西藏瓦龙水电站转轮改造分析

杨传义

（吉林市水利水电勘测设计研究院 吉林吉林 132013）

1 电站概况

瓦龙水电站位于气候多变的藏北高原，海拔4350～4600m，多年平均气温－1.0°C，极端最低气温－41.2℃，极端最高气温22.6℃，属高海拔严寒地区。电站以发电为主，无防洪等其他综合利用要求，装有4台2.7MW的混流式水轮机，厂房为坝后式地面厂房，输水系统采用 “一管两机”的布置型式；发电机出口电压6.3kV，通过两台2×8MVA主变升压至35kV，再通过两回35kV输电线路 （24.7km），输送至本地电网。

水轮机基本参数如下：

型号： HLA244－LJ－150；

转轮直径： 1.5；

额定转速： 250r／min；

飞逸转速： 570r／min；

最大水头： 30.5m；

额定水头： 24.5m；

最小水头： 19.5m；

极限最小发电水头： 17.5m；

额定流量： 13.323m3／s；

水轮机额定出力： 2872kW；

吸出高度 （相对导叶中心）： 0.0m；

水轮机安装高程： 4353.8m。

2 现场查勘及运行情况

电站运行12年，未进行过大的技术改造。转轮叶片、上冠及尾水管进口空蚀严重，转轮叶片上最大空蚀处约30×16cm，深度约为5～6mm，空蚀区主要位于叶片进口正面中央，其主要原因可能是机组长期在低水头高负荷区运行，叶片进口正面脱流引起的。

3 转轮改造方案分析

瓦龙电站地处青藏高原，海拔高、泥沙含量小（多年平均含沙量为0.077kg／m3，汛期最大月平均含沙量为0.16kg／m3），对转轮的破坏主要是空蚀的影响，因此改造能否成功的关键是水轮机空蚀性能是否显著提高。

本次改造在尽可能不改变导水机构的前提下，更换空蚀性能好的新型转轮，并研究增容到4×3000kW的可行性。

3.1 不考虑增容时新型转轮的选择

表1 模型转轮参数表

瓦龙水电站额定水头24.5m，最大水头30.5m，最小水头19.5m，单机容量2700kW。适合该水头段的混流式转轮较多，但因本电站装机容量较小，机组选型立足国内中型制造厂所能掌握的转轮。根据我国《中小型轴流式、混流式水轮机转轮系列型谱》及该电站的具体情况并结合我国现行制造经验，选择近年来技术成熟、性能良好的HLA286、HLA616等转轮进行技术分析，其模型转轮参数见表1。经计算，不考虑增容时各原型水轮机参数见表2。

表2 水轮机参数比较表

从表1及表2中可看出，与原转轮HLA244相比，HLA286和HLA616各项性能指标明显占优，可以考虑选用。

更换转轮最理想的方案是：在不改变导水机构的前提下，更换空蚀性能好的新型转轮。

这两个方案原型水轮机的导叶高度均与原导叶高度473mm不相等，因此如更换新型转轮，即使不增容，导水机构也应作相应改造，如导叶、顶盖、止漏环部份。

HLA616转轮额定工况点的空化系数为0.078（远低于HLA244转轮额定工况点的0.14），当空化安全系数K＝σ p／σ c取1.5时，各工况下的空蚀裕量比HLA244转轮大2m左右，且这两种转轮的过流量相当，因此对本电站而言，HLA616转轮比HLA244转轮性能优越。

综上所述，推荐选用HLA616转轮，转轮直径与原转轮直径相同，仍取150cm。

3.2 电站增容到4×3000kW的可行性

瓦龙电站采用两机一变的出线方式，发电机的额定容量为4000kVA／3200kW，主变压器的额定容量为8000kVA。因此具备在不增加发电机和主变压器容量的前提下增容到4×3000kW条件。

在水头不变的条件下，水轮机增容有两种途径：一是不改变转轮直径，选用单位流量较大的转轮；另一种途径是适当加大转轮直径。

空化系数通常随着单位流量的加大而增加，通过对大量转轮参数的分析和向水轮机厂家的咨询，暂时还没找到过流量比原转轮（HLA244）转轮明显增加、空蚀性能明显提高的新型转轮。因此，此方法暂不可行。

