某电厂贯流式水轮机转轮改造前后稳定性及经济效益研究

黄振宇

（中国大唐集团科学技术研究总院有限公司水电科学研究院，广西 南宁 530000）

0 引言

近年来，随着我国水利设施建设的逐步开发完成，前期完成建设的水电站水头常受新建电站的影响，日常运行水头与设计水头有偏差，不但对机组稳定性造成不利影响，同时也会降低经济效益。某电厂位于红水河流域，为该流域第七级梯级电站，总装机容量为192 MW，由6 台单机容量建成投产至今已运行余年。随着上、下游新电厂的建设投运，该电厂运行条件与设计条件有了较大差距：尾水位上涨1.4 m，最低尾水位上涨约4.2 m，最大水头降低了2 m，枯水期流量增加、下游水位抬高、发电水头降低等，电站低水头运行工况明显增多，此时机组振动及噪声大，导致导叶开度只能达到，达不到预想出力， 5 m 及以下水头运行时机组稳定性差，此外，机组长期在较差工况下运行还发生过水轮机转轮与主轴连接螺栓断裂、发电机定子铁心端片位移、切割槽底线棒绝缘等问题。由于运行工况的改变造成的安全隐患和经济损失日渐加剧，水轮机的改造迫在眉睫。经与国内外专家、设计单位论证[1]及参考国内类似电厂的经验后[2-4]，决定采用更换额定单位流量大、效率更高的转轮的方案进行改造。

1 技术改造方案

相较原设计运行水头范围，现电厂实际运行水头为3 m～16 m，根据多年运行资料，电厂平均毛水头为10.41 m，根据公式Δh=5.7×10-6×Q2计算，电厂净水头约为9.6 m，改造后转轮额定水头依据H设计=0.9H权，本电厂宜采用8.6 m 额定水头的转轮。因此，本次改造的3 个方案中均进一步的降低了原转轮额定水头：方案1 考虑改造转轮及导水机构。额定水头降低的前提下为了更好的利用水能，势必带来转轮直径的增大，流道外形曲线不改造则难以与转轮室圆滑过渡，同时需要开挖部分混凝土更换座环外锥体，该方案转轮直径由6.4 m 变为6.7 m，同时对轮毂进行适当减小，转轮直径增加约4.7%，过流面积增加约10.5%，额定水头降至8.8 m，但改造费用最大，改造周期最长。方案2 考虑转轮直径增大至6.6 m，额定水头9 m，导水机构不变。该方案需更换转轮体、转轮叶片、泄水锥、伸缩节等部件，打磨圆滑过渡导水机构外导环，最终转轮直径增加约3.1%，过流面积增加约7.2%，但由于改变了流道，需重新进行模型试验验证转轮性能是否满足要求。方案3 则维持转轮直径不变，转轮更换为额定单位流量大、效率较高的转轮。该方案投资最小，流道尺寸未改变，尽管更换转轮后额定水头为9.4 m 相距8.6 m 较大，但水头降至8.6 m 后仍能保持28 MW 的出力，加之实际运行资料统计显示全厂最大出力未超过140 MW。综合考虑施工难度、经济效益、改造时间等因素后，最终采用方案3 进行改造。新旧转轮参数如表1 所示。

表1 旧水轮机与新水轮机参数对比表

2 改造后运行情况

改造后轮毂比由0.428 缩小至0.38，得益于过流面积的增大，转轮过流能力提高约10%～12%，导叶开度相同的情况下出力增加约10%～12%；在额定水头9.5 m 时，新机组出力能达额定出力33 MW；新转轮在3 m～5 m 水头段振动值较小，可稳定运行，在5 m 水头时保证出力11.55 MW，在3 m 水头时可出力5 MW，而此时旧转轮已因振动过大而无法运行。改造完成后运行数据见表2。

表2 新旧转轮出力对比情况对比表

由表2 可知，水头在9 m 之下时新旧转轮出力差距明显，改造前机组在5 m 以下无法正常运行，而根据新转轮在毛水头3.7 m 的稳定性试验数据，新机组此时可稳定出力5 MW，最大出力可达5.7 MW。在6 m～10 m 运行区间时，原机组限制在85%导叶开度下运行，出力较新机组出力受阻。在额定水头之上两者出力情况相近。新机组多个水头的振动区划分见表3。3.7 m、8 m 水头稳定性数据见表4。

表3 新转轮振动区划分表

表4 新转轮稳定性数据

从机组出力及稳定性情况上看，新转轮在低水头时也能有一定的区域稳定运行，改造效果明显。

3 经济效益分析

新转轮目前已在不同水头和出力情况下稳定运行，在低于额定水头时相同开度较原机组出力增加10%以上，年发电量提高的同时减少了安全隐患，维护成本降低，经济效益进一步提高。表5 统计了改造后8 个月的运行数据（利用系数：93%[5]）。

表5 改造后机组运行数据表

在改造前的可研报告中，全厂机组技术改造后年发电量增量约为4 000 万kW·h，有效电量系数取94.0%，改造后全年可增加有效电量3 760 万kW·h，按厂用电率0.45%计算，年上网电量可增加3 743.08 万kW·h，平均每台机年增加发电量623.85 万kW·h，项目投资可在9 年内回收成本，而根据改造后8 个月数据统计，此时已增加发电量1 753.2 万kW·h，相比可研报告有大幅提升，本次改造可取得非常可观的经济效益。

4 结论

随着社会的发展及“双碳”目标的提出，水能作为清洁能源未来在能源行业的比重将进一步提升，而早期投运的电厂不可避免要面临技术改造问题。本次改造后的机组在实际运行一段时间后，不但解决了原机组无法在低水头运行的问题，提升了整体机组的稳定性，同时还在经济效益上取得了明显的提升，是一次成功的改造，可为相关同类型电厂技术改造提供一定的参考。