榮桓電站改造分析

孫江 周學均 馬恩君

摘 要：文章通過對榮桓電站改造的說明，提出了僅改造水輪機轉輪及相關件來提高機組過流能力、增加電站效益的改造思路，闡明了貫流式水電站水輪機改造的方法，對同等條件及類型的電站改造提供了依據。

關鍵詞：電站改造；貫流式電站；水輪機

榮桓水電站是以羅榮桓元帥名字命名的中型徑流式水電站，位于湘江一級支流—— 水的高湖渡口，由于目前上游電站的設計流量大于榮桓電站流量，在上游電站額定運行時，榮桓電站需要棄水，導致資源浪費，因此，需要對電站進行增容改造，以提高機組的過流能力，減少棄水，進一步提高電站效益。

榮桓電站機組部分改造方案初步確定為將轉輪更換，發電機定子及轉子更換，調整機組轉速，并對其余部件進行適當修復，從而保證整體匹配，在改造后實現增容的目標。

1 改造前后對比

1.1 選型參數對比

榮桓電站原轉輪為天津發電設備總廠的TF08轉輪，研制于上世紀80年代，綜合效率尚可，但是機組在大流量時震動較大，目前改造時采用經過優化后的TF08C轉輪，兩轉輪對比參數見表1。

表1 原轉輪與新轉輪相關參數對比表

由表1可以看出，相對于老轉輪，新轉輪輪轂比較小，導葉高度較原轉輪小，但是相差不大，選用新轉輪后，機組過流能力加大，從而保證能夠有較大的機組出力。

1.2 流道對比

原流道與新轉輪流道相比（均按3.3m轉輪直徑設計），新轉輪外緣按照3.35m設計。

表2 兩轉輪按模型流道換算后流道對比

從表2看出，兩個模型轉輪換算的流道進口尺寸基本一致，流道出口尺寸有一定差別，新轉輪流道出口尺寸大，從理論上說回能性能更好。

1.3 導葉至槳葉段對比

由于新轉輪槳葉輪轂比小，因此，對槳葉至導葉段內側流道進行了修改，對比如圖1所示。

圖1中粗線為原流道，細線為改造后流道。

1.4 導葉對比

改造時沒有對導葉進行修改，從對比上看，導葉尾部翼型相差不大，頭部有一定出入，對比圖如圖2所示。

圖2 改造前后導葉型線對比

圖2中A區域為原導葉，B區域為新轉輪導葉，對比可以看出，新導葉頭部短，并且相對曲率小。

1.5 流道漸變段比較

相對于新轉輪，原轉輪在流道漸變段有兩個拐點，而新轉輪流道只有一個拐點（見圖3），從理論上說，原流道突變量小，流動應更加平滑。也就是說，原流道在漸變點的處理上更加先進，但是就是現場施工相對較困難。

圖3 新舊轉輪流道漸變段對比

圖3中粗實線為原漸變位置流道，細實線為新轉輪漸變位置流道。

從流道對比可以看出，進口段流道尺寸相差不大，包括在漸變位置，其相差都不大，但是在出口位置，新流道的出口擴散角大，同時出口斷面比原流道大，因此，在相同流量下，如果采用新轉輪安裝于原流道上，可能會出現因為出口流速高而導致的機組回能系數不足，機組效率下降，但是在設計點附近，出口流速為2.5m/s，與現在通用的設計參數相比比較切合，可以滿足要求。綜合上述，從理論上分析，新的改造可以滿足要求。

2 改造實際實施措施

由于文章僅討論水輪機改造，發電機改造相關內容文章不做描述。根據初步方案，制定詳細的改造措施如下。

2.1 轉輪

轉輪是水輪發電機組的核心部件，其作用是將水力能轉換為機械能，并通過主軸傳遞給發電機轉子，最后轉換成電能。

更換全新轉輪，轉輪型號GZTF08C，轉輪名義直徑φ3.35m。葉片可根據水頭及負荷通過調速器自動調整并與導葉協聯，以保證在各種工況下均具有最佳效率。新轉輪過流能力明顯提高，所需調速功也有所增加，為可靠操作槳葉。將調速器、油壓裝置工作壓力等級調升至4.0MPa。新轉輪輪轂比為0.3，三葉片，沖壓式結構。轉輪裝配包括轉輪體、葉片、葉片操作系統、泄水錐等。

