铜街子水电站12号机增容改造水轮机水力开发

赵永智，税　彪（东方电机股份有限公司，四川 德阳 618000）

铜街子水电站12号机增容改造水轮机水力开发

赵永智，税彪
（东方电机股份有限公司，四川 德阳 618000）

摘要：根据铜街子水电站12号水轮机组增容改造要求，在仅更换转轮的情况下，水轮机出力由154MW增容到178．57MW。本文详细介绍了在水轮机转轮水力开发过程中的参数选择，以及在转轮设计过程中针对铜街子电站水轮机具体水力参数所采取的方法和措施，对部分水轮机全流道数值计算结果和模型试验结果进行了简单分析。电站实际运行情况表明，铜街子电站水轮机的综合水力性能得到较大幅度的提升。

关键词：轴流式水轮机；水轮机增容改造；转轮；数值计算分析；模型试验

1引言

铜街子水电站位于四川省乐山市沙湾区的大渡河上，装机4台轴流转桨式水轮发电机组，单机容量150MW，单台水轮机出力为154MW。电站自1994 年12月全部机组投产投运至今，由于机组出力等原因，水能得不到充分利用，水轮发电机组磨蚀老化问题逐渐显现。大渡河上游具有不完全年调节能力装机容量为6×600MW的瀑布沟水电站建成投运后形成53.9亿m3的水库，增强了铜街子水电站库容的可调节性。为了充分利用上游来水，在保证机组安全稳定运行的前提下，利用现有条件通过增加水轮机的出力从而增加机组容量，最大可能地增加电站的发电量，最终达到提高经济效益和治理水轮发电机组磨蚀老化等设备缺陷的目的。

根据电站改造要求，在仅更换转轮（包括转轮叶片、轮毂体）和内支撑盖部分流道，以及保持电站水轮机吸出高度不变的条件下，改造后水轮机出力由154MW增容到178.57MW，同时还要满足水轮机的空蚀和运行稳定性要求。在东方电机有限公司水力开发团队的共同努力下，成功研制出了满足电站增容以及电站运行要求的水轮机转轮并应用于电站，目前已投入商业运行，水轮机各项性能指标均满足电站增容改造要求。

2电站水轮机基本参数

改造前铜街子水电站水轮机基本水力参数如下：

水轮机型号ZZ440-LH-850

额定出力154MW

同步转速88.2r/min

水轮机转轮直径D18500mm

设计流量574m3/s

最高水头40.0m

额定水头31.0m

最低水头28.0m

转轮叶片数6

吸出高度-9.2m

蜗壳包角180°（Γ型）

活动导叶分布圆1.159D1

活动导叶高度0.376D1

活动导叶数24

尾水管高度2.09D1（至桨叶中心线4H型）

3水轮机水力开发及流动分析

铜街子水电站水轮机最高运行水头为40m，转轮直径8.5m，改造后水轮机额定出力为178.57MW，属于高水头大型轴流转桨式水轮发电机组。为满足机组刚强度的要求，水轮机需采用较大的轮毂比，而较大的轮毂比限制了水轮机的过流能力，使得水轮机在大流量情况下效率指标下降较快，增容幅度受到限制，同时增容幅度还受到电站吸出高度的限制，水轮机水力设计难度较大。铜街子水电站12号水轮机增容改造具有以下特点和难点：

（1）水轮机增容幅度大。水轮机额定出力由原来的154MW增容到178.57MW，机组增容幅度达到15.95%，水力开发难度大；

（2）仅更换水轮机转轮（包括转轮体）及支持盖和导流锥处流道，其他流道尺寸不变，水力开发条件限制大；

（3）水轮机安装高程和转轮直径不变，水轮机空化要求高。

从以上几点可以看出铜街子水电站水轮机增容幅度较大，改造范围小，给水轮机的水力优化带来很大难度。要达到增容改造目的，在水轮机转轮水力优化设计时须对转轮进行详细的流动分析计算，找到改善和优化所需的水力性能的水力设计方法和措施，对转轮各项水力性能的优劣做出合理的分析与判断。同时，对优化转轮和全模拟流道装置进行全面的模型试验，根据模型试验结果来判定水力设计是否达到增容改造的目的。由于水轮机改造范围小，水力优化设计就集中在转轮的水力开发上。

