HZ-YTJS新型调桨系统的研究与应用

张开学 张龙龙 邓东红 周松萍 刘军

摘 要：受地形、机组空间布置、投资和增容手续审批等因素制约，扩建生态小机组难以实施。目前，国内低水头水电站受技术条件限制，转轮直径1.8 m以下的水轮机组均采用定桨机组，难以实现小流量发电。河南河口二级水电站采用华自科技股份有限公司研制的HZ-YTJS新型调桨系统，将直径1.0 m定桨机组改为转桨机组，实现了对原机组改造后小流量发电，解决了生态基流发电问题，经济效益明显，属国内首创。

关键词：生态基流;小流量;水轮机;轴流;定桨;转桨

中图分类号：TV734.4 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.023

Abstract： Restricted by terrain， unit space layout， investment and approval of capacity expansion formalities， it is difficult to implement expansion of small ecological units. At present， domestic low-water-head hydropower stations are restricted by technical conditions and the fixed paddle units are adopted for all turbine units with a runner diameter less than 1.8 m. It is difficult to achieve small-flow power generation. HZ-YTJS novel paddle adjusting system of HNAC Technology Co.， Ltd. was adopted for Hekou Second-Stage Hydropower Station in Henan. The fixed paddle unit with a diameter of 1.0m was changed as the rotary paddle unit in this system， which realized reconstruction of small-flow power generation on the original unit and solved the issue of power generation with ecological basic flow. It had obvious effects and was domestic initiative.

Key words： ecological basic flow; small flow; hydraulic turbine; axial flow; fixed paddle; rotary paddle

2016年水利部印發《农村水电增效扩容改造河流生态修复指导意见》中强调，河流生态修复应遵循“尊重自然，保护优先”和“以自然修复为主，人工修复为辅”的原则。农村水电站应设置“生态小机组”并长期运行，承担生态流量泄放任务和基荷发电任务，通过发电下泄确保生态流量，生产运行时保证生态基流下泄的最低要求。生态基流相对水电站设计流量较小，在原机组上利用生态基流发电效率较低，而受地形、机组空间布置、投资和增容手续审批等因素制约，扩建生态小机组难以实施。怎样既保护河道生态又兼顾企业发电效益，是当前的一项新课题。目前，国内低水头水电站受技术条件限制，转轮直径1.8 m以下的水轮机组均采用定桨机组，难以实现小流量发电[1-5]。HZ-YTJS新型调桨系统在河南河口二级水电站的成功应用为解决这一问题提供了成功案例。

1 河口二级水电站改造的背景

河口二级水电站位于河南省济源市克井镇河口村，引沁河口水电站以下2.3 km处，属于梯级水电开发项目，发电水源主要为引沁河口水电站尾水。河口二级水电站原装机为3×400 kW轴流定桨式水轮机，水轮机型号为ZD560B-LH-100，发电机型号为SF400-14/1730轴流低压机组，电站设计水头11 m，最大水头12.4 m，最小水头10.8 m，设计流量13.65 m3/s（3×4.55 m3/s），配有常规调速器，设备投产于2009年。

河口二级水电站以沁河为水源。沁河是黄河三门峡至花园口区间两大支流之一，发源于山西省长治市沁源县霍山南麓的二郎神沟，自北向南流经山西省的沁源、安泽、沁水、阳城、高平、晋城和河南省的济源、沁阳、武陟等县（市），于武陟县方陵村汇入黄河。如何科学利用生态基流、保护河流生态，成为流域生态保护和高质量发展的新课题。

近几年，随着沁河上游的深度开发，沁河下游河南省境内出现小流量的概率明显增大。要保证生态基流必须小流量发电，为此引沁河口一级电站增加一台生态小机组发电，设计流量2 m3/s，发电流量在0.8～2.0 m3/s范围之内，而下游河口二级电站对该区间流量无法利用，因此计划新增1台200 kW小机组，但受地形、机电空间布置、投资、增容审批手续等影响未实施。当上游电站小机组发电时，二级电站无法运行，造成绿色能源浪费。因此，决定对原机组进行改造，即将原定桨机组改造为转桨机组。

转桨机组结构复杂，加工难度大，目前主要应用于转轮直径1.8 m以上的水轮机，转桨技术在小直径水轮机上很少使用。经与华自科技股份有限公司科技人员共同攻关，将原ZD560B转轮改桨成ZZD471转轮，效益提升明显，效果良好，既实现了生态基流发电又提高了整机运行效率，发电效率提高30%，填补了国内小转轮转桨技术的空白。

2 HZ-YTJS新型调桨系统技术改造

2.1 HZ-YTJS新型调桨系统简介

新型调桨系统主要由集电环、桨叶受油及控制系统、桨叶开度传感器系统和高效转桨转轮以及电气控制柜组成，见图1。

转桨控制系统通过建立优化调节的模糊控制数字模型，实现智能调节、自动适应导叶开度及水位和手动自动一体无扰动切换。桨叶受油及控制系统环抱于主轴安装，实现了集油源、压力提升、换向控制于一体，安装简单、控制可靠。开度传感器实现了对旋转体非接触式测量，同时达到安装简便和测量准确的效果。转桨转轮系统通过对转轮参数优化、主轴加工改造和泄水锥改进，实现了转桨转轮系统性能的提升。

