小湾水电站水轮机性能试验和技术改造综述

徐德新，乔进国（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南　大理 675702）

小湾水电站水轮机性能试验和技术改造综述

徐德新，乔进国
（华能澜沧江水电股份有限公司小湾水电厂，云南大理 675702）

针对小湾水电站水轮机技术特点及制造难度，为进一步掌握机组运行特点和功能技术，电厂组织开展了对转轮、调速器、筒阀等核心部件的性能测试，并根据运行情况开展重大设备改造，有效地提高了水轮机运行性和可靠性；积极推进技术和管理创新，实现了生产管理信息化和智能化。

稳定性；顶盖取水；技术改造；小湾水电站

1　工程概况

小湾水电站位于云南省凤庆县和南涧县交界的澜沧江上，地下厂房内安装有6台单机700 MW的立轴混流式水轮发电机组，总装机容量为4 200 MW，额定水头为216 m，多年平均发电量为189.9亿kW·h，采用筒阀作为主阀，电站以500 kV电压等级接入电力系统，在系统中担任调峰、调频和事故备用，电站按无人值班（少人值守）设计。

小湾水电站水轮机型号为HL153-LJ-660，额定出力714 MW；最大水头251 m；设计水头216 m；最小水头164 m；设计流量360.3 m3/s；额定转速150 r/min；转轮公称直径6 600 mm；活动导叶24个；安装高程980 m；转动惯量110 000 t·m2；轴向水推力27 000 kN；导水机构关闭时间6～12 s；推力轴承载荷10 500 kN；水库正常蓄水位1 240 m；飞逸转速286 r/min。

2　小湾水轮机技术特点及制造难度

（1）小湾水轮机额定出力700 MW，单机容量大，额定转速高，为该水头段单机容量世界最大。小湾水轮机制造难度系数达10 933，蜗壳制造难度系数为942.5，均属世界前列，对水轮机的设计、制造质量控制、运行维护提出前所未有的挑战。

（2）水轮机运行水头高，水头变幅较大，最大水头（251 m）与最小水头（164 m）比值达1.53，运行水头变幅达87 m，机组运行条件苛刻，要求水轮机具有宽幅度的水头适应性、稳定性和高效性。

（3）小湾水轮机效率高，达到96.4%，转轮直径为6 600 mm，出水边较薄，是700 MW水轮机组中水头最高的水轮机，对叶片材料和制造质量提出了很高的要求。

（4）水轮机设置数字式同步电液控制系统的筒阀，可有效减少机组漏水量及活动导叶空蚀。但筒阀的强度及刚度要求高，安装工艺复杂，精度要求高，对座环现场加工精度提出了更高的要求。

（5）调速器作为水轮机控制系统的核心设备，采用公称直径为250 mm的主配压阀，阀芯与阀套之间配合精度要求高，其调节品质的好坏直接影响机组安全稳定运行，对电力系统电能质量和安全可靠性运行有着重大意义。

3　小湾水电站水轮机性能试验和测试

小湾水电站水轮机自2009年运行以来，为了进一步掌握机组运行特点和功能技术，电厂组织开展对转轮、调速器、筒阀等核心部件的性能测试。

3.1水轮机全水头、全负荷段稳定性试验

小湾水轮机转轮有15个“X”型负倾角叶片，公称直径为6.6 m。小湾转轮利用德国海德海姆福伊特水电集团的高水头水轮机试验平台进行了模型试验。水轮机模型最高效率为95.06%，换算成原型后为96.45%；模型机加权平均效率为94.09%，真机加权平均效率为95.48%，水轮机转轮能量指标较高，并且在整个运行范围内水轮机有较高的效率，最优工况区较宽。

小湾机组安装有TN8000机组状态监测分析系统和振摆保护系统，并邀请云南电力试验研究院开展各水头全负荷段的稳定性及效率试验。根据试验监测数据分析，小湾电站6台水轮机组运行稳定性能基本相同，试验中对机组各部位振动摆度、压力脉动进行监测，同时结合机组动应力测试，对各负荷段下的压力脉动、振动摆度情况进行测试和分析。试验后根据机组运行稳定性特点，全水头全负荷区间可划分为：禁止运行区、限制运行区、振动区、稳定运行区4类。