3.1水轮机转轮几何参数选择

轴流转桨式水轮机转轮几何参数的选择对水轮机的能量性能、空化性能以及水轮机的过流能力都有较大的影响。针对铜街子增容改造水力开发条件限制大、水轮机增容幅度大、改造范围小的特点，需要对水轮机转轮几何参数进行仔细分析和选择。

3.1.1转轮叶片数

原铜街子水电站水轮机转轮为 ZZ440(即ZZ587），叶片数Z为6个，相应的为了有足够的空间容纳转轮叶片操作机构，转轮的轮毂比为0.5。铜街子水电站水轮机增容幅度大，6个叶片和0.5轮毂比制约了水轮机的过流能力，从而影响水轮机增容幅度。

已投运或正在建设的轴流转浆式电站的实际情况表明，桨叶数为5片的转轮完全可以应用到25～40m水头范围，并根据水头的高低配以不同的轮毂比，若设计得当，完全能够满足强度、空化和稳定性的要求。铜街子电站最大水头Hmax=40m，转轮采用5叶片是完全可以满足电站水轮机的刚强度要求，同时有利于提高水轮机的水力性能。

与6叶片转轮相比，5叶片转轮过流能力增加，高效率区更加宽广，水轮机可获得较大的增容幅度。同时，5叶片转轮在设计得当时，仍可以获得较高的空化性能，使得优化设计的转轮满足铜街子水电站水轮机增容改造后水轮机的空化要求。根据铜街子水电站提供的电站运行水位记录，在水轮机满负荷及高负荷运行时，其尾水位均高出最低尾水位（433m）3～5m，相应电站吸出高度Hs增加3～5m，水轮机在额定工况运行时有较高的空化安全裕度。水轮机增容后，额定工况下水轮机的流量将增加，电站尾水位也将高于增容前的尾水位，水轮机的吸出高度增加，空化安全裕量Kσ也会随之相应地增大，水轮机的空化安全可以得到进一步保证。根据实际设计经验、模型试验以及铜街子电站的实际运行情况，选用5叶片转轮完全可以满足水轮机的增容和长期安全稳定运行要求。

通过以上分析，选定铜街子电站水轮机转轮的叶片数为5个。

3.1.2转轮轮毂比

轮毂比是轴流式水轮机的一个重要的几何参数，其大小对水轮机的水力性能有重要的影响，从而对转轮的运行区域产生较大的影响。减小轮毂比可使最优效率增加，改善空化性能。另一方面，轮毂比的减小也受到了电站最高使用水头的限制。轴流转桨式水轮机转轮过流量和转轮轮毂比以及其他几何参数的关系式如下：

由上式可以看出，轮毂比Q的大小直接决定着水轮机过流通道的宽度，改变高效区的单位流量和单位转速。随着设计、加工制造水平的提高以及新型材料的应用，从技术手段上可以很好地解决水轮机的空化和刚强度问题，轴流式水电站水轮机转轮轮毂比Q有逐渐减小的趋势，但也受电站最高使用水头的限制。铜街子水电站水轮机原有转轮的轮毂比Q=0.5，相对较大，限制了水轮机的过流能力，同时也限制了水轮机的增容能力。针对铜街子水电站的具体情况，可以适当减小转轮轮毂比以提高水轮机的过流能力，同时也可以增加转轮叶片的过流面积，达到改善水轮机转轮空化的目的。通过仔细的对比分析以及设计制造经验，最终选择铜街子水电站增容改造后水轮机转轮的轮毂比Q=0.46。

综上所述，对于铜街子水电站，在保证水轮机安全稳定运行的前提下，水轮机转轮的参数如表1。3.2水轮机转轮水力设计

表1改造前后转轮参数

由于铜街子水电站的同步转速、转轮直径都不改变，水轮机出力确定后，水轮机的运行区域就基本确定，最优单位转速和最优单位流量的选择要根据电站的加权因子分布进行合理的调整，以保证电站有较高的加权平均效率，获得较大的经济效益。

