大黑汀電站水輪機轉輪改造實例

王塞北

（海委引灤工程管理局大黑汀水庫管理處，河北 唐山064300）

1 引言

潘家口、大黑汀水庫是天津市、唐山市重要的水源地，承擔著津冀工農業、城市生活、環境用水的重任。為津、唐兩地的可持續發展做出了重要貢獻。大黑汀水利樞紐位于唐山市遷西縣灤河干流上，距上游潘家口水庫35km，是開發灤河的大型骨干工程。攔河壩右岸建有渠首和河床2座電站，渠首電站裝有4臺軸流轉槳式水輪發電機組。河床電站裝有1臺軸流轉槳式水輪發電機組。機組自投入運行至今已有30多年，且電氣設備大都嚴重老化，操作不便，安全可靠性差，嚴重影響機組安全運行。本次改造主要對水利機械、金屬結構及電氣部分等進行改造。

2 電站概況

2.1 機組參數

大黑汀渠首電站原裝有4臺ZZ560-LH-250型水輪發電機組，本次改造將2、4號水輪機改為軸流定槳式，更換水輪機導水機構、水導軸承和主軸密封，同時改造其發電機定轉子線圈，將絕緣等級由B級提高到F級，并提高發電機效率。改造后2、4號機組單機容量提高到了3500kW。

改造前機組參數（原銘牌）：

水輪機主要參數見表1。

表1 水輪機主要參數

發電機主要參數見表2。

表2 發電機主要參數

改造后機組主要參數：

水輪機主要參數見表3。

發電機主要參數見表4。

2.2 水輪機改造前

2.2.1 存在問題

表3 改造后水輪機主要參數

表4 改造后發電機主要參數

（1）機組效率低

在設計水位時，機組出力與剛投產的1985年相比，在相同水位和導葉開度條件下，機組出力只能達到原出力的76%左右，說明效率下降明顯。渠首電站水輪機效率遠低于水利部《農村水電增效擴容改造項目機電設備選用指導意見》文件中規定的水輪機效率大于等于91%的要求。

（2）水輪機轉輪葉片的空蝕破壞比較嚴重，機組運行30多年以來，轉輪已經進行多次修補。尤其是4號水輪機轉輪葉片破壞非常嚴重，受油器操作油管斷裂。

（3）水輪機運行中，轉輪體槳葉接力器操作時，活塞一側充滿2.5MPa液壓油，操作架腔內也充滿約0.2MPa液壓油。轉輪體葉片密封采用“λ”型橡膠密封裝置，由于當時設計水平限制，結構上存在著一定缺陷，轉輪體經過一段時間的運行就出現嚴重漏油現象，影響機組安全穩定運行，對供水水質產生污染，且增加了電站維護及運行的成本。

（4）機組導葉間隙由于磨損變大，不能達到全封閉，導葉立面和端面的間隙較大，導葉軸徑磨損嚴重，造成密封面搭接不嚴，導葉漏水嚴重。

（5）機組存在頂蓋上密封漏水量較大，特別是機組運行在某些工況或負荷突變時，瞬間會造成水淹水導軸承。根據電站人員反映，在協聯運行時，個別工況也出現密封漏水情況。

2.2.2 水頭情況

受上游潘家口水庫調節，大黑汀水利樞紐庫水位基本在131～133m之間運行，一般維持在132.5m。水輪發電機組運行時引水渠尾水位一般在119～121m之間，水輪機運行水頭范圍為11～13m，一般在11m以上，電站水輪機運行水頭比較穩定，軸流轉槳式水輪機葉片基本在某一固定角度下長期運行，不需要調節轉輪葉片角度。所以，本次改造將2、4號水輪機改為軸流定槳式水輪機，在水頭變化不大，不需要調節流量時運行。其額定水頭可以適當提高，以利于水輪機的安全穩定運行，且水輪機發出額定出力時所用額定流量可以減少，在相同的放水量時獲得更多的電能。當上游水位為132.5m，2臺機運行，供水流量為60～80m3/s時，下游水位約為119m，對應的毛水頭約為13.5m，估算流道損失1.0m，所以，本次改造，水輪機額定水頭可以由11m提高到12.5m。當水輪機額定水頭為12.5m，水輪機額定效率為91%時，水輪機額定流量約為33.5m3/s，機組單機容量可以由3200kW提高到3500kW。

2.3 水輪機轉槳改定槳的運行性能分析

按ZD560Z軸流定槳式水輪機模型特性曲線顯示，在一定槳葉角度下運行范圍相對較小。根據大量裝有軸流定槳式水輪機電站的運行情況看，水輪機做定槳運行時，水輪發電機組的啟動及并網過程會有一定的工況條件要求，否則可能造成機組在不穩定工況下進行啟動及并網失敗。因此，針對大黑汀渠首電站水頭范圍等實際運行工況以及水輪機特性參數，進行轉槳改定槳后的技術分析，同時結合現場實際試驗情況來設計確定定槳角度，以確保改造后電站機組的安全、可靠、穩定運行。主要措施：更換水輪機新型轉輪，而保持水輪機蝸殼等與水工部分相關的部件不動，提高水輪機的運行效率，在盡量節約投資的情況下，實現電站增效擴容的目標。

2.4 轉輪改造說明

（1）轉輪訂做：經公開招標確定供貨廠家，訂購軸流定槳轉輪2個，轉輪葉片安放角按最優調整（β=+5°），葉片翼型和曲率優化，材質改進，確定交貨日期。

（2）作好記錄：將水輪機主軸裝車運送浙江廠家加工處理，新轉輪與水輪機主軸重新鉆鉸銷釘孔并配銷釘，保證與新轉輪的配合。

（3）水輪機主軸與轉輪試裝：返廠檢修的主軸及新訂購的2臺定槳轉輪按合同日期到貨，到貨后，在檢修間放穩，仔細清掃；測量水輪機主軸上下法蘭直徑、水導軸襯直徑、水導軸承瓦內徑、連接螺釘孔及銷釘孔的配合。若配合不當，則進行處理。將水輪機主軸吊運至轉輪體上試裝。若配合不當，則進行處理。新到轉輪的轉輪體與泄水錐為裝配好的部件，實際工作中未進行拆解。

（4）連接水輪機主軸與轉輪：按水輪機主軸與轉輪拆解的相反順序進行連接，其中不同點為無槳葉操作油管的連接。

（5）整體回裝。

3 轉輪改造后

3.1 穩定性對比

從機組修前的振動、擺度數據與機組修后振動、擺度數據比較可以看出，水輪機轉輪更換后機組的振動、擺度減小，機組在各主要工況點運行是穩定的，機組運行的穩定性增強。經過1年來的運行檢驗，證明機組運行是穩定可靠的。

3.2 效率及效益對比

機組修前水輪機的最高效率為76%，修后水輪機的效率η≥91%，可以看出，更換轉輪后水輪機效率明顯提高。機組改造后，經過試運行，機組噪音、震動、各部溫升等均符合要求。與改造前相同運行條件下，機組效率提高，發電量增加，耗水率降低。保證了機組安全、經濟運行。

4 結論

我國農村小水電資源豐富，但這些小水電站的特點是，裝機容量小、臺數多、設備老化、機組效率低、水能資源利用率低，經長時間運行后安全生產隱患多。所以，對機組進行增效擴容改造是十分必要的，隨著科學技術的不斷發展，采用新技術來改造舊設備，可以更好的發揮水電站的經濟效益與環境效益。