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1、水轮机增容改造技术分析: 能源 关键词:水轮机摘要本文从海丰县归河电站水轮机水轮机技术改造的实例，着重介绍了水轮机水轮机改造中额定水头、运行现状、技术要求、选型比较和推荐方案等的技术分析过程，结合本工程提出了中小型水电站水轮机技术改造需注意的一些问题。关键词水电站转轮改造一、概况归河电站是广东海丰县公平水库坝后站，属明渠引水式电站，电站于1978 年建成投产，装机容量为 21250kW，多年平均发电量 570 万kWh，多年平均利用小时数 2400h。机组运行初期基本正常，但由于水轮机吸出高度 Hs 偏大，特别是水库加固后经常运行在 12m 水头以上，高于机组额定工作水头(原设计水头为 105
2、m)。因此，转轮、尾水管等关键通流部件遭到严重空蚀磨蚀破坏。多次检修补焊后，又发生转轮叶片严重变形，转轮室容积损失增大，水轮机效率严重下降等一系列问题；此外，电站还存在丰水期弃水较多现象，水库发电效益损失很大。二、水轮机增容改造的可行性ZD510 转轮机型上世纪 50 年代末由前苏联引入，在国内仅生产了一种产品型号，即 ZD510-LH-180，基本上用于 1016m 水头段，80 年代初ZD560 机型问世后，该机型即被淘汰。由于早期水力设计和试验研究水平所限，该转轮缺陷较多，主要有：技术经济指标比较差，其主要设计参数如过流能力、最高效率及空化性能与现代转轮机型相比，全都相差甚多。效率较低，
3、在肘型尾水管高度 h=1915D，条件下，模型最优效率仅为87。空化性能差，由于轮叶外圆过小，叶片和转轮室容易受到较严重的空蚀破坏。ZD510 模型特性曲线见图 1，其模型最高效率只有 83，且空蚀性能较差，由运转特性曲线得知，归河电站机组在 12m 水头额定出力时运行效率只能达到 775(新机情况下)，经空蚀破坏后的水轮机效率还要低。目前国内外轴流式水轮机转轮技术性能普遍提高，特别是随着计算机技术在水轮机设计开发中深入应用，我国水轮机新机型研究开发取得了长足进步。近年来国内制造厂家和科研单位通过国际合作和试验研究已开发出效率、出力、空蚀等性能全面提高的中低水头轴流新机型，完全可以取代 ZD5
4、10 机型。主要机型有 ZD560a、ZD580 和 JP529a 等三种机型。新机型的效率比 ZD510 机型有很大提高，空蚀性能也有很大改善，且能量指标也优于 ZD510 转轮。这些新转轮的成功研制和应用，为我国ZD510-180 机型老电站的挖潜改造奠定了良好的技术基础。三、水轮机转轮改造方案1额定水头确认经实测，得知电站上下游最大落差为 1450m(上-下)，单台机最大毛水头为 1450m，两台机并列运行最大毛水头为 100143m。下游水位变幅为 12m，水头损失约 05m。因此，可以暂确定水轮机额定运行水头为 120m。2.运行现状分析以 ZD510-180 机组铭牌参数和运行水头
5、 12m 为条件，经计算，得知机组设计单位转速为 130rmin，如按机组目前最大出力 1450kW(调速器开度 85)计算，则单位流量为 1530Ls( 10)，单台机组过流量为1716m3s，模型水轮机效率为 825。由简单计算和分析得知：(1)由于水轮机转轮叶片空蚀、磨蚀严重，容积损失偏大，主要通流部件磨蚀锈蚀比较严重，水轮机实际运行效率约在 78以下。(1)ZD510-180 转轮在 12m 水头条件下运行单位转速比该机型( 10)最优单位转速偏高 15。3对增容转轮的技术要求针对电站增容目标和实际运行条件，对技改新转轮提出如下要求。(1)现 ZD510-180 水轮机的相对导叶高度为
6、 040D1，导叶高度 720mm，新转轮必须与之相适应。(2)以增容后双机额定出力 21500kW、最大出力 21600kW 为原则，计算水轮机整体通道和转轮的单位过流能力应该达到 1550Ls 以上。(3)新转轮在较大过流能力和较高效率工况下的单位转速必须与本站发电机的转速相匹配，即新转轮的较优单位转速应为 128rmin。(4)新转轮的模型最高效率应大于 915，同时具有较好的抗空蚀性能(额定工况点的空化系数不大于 05)。4改造转轮选型比较表 1 列出了几种(含原转轮)能够适应本电站机组水力通道尺寸，同时又满足机组增容要求转轮的性能参数。注：上表中计算的工作水头为 12.0m，机组额定
