水电站水轮机转轮的增效扩容改造技术

2020-01-18李勇军四川雅电发电有限责任公司

环球市场 2020年22期

李勇军四川雅电发电有限责任公司

一、引言

目前，我国发电站的能力已经与日益增长的用电量需求不相适应，如果发电站技术以及发电能力不能跟上时代发展的需要，不仅影响到人们的生活质量，而且也会阻碍社会经济的快速发展。现阶段，火力发电站增在向清洁发电技术转型，而大部分建设时期较早的水电站也存在诸多的问题。这些建设时期较早的水电站，受当时技术条件和资金条件的限制，不仅投入建设规模小，而且技术相对落后，如今逐渐暴露出设备老旧、水轮机组容量低、发电效率下降等问题，亟须技术迭代、扩容增效。水力发电属于清洁的发电技术，但受到地理条件限制，增设新的水电站远不如对老旧水电站升级改造划算。对老旧水电站升级改造既可以促进节能减排，保护河流生态环境，同时，也可以消除老旧水电站的安全隐患，为此，针对老旧水电站水轮机转轮的扩容增效升级改造已经成为目前水电站改造项目的重要内容。

二、水电站水轮机存在的主要问题

水轮机组是水利工程发电的核心设备，水电站发电主要靠水轮机组的转轮转动，由流水带动的机械能最终转化为动能。水轮机组的设计容量、安全性能直接影响着水电站的发电效率，现对我国老旧水电站水轮机组中主要存在的问题分析如下，以便针对性地进行扩容改造。

（一）水轮机设计参数落后，发电效率及安全性能较差

目前，我国大多数水电站存在设计参数落后的问题，尤其在20 世纪90 年代以前建造的水电站，现在发电能力和发电效率出现严重下降趋势，已经远远不能适应时代发展的需求。主要原因在于，受当时设计条件与发电技术的限制，我国自主研发能力较弱，水电站设计技术主要依靠国外技术支持，且受限于经济发展的落后以及当时低水平用电量的现状，在设计水轮机组容量参数等方面相对保守，例如在早期一批建设的水电站中选用的HL160、HL220、HL240 等型号的水轮机组，均为前苏联或美国淘汰的技术，当时设计理念和设计技术均比较落后，加之我国早期设计的水电站装机容量相对较小，设计参数没有超前意识，导致现在水轮机组运行时发电效率很低，运行过程中的水力稳定性也较差，在新时代发展背景下，难以撑起现代社会发展用电的需求，需要进行扩容增效改造。

（二）水轮机选用材质较差，设备遭侵蚀和老化严重

受到水力发电站水轮机组工作环境的影响，水轮机组材料选用上需要针对性设计。这是因为，长期处于水下环境运行，受到泥沙、空蚀等恶劣的工作条件影响，导致水轮机组磨损、腐蚀等问题频繁出现[1]。早期的水轮机组材料设计选型时没有考虑到这些破坏因素的影响，通常选用诸如ZG30、ZG35等型号的碳钢材料，这些材料抗磨损、抗腐蚀能力不高，长期在水下运行作业时很容易受到破坏，导致设备遭侵蚀老化严重。目前，大多数老旧型号的水轮机组出现腐蚀或磨损破坏后，需要进行修复措施，通过补焊、补强等措施进行修复时，由于基础材料较差，补焊后热处理条件不足，很容易导致水轮机转轮叶片变形问题，且补焊后再次开裂现象也频繁出现。以上问题频繁出现，不仅发电效率低下、过流能力及发电稳定性严重不足，而且反复修补费时费力，鉴于此，及时更换新材料新工艺制造的水轮组，对水轮机组转轮彻底更新升级才是最优的改造方案。

