淺談甘肅省柳園水電站提升改造

郭 祥

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

1 基本情況

1.1 電站概況

柳園工程樞紐為引水式電站，位于甘肅省文縣境內白水江干流上。電站主要由攔河閘（壩），引水建筑物（含進水閘）、壓力隧洞（前段低壓管道）、調壓井、壓力管道、發(fā)電廠房等建筑物組成。主要任務是發(fā)電，水庫正常高水位1032.0 m，相應庫容23.8×104m3。電站裝設兩臺立軸軸流轉槳式水輪發(fā)電機組，單機容量14 MW，總裝機容量28 MW，設計年發(fā)電量1.5195×108kW·h，年利用小時5414 h，電站最大水頭34.1 m，最小水頭28.7 m，水輪機設計水頭30 m，設計引水流量106.6 m3/s，單機設計流量53.3 m3/s，電站于2012 年建成投產發(fā)電。

1.2 電站現存問題

轉輪葉片材質為ZG0Cr13Ni5Mo，活動導葉材質為ZG20SiMn。由于水輪機轉輪一個槳葉斷裂、其它槳葉有裂紋，電站自2012 年發(fā)電以來已經更換過一次轉輪。更換后的轉輪仍存在以下問題：轉輪槳葉局部有裂紋；轉輪槳葉及轉輪室氣蝕、磨損嚴重；尾水錐管氣蝕嚴重；泄水錐有過脫落；發(fā)電機在運行過程中，出現過燒定子、鏡板裂紋等情況。

1.3 電站改造的必要性

由于以上問題的存在，使機組運行存在嚴重的安全隱患，嚴重影響了電站的發(fā)電效益。因此，為了保證電站能夠長期安全、穩(wěn)定、經濟的運行，柳園電站改造是非常必要的。

2 現存問題原因分析

根據現有電站的引水系統(tǒng)、實際運行條件、機組尺寸等限定，通過計算分析初步判斷，轉輪出現的一系列問題是由于機組安裝高程以及轉輪鑄造工藝的原因導致的。由于機組安裝高程不合適，使電站氣蝕條件得不到滿足。且本電站70%的發(fā)電量來自汛期，汛期的含沙量又很大，在氣蝕條件不滿足的情況下電站出現磨蝕情況，從而加劇對機組過流部件的損壞。

3 電站改造方案分析

3.1 水輪機安裝高程

根據機組運行情況，氣蝕比較嚴重，經過初步復核計算，目前機組水輪機安裝高程偏高。根據ZZ550 轉輪模型特性曲線，在額定水頭工況下汽蝕系數σ≈0.53，理論計算吸出高度-8.6 m～-9.4 m，現狀吸出高度復核計算為-8.12 m，差值0.48 m～1.27 m，即要消除水輪機汽蝕影響，理論上安裝高程最少要降低0.48 m～1.27 m。

對于降低安裝高程有兩個方案可供選擇：一是降低安裝高程，這個方案既要改造壓力管道高程，又要廠房整體改造。施工周期長、投資大，顯然不合適；二是對尾水池進行改造，即抬高尾水位，相對降低安裝高程，這樣可滿足汽蝕要求。但是抬高尾水位會對柳園水電站這種低水頭電站發(fā)電效益影響嚴重，造成巨大的經濟損失。而且尾水最高校核洪水位為1000.92 m，廠房地坪高程為1001.4 m，高程差只有0.48 m，裕量非常小。抬高尾水位有可能會對廠房防洪造成威脅。

因此在安全與經濟因素的綜合考量下，土建方案改造并不適用于柳園水電站的改造。改造方案應以機電設備改造為主。在土建部分不改變的條件下，為了改善氣蝕性能，改造方案應首選更換氣蝕性能更好、效率更高、過流能力更大的轉輪。

3.2 水輪機轉輪選型

柳園水電站裝設兩臺立軸軸流轉槳式水輪發(fā)電機組，水輪機轉輪型號為ZZ550。機組自2012 年投產運行后更換過一次轉輪，更換后的轉輪型號為ZZ550，與原轉輪型號相同。

柳園水電站水頭范圍為28.7 m～38.3 m，根據我國《中小型軸流式、混流式水輪機轉輪系列型譜》，適合該水頭段的轉輪較多。根據上述情況對水輪機的要求，通過對模型轉輪的分析計算，選用轉輪型號ZZ660 與原轉輪型號ZZ550 進行方案比選。