2.2 技术改造方案

2.2.1 转轮改造

水轮机转轮技术更新，采用D471-100转轮叶片。通常惯例，ZD560的升级型号为JP502，而JP502的升级替代型号为D471-100，其效率提高5%，空蚀性能、水推力和稳定性都有优化。新的转轮直径与原转轮相同，不需要对机组转轮室进行改造，对原转轮进行现场堆焊修复、打磨、清洁。

2.2.2 定桨改转桨

原水轮机结构为轴流定桨结构，通过改进成液压转桨的方式，在水轮机轴和发电机轴连接位置增加HZ-YTJS新型调桨装置，转轮结构在轮毂内部设置接力器，通过水轮机轴的中心通孔将可控压力油引入接力器，实现机组的自动转桨功能。新的转桨转轮可以在发电功率为100～530 kW范围内高效稳定运行，在发电功率为100～150 kW运行时效率不低于70%，在发电功率为150～200 kW运行时效率不低于80%，在发电功率为200～300 kW运行时效率不低于85%，在发电功率为300～530 kW运行时效率不低于90%，比原定桨转轮的稳定运行范围（发电功率为300～410 kW）宽阔得多，不仅能合理利用上游增加的水量，而且在平水期能提高水能利用率。由于原机组设计余量较大，因此转桨的改造不需要改变土建，只需要更换水轮机轴、转轮和增设桨叶控制系统，以及更换水导轴承及主轴密封。

2.2.3 发电机增容

由于原发电机机座较大，发电机轴承承载能力足够，因此在原400 kW的机组上加长并更换定子线圈即可满足500 kW的发电功率，并可短期达到550 kW。对发电机绝缘材料进行更换，并对其他部位进行维护，同时增加测温和油位监测点，提高自动化运行水平。改造后的发电机外形没有改变，不需要土建施工配合。

2.3 HZ-YTJS新型调桨系统特点

该系统主要具备以下特点：①16 MPa高油压，具有调节力大、调节平稳的优点;②油源内置、用油量少，相比传统桨叶调节系统结构上没有旋转动态密封点，可以做到零泄漏、无污染;③安全可靠，油泵通过特殊的机械结构驱动，取消了油压电动机，降低了漏电风险;④效率范围大，适应负荷变化能力强，发电水头范围扩大到设计净水头的0.5～1.2倍，出力范围扩大到额定出力的25%～100%，处于生态流量时仍然可以发电;⑤投入成本少，相比常规扩容方式成本大大降低;⑥改造时间短，120 d内完成设计、生产加工、安装调试，其中停机影响发电时间不超过20 d;⑦维护成本低，产品故障点少、安全可靠，常规维护仅需对刹车片、压力油等易耗易损件进行检查维护。

2.4 改造方案对比

方案一为原有2台水轮机定桨改转桨，方案二为新增1台200 kW机组，按技术改造要求，改造方案对比见表1。

按技术改造要求，改造成本对比见表2。

方案比较表明，方案一具有如下优点：①改造成本低;②两台水轮机的转轮更新后，效率相应提升，并可实现超发，综合效率提升30%左右，电站能够取得更大收益;③无土建工程，可简化行政审批手续，项目改造周期短。

3 改造效果

3.1 改造前后数据对比

现场实测数据对比见图2。经过现场实测数据对比得到：改造前，当上游一级电站小机组发电功率为1 600 kW（满负荷）、发电引水流量为2.0 m3/s时，下游二级电站发电功率为130 kW，改造后下游二级电站发电功率为200 kW，较改造前增加发电功率70 kW;改造前，当上游一级电站发电功率为1 200 kW、发电引水流量为1.5 m3/s时，下游二级电站发电功率为70 kW，改造后下游二级电站发电功率为150 kW，较改造前增加发电功率80 kW;改造前，当上游一级电站发电功率为1 000 kW、发电引水流量为1.2 m3/s时，下游二级电站停止发电，改造后下游二级电站发电功率为90 kW。

3.2 改造前后效果对比

（1）实现生态基流发电。通过试验，改造后电站最小发电流量为0.8 m3/s，上游发电功率为600 kW时对应下游发电功率为50 kW。

（2）转轮效率提升。转轮效率提升，空载开度减小，空载频率更加稳定，并网速度更快。原有转轮叶片角度设定为10°，机组在额定负载时机组效率较高。当偏离额定负载时，流量与叶片角度不匹配，机组效率下降，水轮机无效耗水量大。新转轮采用液压调桨转轮，叶片可调角度范围为-12°～12°，能根据当前的流量选择相匹配的角度运行，维持机组在高效区运行。机组在空载和低负荷状态下同样能维持高效率运行，耗水量减少，发电效益明显得到提升。

（3）发电机效率提升。原容量400 kW的发电机最高发电功率只能达到420 kW，经改造后可达到550 kW，在丰水季节的效益得到进一步发挥。原转轮按发电机400 kW容量设计，叶片角度固定在10°左右，可过流量受限，而新转轮的叶片角度最大可调整到12°，过流量随之加大，发电机可提高发电效率30%左右。

3.3 改造前后效益对比

河南河口二级电站改造前多年平均发电量500万kW·h，改造后年平均发电量提高30%，年发电量达650万kW·h，新增发电效益48万元，两年以内可收回成本，无土建投资，施工期短，经济效益明显。

参考文献：

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【责任编辑 张华岩】