淺談小水電站增容改造的水輪機(jī)技術(shù)方案設(shè)計

胡群嬌

（南寧市川水發(fā)電設(shè)備技術(shù)有限公司，廣西 南寧 530031）

淺談小水電站增容改造的水輪機(jī)技術(shù)方案設(shè)計

胡群嬌

（南寧市川水發(fā)電設(shè)備技術(shù)有限公司，廣西 南寧 530031）

通過實例闡述了小型水電站增容改造水輪機(jī)技術(shù)方案設(shè)計的思路和方法，指出水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計與過流部件的配套改造，是制訂增容改造技術(shù)方案的重點(diǎn)，是增容改造成功的關(guān)鍵。

水電站；增容改造；轉(zhuǎn)輪選型；結(jié)構(gòu)設(shè)計

許多小水電站水輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)過多年運(yùn)行后，普遍存在機(jī)組磨損老化嚴(yán)重、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水增加、機(jī)組效率低及出力下降等問題。同時，發(fā)電機(jī)絕緣老化，危及到電站的安全運(yùn)行，存在著大修或更新改造的要求。另一方面，近年來隨著國家加大對水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，也給小水電站的更新改造，提供了資金支持。

部分水資源條件較好的小水電站，都有借機(jī)組更新改造之機(jī)進(jìn)行增容，通過提高機(jī)組出力增加發(fā)電量，提高發(fā)電收入，同時又能達(dá)到設(shè)備技術(shù)更新的設(shè)想。但各個電站具體情況各異，技術(shù)方案設(shè)計需要通過實地考查，充分認(rèn)證計算，并進(jìn)行方案的比較、經(jīng)濟(jì)效益的分析后得出的。

筆者從事了多年的電站技術(shù)改造工作，積累了一些實踐經(jīng)驗，在這里通過實例對電站水輪機(jī)組增容改造技術(shù)方案的設(shè)計思路和方法進(jìn)行總結(jié)，謹(jǐn)與同行交流。

1 電站水資源條件的校核

水電站進(jìn)行增容改造，需要具備一定的條件：

首先，豐水期要有較長時間和較大流量的棄水，即水資源條件具備；

其次，增容改造原則上利用電站原有的水工建筑及機(jī)組的大部份零部件，只通過更換能通過較大流量的新型高效轉(zhuǎn)輪，同時對過流部件進(jìn)行配套改造；發(fā)電機(jī)則需要更換加大線徑的定子、轉(zhuǎn)子線圈，并采用新型絕緣材料，提高發(fā)電機(jī)的絕緣等級，以達(dá)到降低投資、增加出力的效果。

進(jìn)行水輪機(jī)增容技術(shù)改造前，首先要掌握電站第一手確切資料，內(nèi)容包括：

（1）電站現(xiàn)有水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)型、裝機(jī)容量、設(shè)計出力、實際出力、投入運(yùn)行年份等資料。通過實地測量獲取電站毛水頭、凈水頭、尾水高程、渠道過流能力、壓力管徑、導(dǎo)葉開度與實際出力、軸承溫升等確切數(shù)據(jù)，為改造提供依據(jù)。

（2）設(shè)計出力與實際出力的校核。根據(jù)實地測量的實際流量、凈水頭等數(shù)據(jù)資料，復(fù)核電站現(xiàn)有機(jī)組的設(shè)計出力，通過計算，檢驗機(jī)組設(shè)計出力與實際出力是否吻合。如果不一致，還要分析影響差異的原因，尋找影響機(jī)組出力的因素及對增容改造的影響等。同時，通過復(fù)核可以檢驗測量數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確可靠。

2 水輪機(jī)改造技術(shù)方案的設(shè)計

水電站增容改造成功與否，首先在于水輪機(jī)的改造，而轉(zhuǎn)輪的選型及配套設(shè)計尤為關(guān)鍵。下面以某電站的增容改造實例，來闡述電站增容改造中水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的選型設(shè)計思路。

該電站原機(jī)組的基本參數(shù)如下：

電站裝機(jī)兩臺HL240-LJ-140水輪發(fā)電機(jī)組，額定水頭32.5m，蝸殼進(jìn)水口鋼管直徑2.0m，額定流量12m3/s，額定轉(zhuǎn)速300 r/min，額定功率3200 kW。

電站每年有約5個月的多余棄水。轉(zhuǎn)輪經(jīng)過多年運(yùn)行后，轉(zhuǎn)輪葉片背面有少量深約5mm蜂窩狀氣蝕。

2.1 新轉(zhuǎn)輪選型及水力計算分析

（1）出力計算。根據(jù)電站具體情況及已掌握的新型水輪機(jī)型譜，通過反復(fù)計算比較，擬選用A527-140新型轉(zhuǎn)輪。

查A527-35轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線，如圖1。

圖1 A527-35轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線圖

由圖可知：

效率修正

則修正后水輪機(jī)效率

式中，

Q為額定流量，m3/s；

H為額定水頭，m；

D1為轉(zhuǎn)輪名義直徑，m；

Q11為單位流量，m3/s；

ηM為水輪機(jī)模型效率；

ηg為發(fā)電機(jī)效率。

考慮新舊轉(zhuǎn)輪配套損失、轉(zhuǎn)輪模型與原型導(dǎo)葉數(shù)、尾水管異形部件、容積損失增加以及磨擦阻力的增加等因素，效率折減2%，取ηT=85%，發(fā)電機(jī)效率取ηg=94%則機(jī)組最大出力及流量分別為

