大黑汀水電站1 號水輪機轉槳改定槳技術分析

劉建波，董云豐，毛軍麗、付萬珊，武金輝

（海委引灤工程管理局大黑汀水庫管理處，河北 唐山064300）

1 概況

1.1 基本情況

大黑汀水電站包括渠首電站和河床電站，其中渠首電站位于引灤總干渠渠首，安裝天津發電設備廠生產的4 臺（1～4 號機組）單機容量為3 200 kW的軸流轉槳式水輪發電機組，向天津、唐山兩大城市供水時發電。水輪機型號為ZZ560-LH-250，發電機型號為TS425-32/32。2014 年通過電站增效擴容改造工程，將2 號和4 號機組由軸流轉槳式機組更新改造為軸流定槳式機組，更新了新型軸流定槳式轉輪，機組容量由3 200 kW 增容至3 500 kW。

1號機組是天津發電設備廠1975年制造的產品。

水輪機主要技術數據：型號ZZ560-LH-250，額定出力3 370 kW，設計水頭11 m，最大水頭14 m，最小水頭6 m，額定流量37 m3/s，額定轉速187.5 r/min，飛逸轉速437 r/min。

發電機主要技術數據：型號TS425/32-32，額定功率3 200 kW，額定電壓6 300 V，額定電流366.6 A，額定頻率50 Hz，功率因數0.8，額定勵磁電壓100 V，額定勵磁電流447 A，額定轉速187.5 r/min。

1.2 1 號機組存在的主要缺陷

2019 年5 月12 日20：35，1 號機組在運行過程中，出現滑環處甩油現象，20：45 機組停機。檢查后綜合分析確認，發電機組的主軸內操作油管路發生嚴重串油現象，機組已無法正常運行。

2 1 號水輪機轉槳改定槳改造方案

當時正值供水發電期間，機組停運可能造成棄水，損失經濟效益。正常檢修相當于機組擴修，費工費時，錯過放水發電時機。經綜合研究決定對機組進行搶修處理。

電站采取在不擴修的情況下，現場機坑內將轉輪由轉槳改為定槳運行，即斷開了轉輪槳葉操作油源，又解決了轉輪漏油問題。具體做法：將槳葉和轉輪體焊死，同時對調速器和測速裝置進行相應改造，在原轉輪的基礎上進行現場實施，盡快恢復機組正常運行。

3 轉槳改定槳建議的合理性基礎

此前2 號、4 號機組已經由軸流轉槳改為軸流定槳，額定水頭12.5 m，運行穩定。根據統計分析，大黑汀水庫春、秋供水期，庫水位在130.0～132.5 m區間概率較大，在11 m 水頭下，設計1 號機組軸流定槳轉輪槳葉角度，可以滿足渠電機組在不同水頭下正常運行。

由于大黑汀水庫是由上游潘家口水庫進行水位調節，供水期間水庫水位變化不大。電站可以由1臺軸流轉槳機組和3 臺軸流定槳機組組合運行。運行時將定槳機組和轉槳機組優化組合，合理運用，可以收到較好的經濟效益。

4 轉槳改定槳槳葉角度技術分析

4.1 分析采用的基本計算公式

我們采用水輪機通用的計算公式如下：

4.2 水輪機額定工況的計算確定

目前2 號、4 號機組轉輪型號為ZDJP502-LH-250，額定水頭12.5 m，最大水頭14.5 m。

根據軸流轉槳式水輪機的運行模式，在不同水頭H及過流量Q情況下，水輪機應按照某一給定的最優規律曲線運行，轉輪葉片的安放角β與活動導葉的開度α隨工況變化來進行調節，是實現這一運行規律的必要條件和手段。

在電站水輪機實際運行中，調速機構對轉輪葉片的安放角β和活動導葉開度α均是按最大值的百分比來顯示（即相對開度）。為了能相對比較準確的確定水輪機額定工況（H=11 m、Nr=3 370 kW）條件下，轉輪葉片的安放角βr值，我們根據ZZ560-46水輪機模型綜合特性曲線進行計算，可得到表1 能量數據。

從圖1 可以查得，在電站設計額定水頭Hr=11 m（額定點單位轉速nr11=141.33 r/min）、水輪機發額定出力Nr=3 370 kW 情況下，水輪機額定點效率為ηrh=85.55%（本計算中暫不進行效率修正），計算額定點流量為Qr=36.58 m3/s（額定點單位流量Qr11=1.765 m3/s），從而查得額定工況點水輪機槳葉實際位置度為βr≈14°，此時活動導葉的絕對開口為Tr≈170 mm（模型與真機活動導葉數均為24 片），根據圖紙查出，電站實際活動導葉的最大絕對開口為217 mm。依此推算：額定工況對應儀表顯示100%的活動導葉開度αr≈80%。則：

額定工況槳葉實際位置度為βr≈+14°；

額定工況活動導葉相對開度為αr≈80%。

表1 額定水頭Hr=11 m 時能量指標計算

圖1 H=11 m 水輪機能量曲線

4.3 根據2 號機組真機試驗槳葉角度校核計算角度

2011 年12 月13 日由汀管處、北京中水科工程總公司、天津發電設備總廠科技開發中心聯合進行的2 號機組轉槳改定槳真機試驗結果，進一步驗證了理論計算確定的槳葉角度為14°（H=11 m）時，機組運行出力和運行工況是比較合適的。