通过对水轮机全水头、全负荷段稳定性试验，小湾电厂优化了机组运行方式，调整AGC有功调节策略，避免机组在禁止、限制运行区运行，避免频繁跨越振动区，积极和电网调度单位协调优化机组负荷分配，提高了小湾水轮机运行稳定性和可靠性。

3.26 600 mm直径转轮动应力测试

小湾水轮机投入运行以来，多次发现转轮开裂现象，且多发生在叶片出水边与下环连接处。针对于此，开展转轮动应力测试，对转轮叶片的静态应力和动态应力进行测试。通过对各种工况下叶片的应力、压力脉动测试显示，小湾水轮机在连续稳定区和限制运行区内运行时，动应力主要来自于无翼区的动静干涉。特别是在200 MW负荷以下，多个叶道涡带和水力绕流的混频作用，动应力远超过正常运行工况值，极易造成水轮机转轮的疲劳破坏。

通过转轮动应力试验，小湾电厂全面掌握了转轮在各工况下的动、静应力情况，评估在不同运行条件下的转轮运行寿命，为合理划分机组安全运行区域提供科学依据，较为全面的评价转轮安全可靠性能，对进一步分析大型水轮机转轮叶片开裂原因和深入开展转轮可靠性研究具有重要意义。

3.3700 MW级水轮机顶盖取水试验

小湾电站单台机组冷却用水量约2 100 m3/h，机组技术供水采用单元水泵供水方式，采用离心水泵从机组尾水管取水，经DN450的管路向机组供水。此外，设计有从顶盖泄压排水管引出一路作为顶盖取水，作为水泵取水的备用。

2011年，小湾电厂在6号机组开展以顶盖取水作技术供水水源的试验工作。在停机态下将供水方式切至顶盖取水供水后开机带负荷运行，在空载、200、450、550、650 MW等工况点下稳定运行至瓦温、水量基本稳定。试验结果显示各负荷点下轴承瓦温、机组振摆等均满足运行要求。

通过一系列的试验和分析，电厂确定了顶盖取水供水作为备用供水水源的技术可行性，紧急情况下可以进行供水切换，满足机组供水需求。

3.4高水头、大负荷下的筒阀动水关闭试验

随着筒阀应用的不断推广，筒阀的动水关闭性能和安全性越来越受到重视。为了测试筒形阀在动水关闭过程中接力器同步性、机组振摆、压力上升及水力下拉力，小湾电厂专门开展了208 m水头下筒阀带负荷下动水关闭试验。

电厂分别在200、350、500、665 MW负荷下进行了筒阀动水关闭试验，在动水关闭过程中，关闭时间无变化，筒阀系统对6个接力器位移同步调节性能良好，偏差在2 mm以内。接力器有杆腔压力随着开度的减小逐渐升高，且关闭至0.5%开度时达到最大，约两倍系统油压；水力下拉力方在几乎到达全关状态瞬间时，达到最大。

此次筒阀动水关闭试验，在国内首次实现了700 MW水轮机筒阀在高水头下平稳、快速的动水关闭，测试了筒阀作为紧急事故情况下一种水机保护的安全性，对同类型电厂筒阀运行有参考价值。

4　小湾水轮机重大设备优化和技术改造综述

4.1顶盖泄压管节流板改造

小湾水轮机在转轮上冠设置4根DN350的泄压管，将进入上冠的水排至机组尾水，及时排除顶盖水压，减小轴向水推力。在运行中发现在部分工况下水轮机坑内泄压管出现异常振动和撞击噪声，且与机组负荷、尾水位有关系。

经过多次试验发现，顶盖泄压管排水口位于尾水锥管，在部分负荷下尾水锥管处的压力脉动引起泄压管路的共振；且泄压管口从转轮上冠引出口后管路直径偏大，水流没有完全充满管路引起脱流空化，经多个弯头和转向造成冲击和碰撞，形成无规律的异常振动和噪声。

经研究，电厂决定在顶盖上环板与泄压管连接处增加节流稳流孔板，设置4个节流孔，每个孔直径为75 mm，有效减小泄压管内水流速，稳定水流态，减少了顶盖无翼区压力脉动与椎管内压力脉动对泄压管的相互作用，消除了异常振动和冲击噪声。