（三）水轮机设计和选型差，不能处于最优模式运行

与火力发电不同，水力发电需要依靠水的流速落差带动水轮机转轮运行，从而实现发电。因此，水力发电站选型设计需要依据河流流量、水电站水头等地质条件进行针对性设计，通过分析研究河流水域条件，从而确定水电站装机容量，在设计选型时规划相适应的水轮机组数量，才能保证水电站运行时处于高效率、最优化的运行模式。此外，我国目前的水电站水轮机组主要采用的混流式水轮机转轮叶片，该形式设计定型以后，位置是固定死的，不能随时调整叶片角度，因此，设计选型时必须根据选型水流角度计算好水轮叶片与水流状态相匹配的角度，即确保水轮机转轮处于最优的工作区域，否则水轮机组工作效率就会大打折扣。这是因为，当水轮机组转轮叶片角度与水流状态不适应时，水流在绕流叶片时会产生涡流，导致叶片受涡流震动影响而出现稳定性较差的问题。早期水电站设计时并没有依据不同的选址特点对水文地质条件进行分析研究，通常是根据其他水电站设计形式套用设计相近的水轮机组，导致转轮叶片角度与水流角度不适用，从而出现选型设计不当的问题，严重影响水电站的发电效率[2]。

三、水电站水轮机转轮改造技术分析

已经运行的水电站，在进行扩容增效改造时，需要根据水电站设计建设条件、地质环境影响因素等多方面限制条件考虑，权衡利弊，并做出最优的改造方案。为此，针对水电站水轮机转轮改造时必须遵循基本的方法步骤，掌握改造技术要点，以达到扩容增效的实际目的。

（一）研究实际工况，分析影响因素

针对某老旧发电站进行水轮机组转轮扩容增效改造时，必须及时了解该水电站的实际运行情况，全面分析水电站运行情况、水文地质情况等影响因素，对水电站水轮机组运行状态、影响因素等进行全面了解，出具研究报告，为查找问题、制定改造策略提供参考依据。为此，必须对水电站的运行情况进行全面巡检排查，包括原水轮机转轮设计参数、设计结构、设计选用材质等以及水电站水轮机组的运行方式、运行特点等，同时，对当地水电站土建情况、电站所处河流水流流速和水量变化等情况。越是了解全面、透彻，对于后期改造升级方法的制定就越有利。为此，改造技术人员必须做好前期的勘验工作，对水电站的实际工况进行全面了解，对水电站设计图纸、设计变更情况、运行过程中存在的问题等都要了解仔细，必要时进行实地测量，对比与图纸设计存在的差异，务必做好前期准备工作。

（二）查找存在问题，明确改造条件

有了上述前期充分完善的准备工作，根据出具的调研分析报告，对水电站运行中存在的问题进行分析总结，查找当前水轮机组存在的实际问题，并明确符合实际工况的改造条件。水轮机组转轮问题影响因素很多，主要包括设计参数、材质、叶片结构、水流条件等，工作人员必须确定水电站改造急需解决的实际问题，并明确实际具备的改造条件，从而对症下药，制定合理的改造方案，确保改造技术实施过程的顺利。当查找问题原因以后，工作人员必须进一步分析改造的限制条件，确保问题能够通过改造顺利解决。为此，首先，要对水轮机组结构、尺寸问题进行分析，分析更改结构尺寸的可行性或必要性；其次，依据项目水流情况和水量变化情况，对发电机组容量问题进行分析，考虑扩容增效的可行性；再次，对叶片、转轮主轴结构强度进行分析，考虑更换叶片或主轴型号、材质的必要性[3]。

（三）制定最优方案，确保改造成功

水轮机组改造的最优方案要根据该水电站现有存在问题及改造条件而定，通过综合分析，制定改造费用小、改造周期短、扩容增效效果显著的最优方案。为此，首先，通过上述两处技术要点，对水轮机组运行水质、水头、流速、流量等基础条件进行全面分析，经过计算、验算、校核等确定该水电站水轮机设计最优工况点所需的单位转速和流量，并进行转轮改造所需的水力设计等，以此确定需要改造的边界条件；其次，对上述设计。验算分析所得的设计边界条件进行反复修正计算，确定最优设计参数，直至达到最优设计目的；再次，根据实际改造所需边界条件以及需要达到的设计参数，对水轮机组状况进行分析，根据存在的实际问题逐一改造修复，如升级设计参数、改进叶片或转轮主轴型号和材质等，必要时对水轮机组重新进行选型设计，确保水轮机组扩容改造升级成功。