从目前掌握的资料来看，只有HLA616转轮的过流量与原转轮相当，且空蚀性能比原转轮明显优越。因此，我们只能考虑采用加大HLA616转轮的直径来达到增容的目的。为了留下一定的空蚀裕量，水轮机额定水头下运行的工况点不宜与出力限制线太近。经初步分析，为使水轮机在额定水头（24.5m时），发电机能达到3000kW的出力，转轮直径不宜小于1.56m，即宜选用 HLA616－LJ－156转轮。

当转轮进口直径同为1.5m时，HLA616转轮高度比HLA244转轮高50mm，这时可对尾水锥管进口进行局部处理，勉强能达到目的。如转轮直径增加到1.56m时，转轮高度还需再增加35mm左右，锥管进口直径也应相应加大。而原水轮机尾水锥管的锥角较小，且与座环采用的是焊接结构，加大转轮直径时，需将尾水锥管全部更换，实施起来比较困难，不宜采用。

综上所述，额定水头下使机组增容到4×3000kW的方案不宜采用，下面研究机组超发到3000kW的可能性。

3.3 水轮机超发到3191.5kW（对应发电机出力为3000kW）的可行性

水轮机超发有两种途径：一是保持导叶开度限制不变，水头大于额定水头时超发；另一种途径是增加导叶开度限制来超发。

对原HLA244－LJ－150水轮机而言，水轮机空化系数比较大，空蚀比较严重，加大导叶开度会使工况点的空化系数加大，而进一步降低水轮机的空蚀性能，不宜采用。HLA616－LJ－150水轮机空化系数较小，但为了避免大开度时叶片正面脱流而引起振动，建议不要采用增加导叶开度的方式来超发。这三种水轮机超发方案比较详见表3。

表3 水轮机超发方案比较

表4 水轮机改造工程量清单

从表3可以看出，原转轮空蚀性能较差，即使在最大水头下也不宜超发至3191.5kW。如更换为HLA616转轮，在额定工况对应的开度下，水头大于26.45m时可超发至3191.5kW；如加大开度运行，当水头大于25.6m时也可超发至3191.5kW。对HLA616而言，这两种方案各工况点吸出高度相差不大，均可采用。

因此本方案可拟为：转轮全部更换为HLA616－LJ－150型不锈钢转轮，顶盖、尾水管进口、各环抗磨板和止漏环、导叶、导叶轴承等也同时更换，主轴密封更换为不接触式。当水头大于25.6m时，此方案水轮机可超发至3191.5kW（对应发电机出力为3000kW）。改造工程量清单见表4。

与原转轮HLA244相比，空化安全系数K取1.5时，HLA616转轮的允许吸出高度要大2m左右，从而能在一定程度上减少水轮机的空蚀，延长机组大修年限。此外，与HLA244转轮相比，HLA616转轮最高点效率与额定点效率分别要高1.43%和2%，加权平均效率约高1.5%左右，换用HLA616转轮能增加发电量。

从经济性上看，本次改造一次性投资较高（471.2万元），改造后年均大修费用有所减少（从25万元降至16.7万元），本次改造及十年间大修费用合计638.2万元，十年间由于效率提高而增加的电能收益为308.7万元。改造方案合理可行。

表5 水轮机改造方案经济评价表

4 结论及建议

瓦龙水电站转轮主要问题是叶片空蚀及效率下降，空蚀位于叶片进口正面中央，其主要原因可能是机组长期在低水头高负荷区运行、叶片进口正面脱流引起的，因此改造的重点在提高提高水轮机的空蚀性能上。本次改造通过选用空蚀性能好的新型转轮，能有效的解决空蚀问题；并且当水头大于25.6m时，水轮机可超发至3191.5kW（对应发电机出力为3000kW）；水轮机加权平均效率提高约1.5%，增加了发电量。

为尽量减小改造后转轮的空蚀，建议同时改变机组的运行方式，避免机组长期在低水头高负荷区或高水头低负荷区运行。