4.2大轴中心孔补气阀改造

为保证机组在部分负荷工况下的稳定运行，小湾水轮机在发电机顶端设置中心孔补气装置。数年运行发现，该弹簧加浮筒式油缓冲补气阀盘在上下运动中多次出现缓冲油腔密封磨损漏油、密封面橡胶条损坏造成漏水等缺陷，易造成补气阀发卡，给发电机运行带来严重隐患。

为彻底消除隐患，电厂决定采用XBF系列空气缓冲式补气阀，利用空气压缩缓冲技术，以空气作为缓冲介质，在缓冲活塞上装有缓冲逆止阀。阀体在弹簧力的作用下关闭，实现了速开、速闭、到位缓慢关闭，新补气阀轴与缓冲活塞采用了万向连接器，所以动、静套件的同心度好，不会出现卡涩。

为了防止尾水位过高时补气阀关闭不严造成补气管漏水，在补气阀座底部设置一个七孔浮球止逆阀，阀体采用不锈钢材料，密封浮球采用真空的不锈钢球，耐密封压力为0.25 MPa。当尾水位较高时，尾水将真空浮球托起堵住补气管道，可有效防止反水锤，是整个补气管道的第二道保护。

通过改造，有效解决原有补气阀漏油、卡涩等缺点，增加了补气量，有效改善转轮运行工况，保证了机组运行安全。

4.3水导轴瓦支撑环密封齿改造

小湾电厂水轮机导轴承为分瓦块自润滑轴承，自循环外冷式油循环，热油通过主轴滑转子泵入冷却器，冷却后的油通过轴瓦上部的环管将油均匀的喷淋在轴瓦之间和滑转子上。

2011年2、4号机组在连续运行中发现水导瓦温、油槽温度不断升高并达到报警值，根据油温、水温情况发现水导油循环不畅造成。停机检查发现轴瓦支撑环的接触式密封齿损坏，随动密封弹簧片相互叠加，造成部分轴瓦支撑环间隙明显增大，有的甚至达到了5mm，造成水导油槽冷热油腔互窜油循环动力不足，冷却效率降低。

鉴于支撑环的接触式密封齿弹簧片容易松脱导致密封齿失效，电厂决定更换为聚四氟乙烯材质的非接触式密封齿，通过修型保证密封齿与轴领间隙在0.2～0.4 mm，有效保证了冷热油腔压差，保证循环动力提高冷却能力。

4.4活动导叶上浮卡涩处理

2012年，在4号机组检修时发现其导水机构存在卡涩现象，部分活动导叶上端面与顶盖抗磨板研伤。经对导叶端面间隙进行检查发现，端面总间隙未变化，但上端面间隙明显缩小，个别活动导叶上端面间隙只有不到0.10 mm，初步判断在机组运行过程中活动导叶有不同程度的上浮现象。

针对以上分析，电厂利用检修机会对活动导叶上轴颈圆弧过度处R5与顶盖中轴孔C5倒角进行修磨，打磨出较大过渡边；重新分配导叶端面间隙，上下端面间隙按照6∶4比例调整，并控制拐臂防抬压板间隙在0.05～0.10 mm间；将拐臂上原导叶端面间隙调整垫片由铜片更换为不锈钢垫片，确保不发生变形；疏通活动导叶下端的底环排水孔，防止排水孔堵塞导致导叶上浮。经处理，小湾机组导水机构卡涩情况消失，导水机构动作灵活。

4.5插装式事故配压阀加装

小湾水电站调速系统机械液压部分主要由油压装置、主配压阀、锁锭系统及其传动机构组成。由于种种原因，电站投产时仅设置了筒阀而未设置事故配压阀。

2013年小湾电厂加装了插装阀式事故配压阀，由4个大流量的插装阀和先导阀、液控阀组成、瑞典图拉博（TURAB）过速保护器构成。事故配压阀主要应用在机组的过速保护中，当机组转速过高、主配压阀拒动、倒水机构操作失灵时，事故配压阀动作直接将压力油从油压装置接入接力器，实现不依赖于主配的、仅靠纯机械或电气过速的硬回路驱动事故配内部阀芯，使活动导叶无条件、快速关闭，实现机组紧急停机，保障机组和水工建筑物的安全。

