中小型水電站水輪機選型設計在實際電站改造中的應用

余水發

（上饒市水利電力勘測設計院江西上饒334000）

中小型水電站水輪機選型設計在實際電站改造中的應用

余水發

（上饒市水利電力勘測設計院江西上饒334000）

本文以玉山縣七一水電站為例，對電站的基本情況進行了詳細介紹，結合水電站的具體情況對水電站水輪機的型號選擇、參數設計等進行了分析研究，對水輪機設備的改造和安裝進行了探討，水電站經過水輪機改造后運行穩定，發電量顯著增加，單位千瓦耗電量顯著降低，達到了預期的改造目標，以期為類似案例提供借鑒。

中小型水電站；水輪機選型；電站改造；應用

1　工程概況

七一水電站位于玉山縣金沙溪中游的棠梨山右側，距玉山縣城16km。是一座以灌溉為主結合發電的小（二）型電站。七一水電站3#機系南昌輕工機械廠（現為江西柴油機廠）試制產品，于1983年更換為杭州發電設備廠制造的水輪發電機組，裝機容量改為1250kW；2#機投運后于1994年進行了擴容改造，水輪機轉輪更換為HLA286型號，直徑D1=1.33m，發電機容量改造為4000kW（只改造定轉子線圈轉子鐵芯）；1#機投運后1993年進行了擴容改造，水輪機轉輪更換為HLA244，直徑D1=1.32m，發電機容量改造為4000kW（只改造定轉子線圈轉子鐵芯）。3臺機勵磁分別于1993年～1994年改為靜止可控硅勵磁（模擬電路）。由于電站3臺機投入運行時間間隔較大，本電站設計了3臺變壓器，采用單機單變升壓至35kV與系統并網送電至下游5km的雙明35kV變電站。6.3kV母線又有2臺近區變壓器升壓至10kV供近區負荷，形成了七一供電區。電站的6.3kV母線為單母線分段接線，其母線為硬鋁母線35kV電壓等級為單母線接線。

2　玉山縣七一水電站基本狀況分析

玉山縣七一水電站中的1#機經過了40年的發展歷程，1994年進行水電站改造時將型號為HLA263-LJ-134的水機轉變成HL286-LJ-132型號，并更換了水輪機的轉輪與發電子的定子線圈，轉子的速度也從原來的273rmp提升至333rmp，機組工作的功率從3000kW提升至4000kW，現階段通過檢驗發現水輪機大軸的主軸密封處磨損大約有7mm～8mm，磨損現象較為嚴重。該設備的2#機組實際運行時間已經超過了50年。另外在1993年對同時運行的1#機組也進行了改進，提升了機組自身轉速和機組容量。但由于機組運行時間過長，仍存在鐵心損壞，冷卻器堵塞以及軸承溫度過高等一系列問題。其中大部分設備已經超過報廢期限，因此本次改造應當更加全面，除了對埋入部分進行整體性更換之外，還應當對轉輪進行更換，對導水機構和發電機進行整體更換。

3#機組已經于1981年進行了全面更換，但是由于安裝高程較低，環境潮濕，使得設備在實際運行過程中產生了嚴重的腐蝕現象，軸承的溫度更超過了其所能夠承受的極限，因此設備當前基本處于報廢狀態，需要在本次改造過程中進行全面更換。本電站的3#機組的調速器全部為機械調速器，自身調節品質較差，大部分零件都已經停止生產，設備已經到了報廢期，須進行更換［1］。該機組所使用的勵磁是傳統的相復勵模擬電路，須進行整體改造。此外，該設備的進水閥門采取空氣圍帶進行密封，由于已超出使用年限，存在極為嚴重的漏水現象，因此應當對其進行整體改造。

3　水輪機及其附屬設備

3.1水輪機型式的選擇

本水電站水頭范圍為24.79m～44m。根據電站水頭范圍及裝機容量，本電站適用混流式轉輪。本次改造，針對原有的A244、HLA286兩臺立式機組轉輪加入HLA551進行比較，原有臥式機組加入F13進行比較。適用的混流式水輪機轉輪參數見表1。

