衡阳某电站水轮机增容改造设计

解再益

（湖南云箭集团有限公司，湖南 长沙410100）

衡阳某电站水轮机增容改造设计

解再益

（湖南云箭集团有限公司，湖南 长沙410100）

衡阳某电站经过40多年运行后，其效率低，水资源浪费严重；在洪水期间，机组振动大，无法运行，经济效益十分低下。通过此次电站技改，特别针对水轮机改造，解决了电站效率低、运行不稳定和效益低下等问题。首先是选择高效、大流量的转轮，提高了水轮机的出力；其次复核原电站流道尺寸参数，确保增容后新水轮机有足够的过流能力；最后用专利的转轮桨叶调桨技术，解决了水头、负荷变化时机组振动大的现象，保证了机组能够长期稳定运行在高效区里。通过真机的长期运行，验证了此次技改的措施是成功的，大大提高了电站的综合效益，也为国内众多同类型电站的技改提供了借鉴。

增容改造；高效；出力；稳定；效益；转轮；流道；复核；振动；调桨

1 基本情况

1.1 电站概况

衡阳某电站是一座以灌溉为主，兼顾发电、防洪、通航功能的综合性农村水利枢纽工程。正常蓄水位为60.5m，设计水头为10.5m，多年平均降雨量为1343.3mm，多年平均流量为250m3/s，多年平均径流量为79亿m3。现装有ZD510-LH-180型1250kW容量的水轮发电机10台，发电机总装机容量12.5MW，经统计，近20年实际平均年发电量为7275kW·h，年小时平均利用率为5820h。

1.2 电站存在的问题

1）原机组服役40多年，安全隐患多，技术采用的是前苏联40年代技术，效率低，水资源浪费严重，经济效益低下；

2）电站洪水期间，水头变低，机组振动大，无法运行。

1.3 增容改造的内容和目标

衡阳某电站是在原有流道不改变的基础上，通过改造，增效扩容到单机出力达1600kW；同时保证在洪水期，机组能够稳定运行并发电。

2 电站改造的主要参数

增效扩容的设计参数为：设计水头仍为10.5m，转轮直径为φ1800mm（转轮室不动），导叶高度720mm（座环不动），单机出力达1600kW。

3 水轮机改造说明

衡阳某电站改造具有很大的代表性，存在的问题突出，改造目标十分明确，主要任务在于改造电站的原动机——水轮机上。

而水轮机的改造主要从以下三个方面着手，分别进行改造分析说明：

1)选择高效大流量的转轮；

2)通过对原有流道的分析，复核改造后机组的出力情况；

3)针对电站洪水期间，水头变低，机组振动大到不能开机的情况，用调桨式转轮结构，来解决转轮桨叶与水头、负荷变化的协联动作问题，以保证水轮机运行稳定。

下面就从这三个方面进行改造分析说明。

3.1 转轮选择

衡阳某电站原水轮机ZD510-LH-180，ZD510转轮是苏联上世纪40年代的技术水平，其效率低下，因此选择新型高效、大流量的模型转轮是保证技改成功的关键。

从目前国内轴流机中选出几个模型转轮进行比较，找出衡阳某电站与目前最匹配的模型转轮，分别是：ZDJP502、ZDK160。

3.1.1 模型转轮参数比较（见表1）

3.1.2 原型水轮机参数比较（见表2）

3.1.3 真机运行曲线图

水轮机真机运行区间图见图1。

图1 ZDJP502-LH-180水轮机运行区间图

3.1.4 技改转轮选择说明

1）根据改造轴流式水轮机的特点，对水轮机性能影响最大的是导叶高度、轮毂体直径和尾水管高度。而从模型转轮的流道参数可以看出，ZDJP502的导叶高和与ZD501一样，轮毂体直径更小，尾水管尺寸接近，与电站现有的流道最为接近，因此从技改水轮机的角度出发，优选ZDJP502模型转轮。

2）从真机的转轮效率来看，ZDJP502-LH-180的设计点达91.58%，其设计点的效率较高，是非常优秀的一个转轮。

3）ZDJP502模型转轮的模型汽蚀系数σc小，安全系数取1.2计算，得出JP502转轮的吸出高度为+0.82m，满足电站的要求。

综上所述，从能量指标、稳定性指标、空化性能及与原电站流道的匹配性考虑，ZDJP502转轮是最适宜的模型转轮。此次技改推荐的方案是：

ZDJP502-LH-180(ψ=+8°) SF1600-24/2600

3.2 电站流道过流能力的复核

对于技改电站，增容到1600kW，单台水轮机的额定流量会从16.9m3/s增加到19.5m3/s。因此需对原电站的流道尺寸进行复核计算，包括：进水口部分、混凝土蜗壳、尾水管。