小湾水轮机插装式事故配压阀具有动作可靠灵敏、成本较低、结构简单、内泄漏量小等优点，在安装后运行稳定，未发生过阀芯卡涩、拒动等现象，同时配合机械过速装置、进水口事故门做多重水机保护。

4.6顶盖泄压排水管路柔性节改造

小湾水轮机在顶盖处设置四根DN350的泄压管，泄压管中部设置柔性节缓冲轴向位移，减小顶盖振动和水力脉动对管路的影响。机组在长期运行过程中由于管路振动和窜动出现柔性节螺栓断裂、密封破损情况。

为彻底消除隐患，减少日常维护量，电厂选用压盖式松套限位伸缩接头替代原有的柔性节。该柔性节由压盖、本体、密封圈、限位螺杆、螺母、限位伸缩管等组成，密封圈采用丁晴橡胶材质的锥形密封圈，充压后与压盖形成锥度受力，受力越大密封越紧；同时增加了限位螺杆装置，管道在允许的伸缩量中可以自由伸缩，补偿因振动引起的泄压管轴向位移和径向振动，承受管道的压力和推力，保证伸缩节密封完好。

4.7优化调速器开机规律实现软开机

根据水轮机转轮动应力测试发现，不良的调速器开机规律也是造成叶片疲劳损伤、开裂的重要原因。原有的开机规律中，导叶迅速开到空载开度并保持，整个开机过程中叶片动应力较大。

通过对不同的开机时间和开机曲线下的叶片动应力的对比测量，电厂选用一种优化后的调速器开机规律，即导叶按0.25%导叶全开度/秒的开启速率从全关至1.4倍的空载开度，转速达到90%的额定转速后导叶开度开至1.3倍的空载开度，转速到达95%的额定转速后调速器控制逻辑由开机状态转为空载状态。

通过实测，转轮叶片下环侧的动应力峰值由原来的开机规律下的340 MPa降至200 MPa，叶片上冠侧的动应力峰峰值则由55 MPa将至30 MPa，而开机时间仅增加了20 s，符合电网对水电机组快速启动的要求。

4.8筒阀直缸接力器全开指示装置改造

小湾筒阀每个直缸接力器顶部设置一个全开位置行程开关，反馈指示杆采用O型密封圈，用来指示筒阀活塞处于全开位置。在运行过程中发现，随动指示杆筒阀启闭过程中多次发生密封失效导致漏油的问题。

电厂重新对该处密封结构进行改造，将整个反馈装置进行重新设计。改进后的装置结构布置更合理，采用轴向及径向密封均为固定式密封，均安装在反馈杆安装孔外，能有效避免动作过程中损伤及安装过程中的机械损伤，延长使用寿命，保证密封性能。自从改造以来，该处未发生过泄漏，反馈装置动作可靠。

4.9筒阀同步控制逻辑优化

小湾水轮机筒阀控制系统主要采用同轴马达电液同步系统，机械液压部分由6台接力器、1套综合控制阀组、1个同步分流器、6套同步阀组等构成；电气部分由可编程控制器PLC、接力器位移传感器、位置开关及信号功率放大版等组成。

小湾电厂将筒阀启闭串入开停机流程中，导叶全关后落下筒阀，可有效防止水量损失和间隙汽蚀。但在运行过程中，发生数次筒阀卡阻现象，且多发生在筒阀关闭至96%～98%开度之间。多次试验后，认为筒阀长期在全开状态下各接力器有杆腔压力逐渐出现不平衡容易在关闭的一瞬间发生卡阻；在缓冲阶段转为分流器供油切换的过程中，由于液控换向阀制造差异，容易造成供油流量的不平衡引起卡阻。

根据上述判断，电厂决定对筒阀同步控制系统的逻辑进行调整：

（1）为避免油路切换引起各接力器供油量偏差，取消筒阀关闭初始阶段缓冲，先打开主油路由分流器供油，比例阀参与位移纠偏。

（2）为避免接力器下腔压力不平衡，筒阀在接到关闭令后，先打开液控阀向接力器下腔供油，平衡各接力器下腔压力，延时两秒后再向接力器上腔供油开始关闭程，在接近全关时进行比例阀供油缓冲。

