蚌埠閘水電站水輪機轉輪改造應用分析

張文斌

（安徽省蚌埠閘工程管理處，安徽 蚌埠 233000）

蚌埠閘水電站建成于20 世紀80 年代末，作為當前農村小水電站一個典型代表，近幾十年的運行不僅增加了地方財政收入，又造福了當地居民。但由于建成年代早，運行時間長，在多輪大修過程中均發現水輪機轉輪存在空蝕、裂紋問題，雖經一定程度處理，效果仍不理想，嚴重制約了機組效率發揮并且存在一定的安全隱患。據統計，截至2021 年底我國已建成小水電機組45 000 臺，總裝機容量達6 500 萬kW，年發電量2 000 億kW·h，很好地補充了我國電能供應，然而相當一部分電站同樣屬于早期建成，或多或少存在類似現象，因此通過加強新技術、新材料應用，改善技術裝備水平，為同行業提供相關經驗參考。

1 項目概述

1.1 水電站概況

蚌埠閘水電站是蚌埠閘水利樞紐工程組成部分，其基礎部分于1958 年與節制閘同步施工，廠房及機電設備安裝續建于1984 年，1987 年6 臺機組全部投產，為河床式低水頭水電站。裝機容量6×800 kW，多年平均年發電量2 800 萬kW·h，截至2022 年底累計發電10 億kW·h，是皖北地區唯一一座水力發電站，為地方經濟發展作出了重要貢獻（表1）。

表1 電站機組現狀參數

1.2 存在的問題

1）在2014 年實施的增效擴容改造中，通過對發電機定、轉子線圈等進行改造，發電機容量增至1 250 kW，但水輪機主要部件尤其是轉輪未進行改造，在額定水頭和高水頭工況下，雖然發電機具備了1 250 kW 的能力，但水輪機出力達不到與之匹配的出力，效益發揮不明顯。

2）由于水輪機已運行多年，存在葉片及轉輪體空蝕、磨損嚴重及葉片裂紋現象，歷年來在機組A 級輪修中對其補焊后，轉輪靜平衡和動平衡性能都變差，既降低了水輪機的運行可靠性和出力，也加劇了水輪機導軸承的磨損。同時，現狀的水輪機設備為二十世紀七八十年代產品，與當今的技術水平及生產工藝相比，水輪機的水力性能有一定的提升空間。

2 轉輪改造基礎參數

現水輪機型號為ZD760-LH-250，額定水頭4.1 m，額定出力890 kW；增容擴效時水輪機額定水頭定為4.7 m，額定出力為1 090 kW。由于本次改造僅對水輪機轉輪進行更新改造，發電機等相關設備及水輪機其他部件均保留，因此機組主要結構尺寸也均維持不變，故轉輪改造的基礎參數為：額定水頭為4.7 m，轉輪直徑為Ф2 500 mm，額定出力為1 090 kW（表2、表3）。

表2 電站水位特性指標

表3 轉輪改造基礎參數對比表

3 轉輪改造說明

3.1 轉輪選擇

經初步分析比選并結合現有水電設備制造商反饋信息，本次改造擬采用ZD987-35（ψ=12°）、ZD410（ψ=10°）、ZDT03-43（ψ=25°）3 個性能相對較優且適合本站的轉輪模型，并據此在同一標準上對3 個方案進行比較，真機效率均按1%進行修正（表4）。

表4 水輪機真機參數比較表

由表4 可知，3 個方案的性能及參數均能滿足本次改造要求，從能量指標比較，方案1 在最小水頭工況、額定水頭工況下效率均較高。

3.2 型號確定

經對照3 個方案的運行范圍圖，方案1 中水頭達到4.55 m 以上時，水輪機即可達到額定出力1 090 kW，滿足本次改造要求的4.7 m 額定水頭。當水頭達到5.6 m以上時，發電機1 250 kW 容量可得到充分利用。方案2、方案3 的實際額定水頭為4.6 m，雖也能滿足本次改造對額定水頭的要求，但方案1 整個運行范圍內的加權效率相對更高些。綜合比較，方案1 各工況點的水輪機出力性能指標相對更優，因此最終確定選擇轉輪型號ZD987-35（ψ=12°）進行改造（表5）。