3.2水輪機基本參數的選擇

為了保證電站在額定水頭工況下所有機組能夠滿發，額定水頭的選擇按機組滿發需要的水頭選擇［2］。現將2臺立式和1臺臥式這兩個容量方案分別進行技術經濟指標比較列于表2、表3。

從上表中可以看出，其中1#、2#機組的第一套改進方案比第二組改進方案投資少了24萬元，而且該種設備的水機使用效率可以提升2%，基于此，在實際改進過程中應當使用方案一。

根據表2得知，在3號機組的改進過程中投入的資金數量相對于方案一多14.9萬元，而水機的使用效率雖然和方案一相同，但是分析其綜合使用效率，方案二的總體效率略高。此外考慮到電站改裝成本的重要因素，在本階段的改進過程中應當選擇使用第二套方案。

表1　適用本站混流式水輪機轉輪模型參數表

表2　1#、2#機組技術經濟比較表

表3　3#機組技術經濟比較表

3.3對于水輪機附屬設備的改造

（1）調速器。根據設計要求，發現在本設備的1#、2#機組水輪中應當配置兩個微型調速器，要求其額定油壓為16MPa；而3號機組所配備的微型調速器的額定油壓則應當為2.5MPa。

（2）進水閥裝置的改進。對機組中原有的水輪機直流操作進水蝶閥進行更換，即全部更換為新蝶閥蓄能式的液控蝶閥，該設備的工作壓力為1.0MPa，內徑為1200mm。

3.4水輪機高程安裝

本電站的1#、2#水輪機直徑是1.32mm，根據推算結果其自身的吸出高度應當為0.3m，根據電站尾水的實際情況分析，水輪機的安裝高程應當為116.1m［3］。而3號機組的直徑為0.9mm，吸出高度則為3m，水輪機的安裝高程則為118.8m。

3.5調節保證計算

本電站輸出工程為單回路接線方式，當線路故障時可能出現三臺機同時甩負荷。因此需按三臺機同時甩全負荷進行計算。

當最大水頭為46m、三臺機帶額定負荷時（2×4.0 MW+1×1.6MW），發電流量Q=2× 13.6m3/s+最長管，ΣLV約為401.76m2/s。導葉關閉時間為4s，機組最大速率上升值βmax=30.9%，小于60%。蝸殼最大壓力上升38%，最大水壓值為17.5m，滿足調節保證計算規范要求。

4　水輪機改造效果

七一水電站水輪機按照上述方案進行改造設計后，運行穩定。投入運行7864h后停機檢查，機組轉輪葉片光亮，水輪機未出現氣蝕的情況。在不同水頭情況下，1#、2#、3#水輪機經過改造后發電量增加了362kW、353kW、367kW。經過改造后水輪機單位千瓦耗電量均比未改造之前低，水輪機的運行效率顯著提升。對水輪機進行改造后達到了預期設計目標，經濟效益顯著。

5　結語

根據本次七一水電站水輪機選型工作實際，提出以下建議：1）對一些老舊的水電站采用增容改造的措施，不需要建造大壩等多種水工建筑物，這樣可以有效節省資金的投入，經濟效益顯著；2）在實際改造過程中，需充分利用現代化的技術水平，結合我國上世紀八十年代的中小型水電站改造經驗，對水輪機進行技術改造，從而確保水輪機能夠高性能、高質量的運行。陜西水利

［1］辛喆，吳俊宏，常近時.混流式水輪機的三維湍流流場分析與性能預測［J］.農業工程學報，2010，（03）:49-52.

［2］辛晟，梁興.水輪機內部湍流計算方法研究［J］.水利科技與經濟，2009，（09）:96-98.

［3］邵國輝，賴喜德.基于CFD的混流式水輪機性能預估［J］.流體傳動與控制，2009，（02）:34-36.

（責任編輯：暢妮）

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