2011 年12 月13 日上午開始正式試驗，試驗時電站上游水位為131.43 m，下游水位為119.1 m，毛水頭約H毛=12.33 m，在試驗過程中毛水頭H毛在12.0～12.5 m之間變化。根據大黑汀機組過流通道損失計算，機組在額定工況發電時，計算工作水頭約為Hg=10.9～11.2 m 范圍，為方便我們取工作水頭Hg=11 m 做比較分析，按2 號機組現設定的協聯關系進行運行，機組帶負荷至3 200 kW 時，槳葉開度βr≈14°（與計算結果基本吻合），根據此結果確定試驗漿葉β≈15.5°、14°、13.5°、12°這4 個角度下進行定槳試驗，能量試驗數據見表2。

表2 不同槳葉角度能量試驗數據

定槳啟動導葉開度α≈33～35°范圍，機組改為定槳運行后，機組啟動開度會相應增大2%～3%左右。

機組定槳運行時導葉開度50%范圍附近有不穩定工況出現，在55%～60%時消失。

5 轉槳改定槳現場實施工藝措施

5.1 改定槳轉輪葉片角度的定位分析

本次轉槳改定槳的基本要求是保持現轉輪結構以及葉片不變，在原有軸流轉槳式轉輪基礎上進行。

根據水力計算分析以及現場試驗確定的轉槳改定槳葉片角度，該角度的定位是根據改造前試驗測量的接力器活塞位置與采用測量工具來確定葉片的這一角度。然后采用U 型定位塊將葉片和轉輪體焊接在一起的方法固定（見圖2 中“1”），使葉片在設計給定的角度下定槳運行。

圖2 定槳葉片角度焊接固定示意圖

5.2 焊接材料

大黑汀電站轉輪葉片的材料為ZG1Cr13 鑄鋼，轉輪體的材料為ZG25Ⅱ鑄鋼，由于ZG1Cr13 屬于馬氏體型不銹鋼可焊性差，故在U 型定位塊與轉輪體和葉片焊接時分別采用兩種焊條進行焊接。U 型定位塊與轉輪體的焊接，采用的是E5516 焊條。U 型定位塊與葉片焊接，焊條采用E1-30-9 不銹鋼焊條。

5.3 改定槳葉片角度定位的技術措施

轉輪葉片角度確定：將槳葉角度調至按試驗確定的角度（在槳葉上用千斤頂動作槳葉至槳葉開度14°），然后采用專用測量工具或組合樣板，準確調整槳葉角度至設計確定的角度。

首先將不同直徑圓鋼塞焊于槳葉進水邊與轉輪體之間的空隙，然后沿槳葉周邊把焊接U 型定位塊與轉輪體焊接在一起，把槳葉與U 型定位塊焊接在一起。

5.4 調速器及測速裝置改造

（1）調速器改造

為了保證機組轉輪由轉槳運行改成定漿運行，還要適當對調速器進行改造。將雙調節調速器改為單調節調速器，改造部位如下：

液壓隨動系統中切斷配壓閥殼體內漿葉受油器油路，改造部位：漿葉主配壓閥襯套、輔助活塞等。

（2）測速裝置改造

操作油管油路切斷后，受油器軸瓦無油潤滑，需要拆除軸瓦。為了防止小軸擺度超標，拆除永磁機花鍵，永磁機無法提供測速信號，需要在小軸上安裝1 套齒盤測速裝置，用來測量機組轉速，將測速信號送入LCU，實現機組實時監控。

6 實施效果及經濟效益分析

2019 年9 月6 日17：30，1號機組開始往天津供水發電，9 月9 日16：00 停機，9 月16 日上午9：00開機，2019 年10 月10 日10：00 結束，期間累計運行27 d，累計發電158 萬kW·h。1 號機組結合往天津供水進行帶負荷發電，在供水期間機組運行穩定，各項參數及運行數據正常。1 號機組運行參數如下：有功：3 100 kW；無功：1 300 kW；勵磁電流：390 A；壩前水位：131.92 m；尾水位：119.1 m；導葉開度：90%。

1 號機組轉槳改定漿現場實施投資共3.6 萬元，2019 年9 月6 日至2020 年4 月28 日，已安全運行966 h，累計并網發電270 萬kW·h，按現行的電價（0.42元/kW·h），共創收113.4萬元，取得了很好的經濟效益。

7 結語

運行實踐證明：大黑汀水電站1 號機組轉槳改定漿是成功的，機組穩定性、效率、出力等均達到了改造的預期效果。1 號機組轉槳改定槳成功實施，即解決了操作油管串腔問題，又解決了轉輪多年漏油問題，短時間內恢復了機組運行，投資少，見效快，取得了良好的經濟和社會效益。

（1）對城市生活供水水質要求越來越高，而軸流轉槳式水輪機常因轉槳密封機構的磨損或其他故障而漏油，易造成水源污染，對水輪機進行軸流轉漿改定槳改造是解決漏油問題、清除油污染的有效方法。

（2）對于原設計電站由多臺單一軸流轉槳式機組，根據實際運行工況，通過機組改造為由軸流定槳式和軸流轉槳式機組混合運行方式，可以優化電站的運行方式，提高效率，減少電站的運行維護成本。