蚌埠闸水电站水轮机转轮改造应用分析

张文斌

（安徽省蚌埠闸工程管理处，安徽 蚌埠 233000）

蚌埠闸水电站建成于20 世纪80 年代末，作为当前农村小水电站一个典型代表，近几十年的运行不仅增加了地方财政收入，又造福了当地居民。但由于建成年代早，运行时间长，在多轮大修过程中均发现水轮机转轮存在空蚀、裂纹问题，虽经一定程度处理，效果仍不理想，严重制约了机组效率发挥并且存在一定的安全隐患。据统计，截至2021 年底我国已建成小水电机组45 000 台，总装机容量达6 500 万kW，年发电量2 000 亿kW·h，很好地补充了我国电能供应，然而相当一部分电站同样属于早期建成，或多或少存在类似现象，因此通过加强新技术、新材料应用，改善技术装备水平，为同行业提供相关经验参考。

1 项目概述

1.1 水电站概况

蚌埠闸水电站是蚌埠闸水利枢纽工程组成部分，其基础部分于1958 年与节制闸同步施工，厂房及机电设备安装续建于1984 年，1987 年6 台机组全部投产，为河床式低水头水电站。装机容量6×800 kW，多年平均年发电量2 800 万kW·h，截至2022 年底累计发电10 亿kW·h，是皖北地区唯一一座水力发电站，为地方经济发展作出了重要贡献（表1）。

表1 电站机组现状参数

1.2 存在的问题

1）在2014 年实施的增效扩容改造中，通过对发电机定、转子线圈等进行改造，发电机容量增至1 250 kW，但水轮机主要部件尤其是转轮未进行改造，在额定水头和高水头工况下，虽然发电机具备了1 250 kW 的能力，但水轮机出力达不到与之匹配的出力，效益发挥不明显。

2）由于水轮机已运行多年，存在叶片及转轮体空蚀、磨损严重及叶片裂纹现象，历年来在机组A 级轮修中对其补焊后，转轮静平衡和动平衡性能都变差，既降低了水轮机的运行可靠性和出力，也加剧了水轮机导轴承的磨损。同时，现状的水轮机设备为二十世纪七八十年代产品，与当今的技术水平及生产工艺相比，水轮机的水力性能有一定的提升空间。

2 转轮改造基础参数

现水轮机型号为ZD760-LH-250，额定水头4.1 m，额定出力890 kW；增容扩效时水轮机额定水头定为4.7 m，额定出力为1 090 kW。由于本次改造仅对水轮机转轮进行更新改造，发电机等相关设备及水轮机其他部件均保留，因此机组主要结构尺寸也均维持不变，故转轮改造的基础参数为：额定水头为4.7 m，转轮直径为Ф2 500 mm，额定出力为1 090 kW（表2、表3）。

表2 电站水位特性指标

表3 转轮改造基础参数对比表

3 转轮改造说明

3.1 转轮选择

经初步分析比选并结合现有水电设备制造商反馈信息，本次改造拟采用ZD987-35（ψ=12°）、ZD410（ψ=10°）、ZDT03-43（ψ=25°）3 个性能相对较优且适合本站的转轮模型，并据此在同一标准上对3 个方案进行比较，真机效率均按1%进行修正（表4）。

表4 水轮机真机参数比较表

由表4 可知，3 个方案的性能及参数均能满足本次改造要求，从能量指标比较，方案1 在最小水头工况、额定水头工况下效率均较高。

3.2 型号确定

经对照3 个方案的运行范围图，方案1 中水头达到4.55 m 以上时，水轮机即可达到额定出力1 090 kW，满足本次改造要求的4.7 m 额定水头。当水头达到5.6 m以上时，发电机1 250 kW 容量可得到充分利用。方案2、方案3 的实际额定水头为4.6 m，虽也能满足本次改造对额定水头的要求，但方案1 整个运行范围内的加权效率相对更高些。综合比较，方案1 各工况点的水轮机出力性能指标相对更优，因此最终确定选择转轮型号ZD987-35（ψ=12°）进行改造（表5）。