通过同步控制逻辑改造，筒阀可以很好的平衡接力器压力，防止筒阀突然动作引起的位移偏差，在改造后运行未发生过卡涩情况。

5　小湾电站精益化生产管理

小湾电厂自成立以来，紧紧围绕安全生产、稳定运行这一目标，推进安全生产管理体系建设，通过日常巡检、定检维护、更新改造，逐步提高机组运行稳定性和可靠性，为实现无人值班、创建国际一流水电厂打下坚实基础。

5.1加强设备巡检和运行分析，完善动态建模工作，实时监测设备运行状态和劣化趋势

电厂开展日常运行巡检和专业巡检，时时监测机组运行状态；将设备管理工作分解到日、周、月，并责任到人，明确工作周期和质量标准，纳入信息化生产管理系统，做到设备工作标准化、流程化、清单化。

开发动态数据分析平台，将监控系统、振摆系统、环境监测结合起来，多方面开展设备运行状态分析和劣化趋势，及时发现设备隐患和故障；完善、优化动态数据平台预警定值，拓展相关量分析的作用，实现动态平台中设备运行报警功能，及时反应设备的运行状况。

5.2强化设备基础管理，完善基础管理，加大力度对设备的更新改造

电厂始终将基础工作作为设备管理的重中之重。持续完善设备技术台帐、设备备品定额台帐并定期更新，全面提升设备管理水平；编制可视化作业指导书、可视化巡检指导书，深入开展检修工艺教学视频制作、设备缺陷故障词典汇编和备品定额台账修编等工作。

同时，电厂狠抓设备整治和技术改造，积极开展设备技术改造和升级，了解国内外新技术、新材料、新科技的发展，采用和推广成熟新技术，不断提高设备可靠性和运行稳定性，先后对水轮发电机组、各辅助控制设备进行重大改造36项，零星优化和技改上百项，有效地保障了机组安全稳定运行。

5.3加强技术监督工作，强化技术改造和升级，强化设备管理的广度和深度

在积极开展设备管理的同时，电厂设立三级技术监督网路，做好专业技术监督工作，两者相互促进，坚持开展周分析、月分析，跟踪设备重大缺陷和重大隐患，进行长期监控和趋势分析。

各技术监督小组及时分析设备存在的问题与劣化趋势，并提出具体解决办法，充分发挥了技术监督体系对生产管理的指导作用；通过对各设备关键指标进行监督、检查、调整、评价，促进技术专业管理，保证安全、经济运行。

6　结语

作为国内大型水电厂，小湾电厂以安全生产为中心，以机组稳定运行为重点，强化设备基础管理和安全管理，不断推进无人值班建设，积极推进技术和管理创新，实现生产管理信息化和智能化，不断践行和探索大型水电厂安全生产管理的新模式，为创建国际一流水电产不断努力。

［1］曾镇铃，徐正镐，王晓龙.小湾水电站水轮机主要参数和结构型式选择［J］.水力发电，2006（11）：94-96.

［2］林洪德，刘礼政，杜江.小湾水电站Φ8.69 m筒形阀结构设计［J］.东方电机，2010（04）：9-13.

［3］何春山，尹述红.小湾水电站调速器液压系统的方案比选［J］.水力发电，2009，35（9）87-90.

（责任编辑高瑜）

Review on Turbine Performance Testing and Technical Transformation of Xiaowan Hydropower Station

XU Dexin，QIAO Jinguo
（Huaneng Hydro Lancang Xiaowan Hydropower Plant，Dali 675702，Yunnan，China）

In light of the technical features and manufacturing difficulties of turbines in Xiaowan Hydropower Station，the performance tests of runner，governor and cylinder valve are carried out to further understand the features and functions of unit operation.The technical transformations of major equipments are further conducted based on operation，and the operation and reliability of the turbine are effectively improved.The innovations on technology and management also achieve the informatization and intelligence of operation management.

stability performance；water-taking from head cover；technical reformation；Xiaowan Hydropower Station

TM312（274）

B

0559-9342（2015）10-0029-05

2015-07-22

徐德新（1985—），男，山东枣庄人，工程师，从事水电厂机电设备维护检修管理工作.