3.2.1 进口部分复核

按电站提供的设计图，其进水口尺寸为2.5m× 2.5m，其进口面积是：2.5×2.5=6.25m2，《大电机设计手册》混凝土蜗壳进口断面的平均流速为3m/s，见图2，其过机流量Q=6.25×3=18.75m3/s，此时发电机出力为 N=9.81HQηDη=9.81×10.5×18.75× 0.95×0.9158=1680kW；

式中：H——设计水头(m)

Q——过机流量(m3/s)

ηD——发电机效率(%)

η——水轮机效率(%)

图2 混凝土蜗壳进口断面的平均流速

3.2.2 蜗壳部分复核

查电站的原始设计图纸，原电站的蜗壳进水口是2.5m×4.6m（高×宽），其余部分也与180°包角的混凝土蜗壳尺寸是相同的，蜗壳部分没影响。

3.2.3 尾水管部分复核

查电站的原始设计图纸，原电站的尾水管单线图是按标准的4C肘管设计的，与ZDJP502转轮采用的肘管相比：

电站原4C尾水管出口尺寸为2358mm×4277mm，是ZDJP502尾水管出口尺寸2198mm×5184mm的0.885倍。

在不改变尾水管等埋入部件的情况下，改造后的机组相当于采用了“异形过流部件”的结构，因此在计算效率修正时，要根据“异形过流部件”对效率的影响需要另外修正，修正值取-1.0%，最终发电机出力为N=9.81HQηDη=9.81×10.5×18.75×0.95× 0.9058=1662kW。

通过对原电站的流道尺寸进行复核计算，原流道尺寸能够满足增容改造要求。

3.3 调桨结构设计

衡阳某电站洪水期间，出现水头变低，机组振动大到不能开机的情况，是轴流定桨式水轮机的特点决定的。从图1（ZDJP502-LH-180水轮机运行区间图）可以看出，定桨式转轮，因叶片角度固定，其运行区间相当窄，当实际工况偏离设计工况时，水轮机效率急剧下降，机组出力下降；水轮机偏离到不稳定区间运行，振动大，且空蚀严重。

要扩大轴流式水轮机高效运行的区间，普遍采用的是转桨式转轮结构。转桨式转轮可任意调整转轮桨叶角度，使导叶和桨叶开度保持着协联关系，保证了水轮机始终在高效且稳定的区间运行，这样水轮机既获得了较高的效率，又能保持运行稳定。而转桨转轮需通过液压油控制转轮桨叶调节，整套受油器系统复杂，密封困难，常出现漏油、窜油及密封失效等问题，电站的维护成本高。

衡阳某电站水轮机转轮直径φ1800mm，如果改造成转桨式转轮，一是要增加一套液压系统，大大增加运行、维护成本；二是转轮体内部空间狭小，结构布置困难。对于这种机型改造，我们优选调桨式转轮结构，调桨结构设计是介于定桨与转桨转轮结构的新型转轮结构，一般采用纯机械式操作，无需要液压油系统来调整转轮桨叶，即可实现水轮机高效运行。

我们拥有成熟的调桨式转轮结构专利技术（一种轴流式水轮机的手动调桨机构，专利号：ZL201320838508），其调节结构和方法简单，可以实现转轮叶片在停机时，随意调整叶片角度，对负荷变化的适应性较好，运行区域较宽广，平均效率较高，同时解决转桨转轮的漏油、窜油等问题。图3是衡阳某电站采用的调桨式转轮结构图。转轮叶片角度调整在水机层操作，用手柄旋转蜗轮运动，带动蜗杆作上下运动，叶片转角0~8°，完成了水头与桨叶角度的协联动作，实现了负荷与水头同步变化。

图3 蜗壳蜗杆传动的轴流调桨式水轮机转动部分

4 改造后的效果

衡阳某电站完成改造后，在电站多次售后服务中记录：真机运行半年来，在正常水位时，水轮发电机组运行在1630kW以上；在洪水期间，水轮发电机组可以稳定运行在1460kW以上。水轮机通过调节桨叶角度，保证机组在上述二种状态下，均能够长期稳定地运行。

5 结束语

衡阳某电站机组已运行40多年，其效率低，洪水期机组振动到无法运行，水资源浪费严重，电站整体经济效益十分低下。我们在认真分析了原电站存在的问题，提出科学的技术改造办法，特别是针对水轮机的技术改造，采用最适宜的改造手段，实现了机组增容目标，同时机组能够长期稳定、高效地运行。通过真机的长期运行，检验了此次技改的结果，其技术改造措施是成功的，取得了令人满意的增效扩容目标。

衡阳某电站通过此次成功的技术改造，发挥出了更大的综合效益，也为国内众多同类型电站的技改提供了借鉴。

[1]张屹峰.马颈坳水电站6号水轮机的增容改造[C]//第十八次中国水电设备学术讨论会论文集，2011.11.

TV734.2

B

1672-5387（2017）05-0045-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.05.011

2016-05-17

解再益（1975-），男，工程师，从事水轮机设计工作。