機，對葉片材料和制造質量提出了很高的要求。

（4）水輪機設置數字式同步電液控制系統的筒閥，可有效減少機組漏水量及活動導葉空蝕。但筒閥的強度及剛度要求高，安裝工藝復雜，精度要求高，對座環現場加工精度提出了更高的要求。

（5）調速器作為水輪機控制系統的核心設備，采用公稱直徑為250 mm的主配壓閥，閥芯與閥套之間配合精度要求高，其調節品質的好壞直接影響機組安全穩定運行，對電力系統電能質量和安全可靠性運行有著重大意義。

3　小灣水電站水輪機性能試驗和測試

小灣水電站水輪機自2009年運行以來，為了進一步掌握機組運行特點和功能技術，電廠組織開展對轉輪、調速器、筒閥等核心部件的性能測試。

3.1水輪機全水頭、全負荷段穩定性試驗

小灣水輪機轉輪有15個“X”型負傾角葉片，公稱直徑為6.6 m。小灣轉輪利用德國海德海姆福伊特水電集團的高水頭水輪機試驗平臺進行了模型試驗。水輪機模型最高效率為95.06%，換算成原型后為96.45%；模型機加權平均效率為94.09%，真機加權平均效率為95.48%，水輪機轉輪能量指標較高，并且在整個運行范圍內水輪機有較高的效率，最優工況區較寬。

小灣機組安裝有TN8000機組狀態監測分析系統和振擺保護系統，并邀請云南電力試驗研究院開展各水頭全負荷段的穩定性及效率試驗。根據試驗監測數據分析，小灣電站6臺水輪機組運行穩定性能基本相同，試驗中對機組各部位振動擺度、壓力脈動進行監測，同時結合機組動應力測試，對各負荷段下的壓力脈動、振動擺度情況進行測試和分析。試驗后根據機組運行穩定性特點，全水頭全負荷區間可劃分為：禁止運行區、限制運行區、振動區、穩定運行區4類。

通過對水輪機全水頭、全負荷段穩定性試驗，小灣電廠優化了機組運行方式，調整AGC有功調節策略，避免機組在禁止、限制運行區運行，避免頻繁跨越振動區，積極和電網調度單位協調優化機組負荷分配，提高了小灣水輪機運行穩定性和可靠性。

3.26 600 mm直徑轉輪動應力測試

小灣水輪機投入運行以來，多次發現轉輪開裂現象，且多發生在葉片出水邊與下環連接處。針對于此，開展轉輪動應力測試，對轉輪葉片的靜態應力和動態應力進行測試。通過對各種工況下葉片的應力、壓力脈動測試顯示，小灣水輪機在連續穩定區和限制運行區內運行時，動應力主要來自于無翼區的動靜干涉。特別是在200 MW負荷以下，多個葉道渦帶和水力繞流的混頻作用，動應力遠超過正常運行工況值，極易造成水輪機轉輪的疲勞破壞。

通過轉輪動應力試驗，小灣電廠全面掌握了轉輪在各工況下的動、靜應力情況，評估在不同運行條件下的轉輪運行壽命，為合理劃分機組安全運行區域提供科學依據，較為全面的評價轉輪安全可靠性能，對進一步分析大型水輪機轉輪葉片開裂原因和深入開展轉輪可靠性研究具有重要意義。

3.3700 MW級水輪機頂蓋取水試驗

小灣電站單臺機組冷卻用水量約2 100 m3/h，機組技術供水采用單元水泵供水方式，采用離心水泵從機組尾水管取水，經DN450的管路向機組供水。此外，設計有從頂蓋泄壓排水管引出一路作為頂蓋取水，作為水泵取水的備用。

2011年，小灣電廠在6號機組開展以頂蓋取水作技術供水水源的試驗工作。在停機態下將供水方式切至頂蓋取水供水后開機帶負荷運行，在空載、200、450、550、650 MW等工況點下穩定運行至瓦溫、水量基本穩定。試驗結果顯示各負荷點下軸承瓦溫、機組振擺等均滿足運行要求。