若取增容到Pmax=4241 kW，則單機(jī)流量Qmax=16.6m3/s，2臺機(jī)流量則為Q=33.2m3/s，超出渠道的過流能力，壓力管道的流速也超出經(jīng)濟(jì)流速，水力損失增加，故不可取。

若按增容至4000 kW計（假設(shè)ηT取85%），則流量

（2）校核壓力鋼管流速。當(dāng)設(shè)計出力取P=4000 kW時，壓力鋼管流速

一般壓力管經(jīng)濟(jì)流速為ν=3～5m/s，若機(jī)組增容至4000 kW，壓力管流速在經(jīng)濟(jì)流速范圍內(nèi)。

（3）校核吸出高程，檢驗氣蝕性能。查A527-35轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線，可知：

氣蝕系數(shù)δm=0.25，而電站實際尾水高程▽=86m，

則有吸出高程

電站機(jī)組實際吸出高程Hs=-1m＜+0.15m，可知改造后氣蝕性能滿足要求，若制造時轉(zhuǎn)輪葉片采用不銹鋼材質(zhì)，則抗氣蝕性能更理想。

（4）增容方案選擇。考慮發(fā)電機(jī)的配套改造以及主軸強(qiáng)度、渠道過流能力、經(jīng)濟(jì)流速及保證估水期機(jī)組還能在較高效率區(qū)內(nèi)運(yùn)行等綜合因素，擬考慮增容至4000 kW比較適宜。

推算P=4000 kW時的單位流量及效率

ηT折減3%后為85.5%，效率較高。

（5）計算分析的結(jié)論。由以上的計算分析可得：選用A527-140型轉(zhuǎn)輪，機(jī)組出力完全可以達(dá)到4000 kW，壓力鋼管過流量為Q=15.7m3/s，流速在經(jīng)濟(jì)流速范圍內(nèi)，效率較高，損失較少。

2.2 新轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

經(jīng)過對比新舊轉(zhuǎn)輪幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，新轉(zhuǎn)輪的導(dǎo)葉高度系數(shù)b0=0.378，而HL240轉(zhuǎn)輪的導(dǎo)葉高度系數(shù)b0=0.365，這樣，新轉(zhuǎn)輪進(jìn)水口高度比HL240長了18.2mm。

通過分析論證后認(rèn)為：如果在制造轉(zhuǎn)輪時，葉片按標(biāo)準(zhǔn)葉片生產(chǎn)，但新轉(zhuǎn)輪進(jìn)水口高度按HL240高度裝焊，具體做法是將新轉(zhuǎn)輪葉片與上冠連接段去除18.2mm的高度，即將轉(zhuǎn)輪上冠下拉18.2mm，保持與原轉(zhuǎn)輪高度一致。這樣，轉(zhuǎn)輪的水力性能變化不大，流量減少也不明顯。

據(jù)此思路，我們對新轉(zhuǎn)輪的進(jìn)水口高度進(jìn)行了局部改動，其他參數(shù)都相似，不作修改。

2.3 改造效果

按照上述的改造方案，我們完成了廣西某水力發(fā)電廠的水輪發(fā)電機(jī)組增容技術(shù)改造，更換了新轉(zhuǎn)輪，并配套改造導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，更換密封件，改造調(diào)速機(jī)構(gòu)的拐臂以加大導(dǎo)葉開度，增加導(dǎo)葉過水量。同時更換加大線徑的定轉(zhuǎn)子線圈，并把絕緣等級提高到F級，以滿足增容后電流密度增加的需要。

改造后機(jī)組最大出力達(dá)4100 kW，且機(jī)組運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠，軸承溫度52℃，電站對改造效果十分滿意。改造結(jié)果表明，我們所選用的改造方案及對轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的修正是可行的。

3 結(jié)束語

水電站增容改造，是一項技術(shù)性較強(qiáng)的系統(tǒng)工程，有一定的投資風(fēng)險，需要嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)地計算論證、方案比較，而能否正確選擇能通過較大流量的水輪機(jī)新型轉(zhuǎn)輪替代原有舊轉(zhuǎn)輪，是改造成功的關(guān)鍵。在選型時，要求新舊轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，流道尺寸盡可能相似，以減少由于異形部件影響機(jī)組出力，并降低改造風(fēng)險。

[1]劉大愷.水輪機(jī)[M].北京：中國水利水電出版社，1997.

[2]陳錫芳.水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組改造增容與優(yōu)化運(yùn)行[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

Talking about Capacity of Hydraulic Turbine Design of SmallHydropower

HUQun-jiao
（Nanning ChuanshuiPower Generation Equipment Technology Co.,Ltd.,Nanning530031,China）

By instance set out small hydropower station capacity increase of turbine technology design thinking and methods,that selection and structure design of hydraulic turbine runner and supporting improvement of the flow componentsare the focus for development of retrofit technology programmes,isa capacity increase of the key to success.

hydropower station;uprating;wheel design

TV742

B

1672-545X（2012）06-0166-03

2012-03-05

胡群嬌（1971—），女（壯族），廣西南寧人，工程師，主要從事水電站設(shè)備技術(shù)改造工作。