针对铜街子水电站水轮机增容幅度大，空化和稳定性要求高的情况，在铜街子水电站水轮机转轮设计时主要采取了以下水力优化措施：

（1）选择合理的设计参数；

（2）适当减小转轮轮毂比和减少转轮叶片数，增大转轮的过流能力；

（3）叶片设计时，调整翼型的型线，提高转轮效率；

（4）调整转轮叶片进口形状以适应原有导叶的出口流态；

（5）调整转轮叶片出口形状以使得转轮出口流速分布均匀，适应原有的尾水管，改善尾水管内的流态，提高尾水管的能量回收效率和水力稳定性；

（6）在减少转轮叶片数的情况下，适当增加翼型的弦长，提高转轮的叶栅稠密度，减小叶片的单位负荷，使得水轮机的空化性能得以提高；

（7）通过全流道数值计算，判断所设计开发的转轮对原流道的适应性，提高水力开发的准确性。

从全流道数值计算结果看（铜街子水轮机全流道见图1），蜗壳内流线分布较为均匀；受180°包角蜗壳的影响，活动导叶进口沿圆周方向平均液流角分布变化较大，但活动导叶出口平均液流角和流量分布较均匀，为转轮提供了较好的进口条件。蜗壳及导水机构流态如图2。

图1铜街子水轮机全流道

图2 蜗壳及导水机构流态

从转轮流动分析结果看，最终优化设计的水轮机转轮很好地适应了铜街子电站原有导水机构的出口流态，叶片正、背面压力分布均匀，转轮具有较高的能量特性。转轮流态见图3。

从尾水管的流动分析结果看，在设计工况点，尾水管内流线分布较为均匀，没有明显可见的回流及空腔，支墩头部没有明显的冲角，这说明所设计转轮的出口流态很好的适应了尾水管。

图3转轮流态

流动分析表明，最终设计得到的水轮机转轮很好地适应铜街子电站的水轮机流道，水轮机将具有较高的能量特性。

4水轮机模型试验

最终优化设计出的水轮机模型转轮进行了全面的水力性能模型试验，并通过了业主和相关专家共同见证下的水力模型验收试验。模型验收试验在东方电机DF-60水力机械通用试验台上进行。水轮机模型验收试验结果表明：东方电机针对铜街子电站具体水力参数进行的水轮机转轮水力开发取得满意的成果，开发的水轮机转轮各项性能指标都满足增容改造的要求。铜街子电站增容改造前、后水轮机在各主要运行水头下的相对效率比较如图5～图7，水轮机主要参数对比如表2。

图5 Hmax=40m原型水轮效率比较

图6Hmin=28m原型水轮效率比较

图7Hr=31m原型水轮效率比较

铜街子水电站增容改造后水轮机在各水头下的最大出力见表3：

模型试验结果及与改造前后水轮机的水轮机水力性能比较表明，本次为铜街子电站12号机增容改造开发设计的水轮机转轮具有以下特点：

（1）水轮机转轮综合水力参数水平得到大幅提升；

（2）水轮机转轮具有较高的效率水平。在最优工况点，水轮机转轮模型最高效率大幅提高约4.0%；在额定工况点，在使用流量增大10.3%的条件下，水轮机原型效率提高约4.4%；

表2铜街子水电站水轮机改造前后参数对比

表3水轮机出力

（3）水轮机转轮具有较大的出力裕量，协联状态时水轮机在各水头下随着桨叶角度和导叶开度的增加，出力呈上升趋势，在模型试验的最大桨叶角度12°时仍未下降；水轮机完全可以从154MW增容到178.58MW；

（4）在水轮机安装高程不变、吸出高度Hs为-9.2m和流量增大10.3%的条件下，水轮机转轮各保证出力工况点均具有足够的空化安全裕量；

（5）在主要运行水头范围内，水轮机具有良好的水力稳定性。

5结语

铜街子12号机增容改造范围小，水力开发条件苛刻，通过共同努力，东方电机为铜街子电站12号机增容改造开发的水轮机转轮已成功投入商业运行。自投运以来，水轮机运行平稳，水轮机组单机额定出力有原来的150MW成功增容到175MW，各项性能指标都达到了增容改造要求。铜街子电站增容改造采用“1+3”模式，由于12号机增容改造的成功，东方电机已获得其他3台水轮机组的增容改造合同，同时为选用ZZ440转轮的老电站改造提供了成功的案例和技术支持。

参考文献：

[1]赵永智.万安电站5号轴流式水轮机水力开发[J].东方电机，2005(2).

中图分类号：TV734.1

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）04-0005-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.04.002

收稿日期：2014-09-19

作者简介：赵永智（1965-），男，高级工程师，从事水轮机水力开发工作。