通過一系列的試驗和分析，電廠確定了頂蓋取水供水作為備用供水水源的技術可行性，緊急情況下可以進行供水切換，滿足機組供水需求。

3.4高水頭、大負荷下的筒閥動水關閉試驗

隨著筒閥應用的不斷推廣，筒閥的動水關閉性能和安全性越來越受到重視。為了測試筒形閥在動水關閉過程中接力器同步性、機組振擺、壓力上升及水力下拉力，小灣電廠專門開展了208 m水頭下筒閥帶負荷下動水關閉試驗。

電廠分別在200、350、500、665 MW負荷下進行了筒閥動水關閉試驗，在動水關閉過程中，關閉時間無變化，筒閥系統對6個接力器位移同步調節性能良好，偏差在2 mm以內。接力器有桿腔壓力隨著開度的減小逐漸升高，且關閉至0.5%開度時達到最大，約兩倍系統油壓；水力下拉力方在幾乎到達全關狀態瞬間時，達到最大。

此次筒閥動水關閉試驗，在國內首次實現了700 MW水輪機筒閥在高水頭下平穩、快速的動水關閉，測試了筒閥作為緊急事故情況下一種水機保護的安全性，對同類型電廠筒閥運行有參考價值。

4　小灣水輪機重大設備優化和技術改造綜述

4.1頂蓋泄壓管節流板改造

小灣水輪機在轉輪上冠設置4根DN350的泄壓管，將進入上冠的水排至機組尾水，及時排除頂蓋水壓，減小軸向水推力。在運行中發現在部分工況下水輪機坑內泄壓管出現異常振動和撞擊噪聲，且與機組負荷、尾水位有關系。

經過多次試驗發現，頂蓋泄壓管排水口位于尾水錐管，在部分負荷下尾水錐管處的壓力脈動引起泄壓管路的共振；且泄壓管口從轉輪上冠引出口后管路直徑偏大，水流沒有完全充滿管路引起脫流空化，經多個彎頭和轉向造成沖擊和碰撞，形成無規律的異常振動和噪聲。

經研究，電廠決定在頂蓋上環板與泄壓管連接處增加節流穩流孔板，設置4個節流孔，每個孔直徑為75 mm，有效減小泄壓管內水流速，穩定水流態，減少了頂蓋無翼區壓力脈動與椎管內壓力脈動對泄壓管的相互作用，消除了異常振動和沖擊噪聲。

4.2大軸中心孔補氣閥改造

為保證機組在部分負荷工況下的穩定運行，小灣水輪機在發電機頂端設置中心孔補氣裝置。數年運行發現，該彈簧加浮筒式油緩沖補氣閥盤在上下運動中多次出現緩沖油腔密封磨損漏油、密封面橡膠條損壞造成漏水等缺陷，易造成補氣閥發卡，給發電機運行帶來嚴重隱患。

為徹底消除隱患，電廠決定采用XBF系列空氣緩沖式補氣閥，利用空氣壓縮緩沖技術，以空氣作為緩沖介質，在緩沖活塞上裝有緩沖逆止閥。閥體在彈簧力的作用下關閉，實現了速開、速閉、到位緩慢關閉，新補氣閥軸與緩沖活塞采用了萬向連接器，所以動、靜套件的同心度好，不會出現卡澀。

為了防止尾水位過高時補氣閥關閉不嚴造成補氣管漏水，在補氣閥座底部設置一個七孔浮球止逆閥，閥體采用不銹鋼材料，密封浮球采用真空的不銹鋼球，耐密封壓力為0.25 MPa。當尾水位較高時，尾水將真空浮球托起堵住補氣管道，可有效防止反水錘，是整個補氣管道的第二道保護。

