ZD560型水輪機技術改造的分析研究

李 勝

(安徽省淠史杭灌區管理總局淠東干渠管理處，安徽 六安 237009)

九里溝水電站2號水輪機型號為ZD560-LH-180，該機組額定容量1600kW，實際平均出力1418kW。要求通過現狀參數分析，找出出力受阻的原因，并在廠房水工基礎不變、預埋件和發電機部分不動的前提下，進行更新改造，達到額定出力。

1 機組出力受阻的原因分析

1.1 水輪機實際運行水頭低于設計值

原始設計時對水位預測不盡準確，且經過多年運行，下游渠道產生淤積，壅高了尾水位，使得機組實際運行水頭低于設計水頭。整理實測水文資料，2號機實際運行的特征水頭應為：額定水頭11.19m，最大水頭12.34m，最小水頭10.67m?？梢姍C組實際運行水頭比設計值低較多，尤其是額定水頭比設計值低1.31m，原葉片安放角度已明顯不合適，這對低水頭的軸流定槳水輪機的影響是巨大的，使其偏離高效區運行。

1.2 水輪機結構尺寸與模型有偏差，過流通道存在問題

該站3號機亦為ZD560(+10°)-LH-180水輪機，但生產廠家不同。在相同的水頭下，2號機出力比3號機低150kW左右，因此除了運行水頭原因之外，還需要對水輪機結構進行詳細分析比較。水輪機真機與模型采用相似理論設計，以使水輪機的性能達到設計要求。按文[1]要求，原型與模型應完全相似。ZZ560的模型(編號A30)流道參數和2號機實際流道參數的比較如表1所列。

表1 ZZ560模型與2號機真機流道參數對比表

注：軸流定槳時轉輪體(柱體)與轉輪直徑的比值 Db/D1=0.35，對應的轉輪室為柱面；轉槳時轉輪體(球體)與轉輪直徑的比值Db/D1=0.4，對應的轉輪室為球面。

由表1可見，2號機真機相對參數中，導葉和尾水管參數與模型機相對參數基本相符，主要差異在輪轂比，即2號機輪轂比應為0.35，實際為0.4，這使頂蓋、轉輪室至泄水錐的流道變狹窄，影響了水輪機流道的通流能力，造成出力不足。

2 技術改造方案研究

2.1 技術改造要求

針對九里溝電站的情況，本次改造要求如下：① 在凈水頭11.19m時,水輪機保證出力≥1720kW；②為控制工程量和工期，節約投資，蝸殼和尾水管不動，發電機部分不動；③原水輪機預埋件不動，導水機構不更換，如有需要，可增大導葉開口角度。

2.2 轉輪選型分析

(1)轉輪型號選擇。ZD560轉輪在我國早期建設的低水頭電站中曾廣泛應用，機型較老，效率偏低，近年來，很多電站對該型轉輪成功進行了增容改造，用JP502轉輪替換ZD560轉輪比較多見。但對于九里溝電站，由于發電機部分不動(即不降速)，如使用JP502轉輪，經計算和查模型轉輪綜合特性曲線，其運行區間大大偏離最優工況，設計點模型效率不到80%，故不可用JP502轉輪。經反復比選，擬采用ZD660a轉輪，其模型轉輪綜合特性曲線如圖1所示。

圖1 ZZ660a模型轉輪綜合特性曲線

(2)模型流道分析。將ZZ660a模型與2號機真機流道參數對比如表2所列?？梢姡鏅C與660a模型機相比，導葉數據略優，尾水管數據略差，整體流道差異不大，基本滿足需要。

表2 ZZ660a模型與2號機真機流道參數對比表

(3)模型水力性能和汽蝕性能分析。將ZZ660a和ZZ560模型機主要性能對比如表3所列。可見①ZZ660a轉輪比ZZ560轉輪過流能力大，最優工況效率高3.7%，限制工況效率高6.2%。說明在轉輪直徑和額定轉速相同的情況下，660a轉輪流量和效率均高于560轉輪，而且原機導水葉高度大于660a的模型值，水輪機過流能力更大。②ZZ660a轉輪比ZZ560轉輪的汽蝕性能略優，可保證在水輪機穩定運行范圍內，不發生汽蝕。③ZZ660a轉輪比ZZ560轉輪飛逸轉速略低，水輪機在事故飛逸時轉速不超過原機，保證了原機組的強度和剛度安全性滿足改造需求。

表3 ZZ660a與ZZ560模型機主要性能對比表

2.3 真機性能分析

上述是用模型參數進行選型分析的，擬采用ZD660a-LH-180轉輪替換原ZD560-LH-180轉輪，相應更換支持蓋和泄水錐，保留原機的蝸殼、導水機構、轉輪室、尾水管流道不變。由于改造機型無法做到和模型參數完全相似，因此存在較大不確定性，這也是水輪機換型改造的難點。為保證改造效果，對機組進行了CFD分析，按照改造數據進行全流道三維流場數值模擬，模擬機組在額定工況下運行時的流場流動特性，預測其性能。如圖2和圖3所示。

圖2 導葉流場跡線

圖3 蝸殼、尾水管流場跡線

通過CFD分析可知，蝸殼、導葉流場速度分布情況良好，葉片工作面、背面速度分布均勻，從葉片進口至出口沒有脫流、回流，轉輪室至泄水錐流線順暢，但尾水管流線略差。結論是，真機出力能達到設計要求，但效率受原尾水管影響，需修正，綜合分析，修正-3%。改造后真機額定工況下主要參數如表4所列。改造前后機組主要性能對比如表5所列。

表4 ZD660a-LH-180額定工況參數表

表5 改造前后機組主要性能對照表

2.4 導葉開口復核

原導水機構不動，通過繪制導水機構導葉開口布置圖如圖4所示。按原機導葉最大開口254mm復核，導葉轉角可達到46°。額定工況時，660a轉輪的導葉轉角為43°，故原機導水機構滿足改造需要，無需增大導葉開口。

圖4 導葉開口復核圖

2.5 吸出高度復核

水輪機的允許吸出高度按經驗公式HS=10-▽/900-KσH計算，經驗系數K取1.2, 安裝高程為36.2m，σc查曲線在額定點為0.66，H為11.19m，經計算HS=1.1m，2號機現狀吸出高度為-1.5m，滿足要求。

2.6 調保計算復核

經計算(過程略)，機組甩去全負荷最大轉速上升率β≤46.9%，蝸殼末端的最大壓力上升率ξ≤46.6%，尾水管真空度為0.5mH2O，均在原設計調保要求范圍內。

3 結 論

九里溝電站2號機組因運行水頭偏離設計值和轉輪輪轂比的差異，長期達不到設計出力。通過對模型參數和現狀參數的比選，選用ZD660a(+27.5°)-LH-180轉輪進行更新改造，經CFD模擬分析驗證，并經各項復核，滿足改造要求，改造后機組可達到設計出力，水輪機額定點效率提高8.8%，且改造只需要更換轉輪(含泄水錐)和支持蓋，工程量小，可結合大修進行，技術可行，效益明顯。