表5 轉輪改造主要確定參數

3.3 改造技術要求

本次改造是對轉輪進行整體更換（主軸繼續利用），在機組A 級檢修期間同步完成，因此拆機后轉輪制造廠商在生產前須到現場測量復核輪轂與主軸聯接面相關尺寸、葉輪外殼各主要斷面尺寸，以便新轉輪與現有設備之間良好匹配。

3.3.1 轉輪

1）材質：轉輪葉片采用ZG06Cr13Ni4Mo，輪轂采用ZG310-570 碳鋼鑄造，聯軸螺栓采用45#鍛鋼制作，成型后發藍處理。

2）強度和剛度：能夠承受任何作用在轉輪上的最大水壓力、離心力和壓力脈動，退役前在周期性變動負荷作用下不發生任何裂紋和斷裂或有害變形。在飛逸轉速工況下，槳葉、輪轂的材料應力不得超過材料屈服強度的2/3。

3）槳葉：葉片內端側加工成與輪轂良好配合的球形，并把輪轂與葉片的間隙減至最小。最重葉片與最輕葉片的重量差不超過最輕單個葉片的4%，葉片設置防空蝕裙邊。

3.3.2 質量要求

1）葉片和輪轂鑄造質量按CCH 70－3：1996《水力機械鑄鋼件檢查規范》規定進行無損探傷質量檢查。槳葉葉片加工前后均應酸洗，探測氣孔，所有氣孔均應鏟除和修復，成型葉片無空穴、凹陷、裂縫或凸出物。

2）嚴格控制加工精度、尺寸公差和熱處理工藝，轉輪應在車間內作靜平衡試驗，不允許在輪轂的外側過流表面作偏心切割，為平衡用的配重塞孔不得靠近過流表面。出廠前必須對水輪機主要部件進行試驗和檢查。

3）轉輪裝配的所有螺栓和銷子，要有防止由于運行時振動及其他原因引起松動的措施。

3.3.3 質量保證

1）保證新轉輪在一個大修周期8 年內不產生裂紋。

2）在表1 規定的運行水頭條件下，負荷在75%～100%額定出力范圍內水輪機均可穩定運行。

3）頂蓋垂直振動和水導擺度應符合GB/T 8564—2003《水輪發電機組安裝技術規范》及有關安裝技術標準。

4 改造后的效果

4.1 質量檢測

2022 年6 月，蚌埠閘水電站對1#機組水輪機轉輪進行了改造。通過對轉輪體、葉片進行焊縫探傷檢測，對葉片進行液體滲透探傷檢測，均符合規范要求。對各葉片進行稱量，最重葉片與最輕葉片重量差為3 kg，小于最輕單個葉片的4%要求。對轉輪進行靜平衡試驗，在Ф875 mm 處不平衡量27 g，小于規范170 g 要求。制造用不銹鋼ZG06Cr13Ni4Mo 材質、Q235 材質、ZG310-570 碳鋼材質均為合格產品。

4.2 試運行情況

2022 年9 月，新轉輪安裝、調試完成后，結合1#機組A 級檢修進行了充水、建壓、并網、甩負荷等工作，開始72 小時試運行。試運行期間，1#機組導葉開度在63.5%～65.3%時出力達到1 100 kW（與其他未改造機組對比，下同），同等出力導葉開度少開約3.6%，同等開度出力增加約100 kW。水輪機額定工況效率由原來的83.5%提高至90.1%，其他各工況點的效率也均有不同程度提高。在水頭達到4.55 m 時，即可發出1 000 kW（本站運行時間較長時出力），水頭達到5.6 m 時，機組可發出1 250 kW。機組振動、擺度、噪聲等均符合相關要求和規范。

5 結束語

蚌埠閘水電站1#機組水輪機轉輪改造是非常成功的，不僅提高了機組出力，而且消除了老舊轉輪存在的安全隱患，大修周期也能得到適當延長，后期結合機組輪修將繼續采取該方案對其他機組水輪機轉輪進行改造。鑒于全國早期建設的小水電站數量比較多，或多或少也存在此類問題，希望本成功經驗能為同行提供一些思路和途徑，共同推動小水電事業高質量發展。