葉片操作系統采用充壓式——活塞操作架合一的結構，活塞位于轉輪體后部用卡環與活塞桿連接，由受油器的開關油腔壓力油推動活塞運動，再通過耳柄、連桿、轉臂操縱葉片轉動。

改造后的操作系統采用新的密封和導向結構。原葉片操作系統采用活塞配鑄鐵密封環、配導向鍵的轉輪體槳葉操作機構，由于設計、制造、安裝和運行的原因，極易造成活塞與轉輪體接力器缸體的間隙過小，甚至為硬性直接接觸，造成損傷缸體，即所謂拉缸現象。而且這種結構由于三道活塞環在同方向開口，活塞與導向鍵三面均有一定間隙，也容易造成轉輪體內部串油較大。許多電站均不同程度的出現拉缸情況。在每次損傷后的盤車檢查中發現活塞與轉輪體缸體內壁底部沒有間隙。同時這種損傷均造成轉輪體活塞串油嚴重，油壓裝置油泵啟動頻繁，機組運行不穩定。對電站運行十分不利。

新葉片操作系統活塞密封采用整圈的具有自補償功能的標準孔用方形圈（GSF），配2個導向環，使活塞與轉輪體不直接接觸，避免了接觸損傷轉輪體接力器缸。此結構是液壓行業成熟結構，密封性能良好。從而徹底解決了由于轉輪體接力器缸損傷和由活塞環導向鍵密封不良造成的漏油和竄油問題。大大延長轉輪體接力器缸使用壽命，有效延長油壓裝置油泵啟動時間。對機組檢修和運行都十分有利。

2.2 導水機構裝配

根據新的技術要求，由于轉輪操作油壓調整，同時根據新轉輪特性，增加導葉開度，因此采用新接力器，將工作壓力調升至4.0MPa，以滿足操作力和行程要求。在導葉套筒原件上新加工密封溝槽，采用新型JMF密封件，解決導葉軸頭漏水問題。根據導葉型線對比，導葉返廠進行修型，將導葉型線按照新的導葉型線加工，采用數控加工，以有效的保證型線精度。

2.3 埋入部分

改造后的轉輪裝配轉輪直徑為φ3350mm，為滿足轉輪流道要求，需要更換新的轉輪室，轉輪室上方葉片轉動球面部分，120°范圍內采用不銹鋼材料，其余部分材料采用Q235A。

2.4 主軸改造（原件上加工）

改造后的轉輪裝配輪轂比由原來的0.4調整為0.3，流道明顯加寬，與主軸法蘭配合處直徑由原來的φ1126調整為φ996，為適應新流道要求，需要在原主軸基礎上進行修復及深加工。

包括：（1）修復、配車與主軸密封配合段。（2）并按新轉輪重新配車法蘭、補孔、鏜孔、配制銷孔需要深加工的部位。

2.5 主軸密封

原密封結構不能適應新轉輪過流能力要求，因此需要改造密封結構。主軸工作密封為戈爾盤根填料式密封，襯套為不銹鋼制造，密封漏水由排水管自流排至集水井，檢修密封為空氣圍帶式，工作壓力為0.7MPa。

3 結束語

榮桓電站改造首臺機組于2012年8月15日并網發電，經過調試后，機組出力相對原機組出力增加150～300kw，達到了預期目標，改造成功。

通過實際運行發現，改造后機組出力明顯大于原出力，同時機組運行穩定，噪音小于原機組，改造效果良好。本次改造的成功可以為同類型機組的改造提供實際案例。

參考文獻

[1]哈爾濱大電機研究所.水輪機設計手冊[Z].1975.

[2]水輪機原理及水力設計[M].北京：清華大學出版社，1991，9.

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