通過改造，有效解決原有補氣閥漏油、卡澀等缺點，增加了補氣量，有效改善轉輪運行工況，保證了機組運行安全。

4.3水導軸瓦支撐環密封齒改造

小灣電廠水輪機導軸承為分瓦塊自潤滑軸承，自循環外冷式油循環，熱油通過主軸滑轉子泵入冷卻器，冷卻后的油通過軸瓦上部的環管將油均勻的噴淋在軸瓦之間和滑轉子上。

2011年2、4號機組在連續運行中發現水導瓦溫、油槽溫度不斷升高并達到報警值，根據油溫、水溫情況發現水導油循環不暢造成。停機檢查發現軸瓦支撐環的接觸式密封齒損壞，隨動密封彈簧片相互疊加，造成部分軸瓦支撐環間隙明顯增大，有的甚至達到了5mm，造成水導油槽冷熱油腔互竄油循環動力不足，冷卻效率降低。

鑒于支撐環的接觸式密封齒彈簧片容易松脫導致密封齒失效，電廠決定更換為聚四氟乙烯材質的非接觸式密封齒，通過修型保證密封齒與軸領間隙在0.2～0.4 mm，有效保證了冷熱油腔壓差，保證循環動力提高冷卻能力。

4.4活動導葉上浮卡澀處理

2012年，在4號機組檢修時發現其導水機構存在卡澀現象，部分活動導葉上端面與頂蓋抗磨板研傷。經對導葉端面間隙進行檢查發現，端面總間隙未變化，但上端面間隙明顯縮小，個別活動導葉上端面間隙只有不到0.10 mm，初步判斷在機組運行過程中活動導葉有不同程度的上浮現象。

針對以上分析，電廠利用檢修機會對活動導葉上軸頸圓弧過度處R5與頂蓋中軸孔C5倒角進行修磨，打磨出較大過渡邊；重新分配導葉端面間隙，上下端面間隙按照6∶4比例調整，并控制拐臂防抬壓板間隙在0.05～0.10 mm間；將拐臂上原導葉端面間隙調整墊片由銅片更換為不銹鋼墊片，確保不發生變形；疏通活動導葉下端的底環排水孔，防止排水孔堵塞導致導葉上浮。經處理，小灣機組導水機構卡澀情況消失，導水機構動作靈活。

4.5插裝式事故配壓閥加裝

小灣水電站調速系統機械液壓部分主要由油壓裝置、主配壓閥、鎖錠系統及其傳動機構組成。由于種種原因，電站投產時僅設置了筒閥而未設置事故配壓閥。

2013年小灣電廠加裝了插裝閥式事故配壓閥，由4個大流量的插裝閥和先導閥、液控閥組成、瑞典圖拉博（TURAB）過速保護器構成。事故配壓閥主要應用在機組的過速保護中，當機組轉速過高、主配壓閥拒動、倒水機構操作失靈時，事故配壓閥動作直接將壓力油從油壓裝置接入接力器，實現不依賴于主配的、僅靠純機械或電氣過速的硬回路驅動事故配內部閥芯，使活動導葉無條件、快速關閉，實現機組緊急停機，保障機組和水工建筑物的安全。

小灣水輪機插裝式事故配壓閥具有動作可靠靈敏、成本較低、結構簡單、內泄漏量小等優點，在安裝后運行穩定，未發生過閥芯卡澀、拒動等現象，同時配合機械過速裝置、進水口事故門做多重水機保護。

4.6頂蓋泄壓排水管路柔性節改造

小灣水輪機在頂蓋處設置四根DN350的泄壓管，泄壓管中部設置柔性節緩沖軸向位移，減小頂蓋振動和水力脈動對管路的影響。機組在長期運行過程中由于管路振動和竄動出現柔性節螺栓斷裂、密封破損情況。

