衡陽某電站水輪機增容改造設計

解再益

（湖南云箭集團有限公司，湖南 長沙410100）

衡陽某電站水輪機增容改造設計

解再益

（湖南云箭集團有限公司，湖南 長沙410100）

衡陽某電站經過40多年運行后，其效率低，水資源浪費嚴重；在洪水期間，機組振動大，無法運行，經濟效益十分低下。通過此次電站技改，特別針對水輪機改造，解決了電站效率低、運行不穩定和效益低下等問題。首先是選擇高效、大流量的轉輪，提高了水輪機的出力；其次復核原電站流道尺寸參數，確保增容后新水輪機有足夠的過流能力；最后用專利的轉輪槳葉調槳技術，解決了水頭、負荷變化時機組振動大的現象，保證了機組能夠長期穩定運行在高效區里。通過真機的長期運行，驗證了此次技改的措施是成功的，大大提高了電站的綜合效益，也為國內眾多同類型電站的技改提供了借鑒。

增容改造；高效；出力；穩定；效益；轉輪；流道；復核；振動；調槳

1 基本情況

1.1 電站概況

衡陽某電站是一座以灌溉為主，兼顧發電、防洪、通航功能的綜合性農村水利樞紐工程。正常蓄水位為60.5m，設計水頭為10.5m，多年平均降雨量為1343.3mm，多年平均流量為250m3/s，多年平均徑流量為79億m3。現裝有ZD510-LH-180型1250kW容量的水輪發電機10臺，發電機總裝機容量12.5MW，經統計，近20年實際平均年發電量為7275kW·h，年小時平均利用率為5820h。

1.2 電站存在的問題

1）原機組服役40多年，安全隱患多，技術采用的是前蘇聯40年代技術，效率低，水資源浪費嚴重，經濟效益低下；

2）電站洪水期間，水頭變低，機組振動大，無法運行。

1.3 增容改造的內容和目標

衡陽某電站是在原有流道不改變的基礎上，通過改造，增效擴容到單機出力達1600kW；同時保證在洪水期，機組能夠穩定運行并發電。

2 電站改造的主要參數

增效擴容的設計參數為：設計水頭仍為10.5m，轉輪直徑為φ1800mm（轉輪室不動），導葉高度720mm（座環不動），單機出力達1600kW。

3 水輪機改造說明

衡陽某電站改造具有很大的代表性，存在的問題突出，改造目標十分明確，主要任務在于改造電站的原動機——水輪機上。

而水輪機的改造主要從以下三個方面著手，分別進行改造分析說明：

1)選擇高效大流量的轉輪；

2)通過對原有流道的分析，復核改造后機組的出力情況；

3)針對電站洪水期間，水頭變低，機組振動大到不能開機的情況，用調槳式轉輪結構，來解決轉輪槳葉與水頭、負荷變化的協聯動作問題，以保證水輪機運行穩定。

下面就從這三個方面進行改造分析說明。

3.1 轉輪選擇

衡陽某電站原水輪機ZD510-LH-180，ZD510轉輪是蘇聯上世紀40年代的技術水平，其效率低下，因此選擇新型高效、大流量的模型轉輪是保證技改成功的關鍵。

從目前國內軸流機中選出幾個模型轉輪進行比較，找出衡陽某電站與目前最匹配的模型轉輪，分別是：ZDJP502、ZDK160。

3.1.1 模型轉輪參數比較（見表1）

3.1.2 原型水輪機參數比較（見表2）

3.1.3 真機運行曲線圖

水輪機真機運行區間圖見圖1。

圖1 ZDJP502-LH-180水輪機運行區間圖

3.1.4 技改轉輪選擇說明

1）根據改造軸流式水輪機的特點，對水輪機性能影響最大的是導葉高度、輪轂體直徑和尾水管高度。而從模型轉輪的流道參數可以看出，ZDJP502的導葉高和與ZD501一樣，輪轂體直徑更小，尾水管尺寸接近，與電站現有的流道最為接近，因此從技改水輪機的角度出發，優選ZDJP502模型轉輪。

2）從真機的轉輪效率來看，ZDJP502-LH-180的設計點達91.58%，其設計點的效率較高，是非常優秀的一個轉輪。

3）ZDJP502模型轉輪的模型汽蝕系數σc小，安全系數取1.2計算，得出JP502轉輪的吸出高度為+0.82m，滿足電站的要求。

綜上所述，從能量指標、穩定性指標、空化性能及與原電站流道的匹配性考慮，ZDJP502轉輪是最適宜的模型轉輪。此次技改推薦的方案是：

ZDJP502-LH-180(ψ=+8°) SF1600-24/2600

3.2 電站流道過流能力的復核

對于技改電站，增容到1600kW，單臺水輪機的額定流量會從16.9m3/s增加到19.5m3/s。因此需對原電站的流道尺寸進行復核計算，包括：進水口部分、混凝土蝸殼、尾水管。