在柳園水電站水頭范圍下，ZZ550 與ZZ660 比較，ZZ550運行范圍基本包含高效率區(qū)，ZZ660 運行范圍偏離高效率區(qū),ZZ550 的最優(yōu)效率高于ZZ660。ZZ550 的導葉高稍小于ZZ660，由于導葉高的限制ZZ550 過流能力稍大，故ZZ550 發(fā)電量更大，經濟效益更好。ZZ550 額定工況點的氣蝕系數小于ZZ660的額定工況點的氣蝕系數，由于現場安裝高程條件限制，ZZ550空化性能更優(yōu)越，相較于ZZ660 更適合本工程。且經過對國內四個中小型水輪機制造廠調研和咨詢，目前暫沒有更合適的轉輪可供選擇，四個機組廠一致推薦原轉輪ZZ550。

當然，研發(fā)新轉輪也是一個方案，但是轉輪的研發(fā)周期一般在一年以上，費用超過200 萬元，從經濟和工期方面考慮，研發(fā)新轉輪方案不能滿足柳園電站的進度要求，所以不推薦研發(fā)新轉輪方案。綜合比較推薦仍采用原轉輪ZZ550，柳園水電站水輪機主要技術參數見表1。

表1 ZZ550 轉輪主要技術參數表

3.3 改造方案及建議

3.3.1 更換水輪機轉輪

現有轉輪因氣蝕已損傷較為嚴重，更換轉輪是十分必要的。經上述分析采用原轉輪型號ZZ550 是可行的，可進一步調研水輪機廠家，通過研究轉輪材質、槳葉材質以及表面涂層，以提高轉輪的抗磨蝕與氣蝕能力。

3.3.2 水輪機轉輪室改造

由于氣蝕及磨損原因，轉輪室損壞比較嚴重，影響水輪機效率，因此有必要對轉輪室進行更換。轉輪室采用分瓣型式，設置合縫面，廠內定位加工成型，現場組裝螺栓把合，封焊流道面，保證球面精度尺寸。

3.3.3 設計復核

更換水輪機轉輪及轉輪室的方案不改變機組引用流量和運行水頭，則導葉關閉時間維持現狀運行參數，且原有調速器調速功可滿足改造后運行要求。建議對調速器、油管路、油質以及操作機構等進行檢查和檢測，排除隱患。發(fā)電機在運行過程中，出現過燒定子、鏡板裂紋等情況，加上機組已經運行接近十年，因此建議對發(fā)電機進行檢測。根據實際檢測情況和結構計算復核情況，確定發(fā)電機是否達到穩(wěn)定安全運行的要求。

3.3.4 對氣蝕部位修復

對其他過流部件受氣蝕影響的部位鏟磨后用不銹鋼焊條進行補焊，應注意焊面必須打磨銜接平順，呈流線型過渡。通過對過流部件的氣蝕問題處理以及更換轉輪室，對機組的現有效率應會有顯著的提升。

3.3.5 限制水輪機運行出力

由于軸流轉漿式水輪機具有較寬的高效率區(qū)，因此適當的降低運行出力后，水輪機運行效率基本不會降低。同時，在適當降低水輪機運行出力后，水輪機流量減少，運行水頭提高，在相同來水量的情況下，水電站單位發(fā)電量的耗水量減小，總發(fā)電量還略有提升。水輪機流量減小也有利于延長水輪機等過流部件的使用壽命。

3.3.6 加強運行管理

電站運行單位未來應注意加強對水輪機運行情況的跟蹤管理，對各個工況的運行情況及運行數據做好記錄。同時制定系統(tǒng)的檢修計劃，及時發(fā)現并處理受氣蝕磨蝕影響的部位，以避免水輪機遭受嚴重的氣蝕破壞，提高轉輪的運行壽命和運行質量。

4 結語

柳園水電站的問題具有代表性。氣蝕在電站水輪機運行過程中普遍存在，而且其危害性極大，直接導致機組效率下降，水輪機使用壽命縮短，嚴重時危及電站運行安全。對已建成運行二三十年的中小型老水電站，一般采取更換性能更優(yōu)異的高效轉輪的方法，從根本上處理氣蝕問題以提升電站運行效益。而對于柳園水電站這樣相較年輕的電站，轉輪性能已經為現有研發(fā)轉輪中最優(yōu)異的一批，難以通過更換轉輪型號而對電站運行效益進行提升。結合現實條件，以科學合理的理論提出更完善的運行方案和監(jiān)測措施，在不影響電站效益的前提下，嚴格限制水輪機運行出力，繼續(xù)對水輪機的氣蝕情況進行觀察和處理，是柳園水電站面對氣蝕問題長期而有效的應對辦法。