為徹底消除隱患，減少日常維護量，電廠選用壓蓋式松套限位伸縮接頭替代原有的柔性節。該柔性節由壓蓋、本體、密封圈、限位螺桿、螺母、限位伸縮管等組成，密封圈采用丁晴橡膠材質的錐形密封圈，充壓后與壓蓋形成錐度受力，受力越大密封越緊；同時增加了限位螺桿裝置，管道在允許的伸縮量中可以自由伸縮，補償因振動引起的泄壓管軸向位移和徑向振動，承受管道的壓力和推力，保證伸縮節密封完好。

4.7優化調速器開機規律實現軟開機

根據水輪機轉輪動應力測試發現，不良的調速器開機規律也是造成葉片疲勞損傷、開裂的重要原因。原有的開機規律中，導葉迅速開到空載開度并保持，整個開機過程中葉片動應力較大。

通過對不同的開機時間和開機曲線下的葉片動應力的對比測量，電廠選用一種優化后的調速器開機規律，即導葉按0.25%導葉全開度/秒的開啟速率從全關至1.4倍的空載開度，轉速達到90%的額定轉速后導葉開度開至1.3倍的空載開度，轉速到達95%的額定轉速后調速器控制邏輯由開機狀態轉為空載狀態。

通過實測，轉輪葉片下環側的動應力峰值由原來的開機規律下的340 MPa降至200 MPa，葉片上冠側的動應力峰峰值則由55 MPa將至30 MPa，而開機時間僅增加了20 s，符合電網對水電機組快速啟動的要求。

4.8筒閥直缸接力器全開指示裝置改造

小灣筒閥每個直缸接力器頂部設置一個全開位置行程開關，反饋指示桿采用O型密封圈，用來指示筒閥活塞處于全開位置。在運行過程中發現，隨動指示桿筒閥啟閉過程中多次發生密封失效導致漏油的問題。

電廠重新對該處密封結構進行改造，將整個反饋裝置進行重新設計。改進后的裝置結構布置更合理，采用軸向及徑向密封均為固定式密封，均安裝在反饋桿安裝孔外，能有效避免動作過程中損傷及安裝過程中的機械損傷，延長使用壽命，保證密封性能。自從改造以來，該處未發生過泄漏，反饋裝置動作可靠。

4.9筒閥同步控制邏輯優化

小灣水輪機筒閥控制系統主要采用同軸馬達電液同步系統，機械液壓部分由6臺接力器、1套綜合控制閥組、1個同步分流器、6套同步閥組等構成；電氣部分由可編程控制器PLC、接力器位移傳感器、位置開關及信號功率放大版等組成。

小灣電廠將筒閥啟閉串入開停機流程中，導葉全關后落下筒閥，可有效防止水量損失和間隙汽蝕。但在運行過程中，發生數次筒閥卡阻現象，且多發生在筒閥關閉至96%～98%開度之間。多次試驗后，認為筒閥長期在全開狀態下各接力器有桿腔壓力逐漸出現不平衡容易在關閉的一瞬間發生卡阻；在緩沖階段轉為分流器供油切換的過程中，由于液控換向閥制造差異，容易造成供油流量的不平衡引起卡阻。

根據上述判斷，電廠決定對筒閥同步控制系統的邏輯進行調整：

（1）為避免油路切換引起各接力器供油量偏差，取消筒閥關閉初始階段緩沖，先打開主油路由分流器供油，比例閥參與位移糾偏。

（2）為避免接力器下腔壓力不平衡，筒閥在接到關閉令后，先打開液控閥向接力器下腔供油，平衡各接力器下腔壓力，延時兩秒后再向接力器上腔供油開始關閉程，在接近全關時進行比例閥供油緩沖。

通過同步控制邏輯改造，筒閥可以很好的平衡接力器壓力，防止筒閥突然動作引起的位移偏差，在改造后運行未發生過卡澀情況。

5　小灣電站精益化生產管理

小灣電廠自成立以來，緊緊圍繞安全生產、穩定運行這一目標，推進安全生產管理體系建設，通過日常巡檢、定檢維護、更新改造，逐步提高機組運行穩定性和可靠性，為實現無人值班、創建國際一流水電廠打下堅實基礎。