表5 转轮改造主要确定参数

3.3 改造技术要求

本次改造是对转轮进行整体更换（主轴继续利用），在机组A 级检修期间同步完成，因此拆机后转轮制造厂商在生产前须到现场测量复核轮毂与主轴联接面相关尺寸、叶轮外壳各主要断面尺寸，以便新转轮与现有设备之间良好匹配。

3.3.1 转轮

1）材质：转轮叶片采用ZG06Cr13Ni4Mo，轮毂采用ZG310-570 碳钢铸造，联轴螺栓采用45#锻钢制作，成型后发蓝处理。

2）强度和刚度：能够承受任何作用在转轮上的最大水压力、离心力和压力脉动，退役前在周期性变动负荷作用下不发生任何裂纹和断裂或有害变形。在飞逸转速工况下，桨叶、轮毂的材料应力不得超过材料屈服强度的2/3。

3）桨叶：叶片内端侧加工成与轮毂良好配合的球形，并把轮毂与叶片的间隙减至最小。最重叶片与最轻叶片的重量差不超过最轻单个叶片的4%，叶片设置防空蚀裙边。

3.3.2 质量要求

1）叶片和轮毂铸造质量按CCH 70－3：1996《水力机械铸钢件检查规范》规定进行无损探伤质量检查。桨叶叶片加工前后均应酸洗，探测气孔，所有气孔均应铲除和修复，成型叶片无空穴、凹陷、裂缝或凸出物。

2）严格控制加工精度、尺寸公差和热处理工艺，转轮应在车间内作静平衡试验，不允许在轮毂的外侧过流表面作偏心切割，为平衡用的配重塞孔不得靠近过流表面。出厂前必须对水轮机主要部件进行试验和检查。

3）转轮装配的所有螺栓和销子，要有防止由于运行时振动及其他原因引起松动的措施。

3.3.3 质量保证

1）保证新转轮在一个大修周期8 年内不产生裂纹。

2）在表1 规定的运行水头条件下，负荷在75%～100%额定出力范围内水轮机均可稳定运行。

3）顶盖垂直振动和水导摆度应符合GB/T 8564—2003《水轮发电机组安装技术规范》及有关安装技术标准。

4 改造后的效果

4.1 质量检测

2022 年6 月，蚌埠闸水电站对1#机组水轮机转轮进行了改造。通过对转轮体、叶片进行焊缝探伤检测，对叶片进行液体渗透探伤检测，均符合规范要求。对各叶片进行称量，最重叶片与最轻叶片重量差为3 kg，小于最轻单个叶片的4%要求。对转轮进行静平衡试验，在Ф875 mm 处不平衡量27 g，小于规范170 g 要求。制造用不锈钢ZG06Cr13Ni4Mo 材质、Q235 材质、ZG310-570 碳钢材质均为合格产品。

4.2 试运行情况

2022 年9 月，新转轮安装、调试完成后，结合1#机组A 级检修进行了充水、建压、并网、甩负荷等工作，开始72 小时试运行。试运行期间，1#机组导叶开度在63.5%～65.3%时出力达到1 100 kW（与其他未改造机组对比，下同），同等出力导叶开度少开约3.6%，同等开度出力增加约100 kW。水轮机额定工况效率由原来的83.5%提高至90.1%，其他各工况点的效率也均有不同程度提高。在水头达到4.55 m 时，即可发出1 000 kW（本站运行时间较长时出力），水头达到5.6 m 时，机组可发出1 250 kW。机组振动、摆度、噪声等均符合相关要求和规范。

5 结束语

蚌埠闸水电站1#机组水轮机转轮改造是非常成功的，不仅提高了机组出力，而且消除了老旧转轮存在的安全隐患，大修周期也能得到适当延长，后期结合机组轮修将继续采取该方案对其他机组水轮机转轮进行改造。鉴于全国早期建设的小水电站数量比较多，或多或少也存在此类问题，希望本成功经验能为同行提供一些思路和途径，共同推动小水电事业高质量发展。