3.2.1 進口部分復核

按電站提供的設計圖，其進水口尺寸為2.5m× 2.5m，其進口面積是：2.5×2.5=6.25m2，《大電機設計手冊》混凝土蝸殼進口斷面的平均流速為3m/s，見圖2，其過機流量Q=6.25×3=18.75m3/s，此時發電機出力為 N=9.81HQηDη=9.81×10.5×18.75× 0.95×0.9158=1680kW；

式中：H——設計水頭(m)

Q——過機流量(m3/s)

ηD——發電機效率(%)

η——水輪機效率(%)

圖2 混凝土蝸殼進口斷面的平均流速

3.2.2 蝸殼部分復核

查電站的原始設計圖紙，原電站的蝸殼進水口是2.5m×4.6m（高×寬），其余部分也與180°包角的混凝土蝸殼尺寸是相同的，蝸殼部分沒影響。

3.2.3 尾水管部分復核

查電站的原始設計圖紙，原電站的尾水管單線圖是按標準的4C肘管設計的，與ZDJP502轉輪采用的肘管相比：

電站原4C尾水管出口尺寸為2358mm×4277mm，是ZDJP502尾水管出口尺寸2198mm×5184mm的0.885倍。

在不改變尾水管等埋入部件的情況下，改造后的機組相當于采用了“異形過流部件”的結構，因此在計算效率修正時，要根據“異形過流部件”對效率的影響需要另外修正，修正值取-1.0%，最終發電機出力為N=9.81HQηDη=9.81×10.5×18.75×0.95× 0.9058=1662kW。

通過對原電站的流道尺寸進行復核計算，原流道尺寸能夠滿足增容改造要求。

3.3 調槳結構設計

衡陽某電站洪水期間，出現水頭變低，機組振動大到不能開機的情況，是軸流定槳式水輪機的特點決定的。從圖1（ZDJP502-LH-180水輪機運行區間圖）可以看出，定槳式轉輪，因葉片角度固定，其運行區間相當窄，當實際工況偏離設計工況時，水輪機效率急劇下降，機組出力下降；水輪機偏離到不穩定區間運行，振動大，且空蝕嚴重。

要擴大軸流式水輪機高效運行的區間，普遍采用的是轉槳式轉輪結構。轉槳式轉輪可任意調整轉輪槳葉角度，使導葉和槳葉開度保持著協聯關系，保證了水輪機始終在高效且穩定的區間運行，這樣水輪機既獲得了較高的效率，又能保持運行穩定。而轉槳轉輪需通過液壓油控制轉輪槳葉調節，整套受油器系統復雜，密封困難，常出現漏油、竄油及密封失效等問題，電站的維護成本高。

衡陽某電站水輪機轉輪直徑φ1800mm，如果改造成轉槳式轉輪，一是要增加一套液壓系統，大大增加運行、維護成本；二是轉輪體內部空間狹小，結構布置困難。對于這種機型改造，我們優選調槳式轉輪結構，調槳結構設計是介于定槳與轉槳轉輪結構的新型轉輪結構，一般采用純機械式操作，無需要液壓油系統來調整轉輪槳葉，即可實現水輪機高效運行。

我們擁有成熟的調槳式轉輪結構專利技術（一種軸流式水輪機的手動調槳機構，專利號：ZL201320838508），其調節結構和方法簡單，可以實現轉輪葉片在停機時，隨意調整葉片角度，對負荷變化的適應性較好，運行區域較寬廣，平均效率較高，同時解決轉槳轉輪的漏油、竄油等問題。圖3是衡陽某電站采用的調槳式轉輪結構圖。轉輪葉片角度調整在水機層操作，用手柄旋轉蝸輪運動，帶動蝸桿作上下運動，葉片轉角0~8°，完成了水頭與槳葉角度的協聯動作，實現了負荷與水頭同步變化。

圖3 蝸殼蝸桿傳動的軸流調槳式水輪機轉動部分

4 改造后的效果

衡陽某電站完成改造后，在電站多次售后服務中記錄：真機運行半年來，在正常水位時，水輪發電機組運行在1630kW以上；在洪水期間，水輪發電機組可以穩定運行在1460kW以上。水輪機通過調節槳葉角度，保證機組在上述二種狀態下，均能夠長期穩定地運行。

5 結束語

衡陽某電站機組已運行40多年，其效率低，洪水期機組振動到無法運行，水資源浪費嚴重，電站整體經濟效益十分低下。我們在認真分析了原電站存在的問題，提出科學的技術改造辦法，特別是針對水輪機的技術改造，采用最適宜的改造手段，實現了機組增容目標，同時機組能夠長期穩定、高效地運行。通過真機的長期運行，檢驗了此次技改的結果，其技術改造措施是成功的，取得了令人滿意的增效擴容目標。

衡陽某電站通過此次成功的技術改造，發揮出了更大的綜合效益，也為國內眾多同類型電站的技改提供了借鑒。

[1]張屹峰.馬頸坳水電站6號水輪機的增容改造[C]//第十八次中國水電設備學術討論會論文集，2011.11.

TV734.2

B

1672-5387（2017）05-0045-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.011

2016-05-17

解再益（1975-），男，工程師，從事水輪機設計工作。