5.1加強設備巡檢和運行分析，完善動態建模工作，實時監測設備運行狀態和劣化趨勢

電廠開展日常運行巡檢和專業巡檢，時時監測機組運行狀態；將設備管理工作分解到日、周、月，并責任到人，明確工作周期和質量標準，納入信息化生產管理系統，做到設備工作標準化、流程化、清單化。

開發動態數據分析平臺，將監控系統、振擺系統、環境監測結合起來，多方面開展設備運行狀態分析和劣化趨勢，及時發現設備隱患和故障；完善、優化動態數據平臺預警定值，拓展相關量分析的作用，實現動態平臺中設備運行報警功能，及時反應設備的運行狀況。

5.2強化設備基礎管理，完善基礎管理，加大力度對設備的更新改造

電廠始終將基礎工作作為設備管理的重中之重。持續完善設備技術臺帳、設備備品定額臺帳并定期更新，全面提升設備管理水平；編制可視化作業指導書、可視化巡檢指導書，深入開展檢修工藝教學視頻制作、設備缺陷故障詞典匯編和備品定額臺賬修編等工作。

同時，電廠狠抓設備整治和技術改造，積極開展設備技術改造和升級，了解國內外新技術、新材料、新科技的發展，采用和推廣成熟新技術，不斷提高設備可靠性和運行穩定性，先后對水輪發電機組、各輔助控制設備進行重大改造36項，零星優化和技改上百項，有效地保障了機組安全穩定運行。

5.3加強技術監督工作，強化技術改造和升級，強化設備管理的廣度和深度

在積極開展設備管理的同時，電廠設立三級技術監督網路，做好專業技術監督工作，兩者相互促進，堅持開展周分析、月分析，跟蹤設備重大缺陷和重大隱患，進行長期監控和趨勢分析。

各技術監督小組及時分析設備存在的問題與劣化趨勢，并提出具體解決辦法，充分發揮了技術監督體系對生產管理的指導作用；通過對各設備關鍵指標進行監督、檢查、調整、評價，促進技術專業管理，保證安全、經濟運行。

6　結語

作為國內大型水電廠，小灣電廠以安全生產為中心，以機組穩定運行為重點，強化設備基礎管理和安全管理，不斷推進無人值班建設，積極推進技術和管理創新，實現生產管理信息化和智能化，不斷踐行和探索大型水電廠安全生產管理的新模式，為創建國際一流水電產不斷努力。

［1］曾鎮鈴，徐正鎬，王曉龍.小灣水電站水輪機主要參數和結構型式選擇［J］.水力發電，2006（11）：94-96.

［2］林洪德，劉禮政，杜江.小灣水電站Φ8.69 m筒形閥結構設計［J］.東方電機，2010（04）：9-13.

［3］何春山，尹述紅.小灣水電站調速器液壓系統的方案比選［J］.水力發電，2009，35（9）87-90.

（責任編輯高瑜）

Review on Turbine Performance Testing and Technical Transformation of Xiaowan Hydropower Station

XU Dexin，QIAO Jinguo
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

In light of the technical features and manufacturing difficulties of turbines in Xiaowan Hydropower Station，the performance tests of runner，governor and cylinder valve are carried out to further understand the features and functions of unit operation.The technical transformations of major equipments are further conducted based on operation，and the operation and reliability of the turbine are effectively improved.The innovations on technology and management also achieve the informatization and intelligence of operation management.

stability performance；water-taking from head cover；technical reformation；Xiaowan Hydropower Station

TM312（274）

B

0559-9342（2015）10-0029-05

2015-07-22

徐德新（1985—），男，山東棗莊人，工程師，從事水電廠機電設備維護檢修管理工作.