7、转速为 250r/min，发电机效率取 93，水轮机效率取模型效率值。由表 1 可以看出，JP529a 转轮综合性能明显优于其他转轮。5改造转轮推荐方案本次改造根据设计水头 H=12m、流量 Q=16.3m3s、转速 n=250rmin等主要技术参数确定改造转轮的设计工况点。其对应的最优设计单位转速 n1=130rmin、单位流量 Q1=150m3s。经过优选对比,建议选用引进国外先进技术设计研制的 JP529a( 3)高效转轮，该转轮模型曲线见图 2，由图 1 可知，其最高效率可达 91.7，空蚀性能也较好。6转轮改造前后性能比较(1)出力和效率的对比。由原 ZD510-LH-180(新机情
8、况)和推荐的JP529a-LH-180(根据归河机组流道修正后)运转特性曲线，分别比较工作水头厅在 13m、12m、11m 时两种机型效率和出力，在全部运行工况中，JP529a 的效率都高于 ZD510，最多可提高 8，见表 2。(2)空化性能分析。水轮机的空化性能不仅关系到水轮机空蚀破坏，而且影响到水轮机的出力、效率和运行噪声等技术性能指标，是一项很重要的技术指标。保证水轮机不发生汽蚀的重要措施，就是在电站设计时，根据转轮的空蚀系数 ，计算确定水轮机最大允许吸出高度 Hs。最大允许吸出高度 Hs 按下式计算式中：为水轮机转轮叶片枢轴中心线安装高程(m)，20m； 为转轮计算点的空蚀系数; 为
9、空蚀系数修正值，由参考文献1可查；H 为水轮机工作水头(m)。通过计算可以看出，ZD510 转轮仅在水头为 11m 时，吸出高度 Hs 就已接近电站吸出高度 26m，所以水轮机空蚀破坏严重。而 JP529a 转轮除在水头为 14m 时 Hs 略低一点，其余水头段 Hs 均高于目前电站吸出高度 Hs=26m，表明 JP529a 转轮用于归河电站，空化性能将有所改善。(3)机组过流能力分析。归河电站原设计流量 Q=169m3s2，电站的水工建筑物运行时没有发生过流能力不足的现象。因为本次技术改造的设计流量没有变化，机组过流能力满足 JP529a 转轮的要求，通道尺寸无需改变。(4)改造后飞逸特性分
10、析。为确保水轮机改造后机组的安全运行，需对水轮机的飞逸转速进行校核。由原东方电机厂提供的 ZD510-LH-180 水轮机飞逸特性曲线得知，在最大工作水头 H=15m 条件下，ZD510(10)LH-180 的最大飞逸转速 nd=538rmin。JP529a 转轮未作模型飞逸试验。但根据水轮机的理论和规律，水轮机的飞逸转速与转轮的最优单位转速密切相关，最优单位转速的降低，相应飞逸转速也降低。JP529a( 3)转轮的最优单位转速为 1275rmin，与 ZD510( 10)转轮最优单位转速 130rmin 很接近，其飞逸特性也基本相当。因此，若 ZD510 转轮的飞逸转速满足要求，则 JP52
11、9a 转轮也满足要求。四、改造应注意的几个问题为保证新转轮具有良好的综合性能，在转轮制造中，应采用高精度坐标法加工工艺制造叶片，提高叶片型线的制造精度，保证与模型的相似性，降低叶片表面粗糙度和波浪度。为保证新转轮与土轴的正确联接、以及与导流盖、转轮室等部件之间的正确配合，保证机组顺利安装和正常运行，必须在新转轮有关配合和联接尺寸精加工之前，在电站现场对旧转轮有关联接和配合尺寸进行实测。为确保增容改造后转轮的空蚀性能得以改善，在新转轮的水力设计和结构设计及转轮制造材质等几个方面采取抗空蚀措施，以提高新转轮的抗空蚀性能和使用寿命。五、结语归河电站是一个运行近 30 年的老电站，其通过改造水轮机转轮而使电站获得更高经济效益的做法，在本市的樟河电站、龙潭电站技改中已取得成功。老电站挖潜改造是当今小水电管理的一个重要方面，新型高效水轮机转轮的发展，为改造方案提供了更多选择，而计算机优化技术的运用，可以为个案电站的技术改造实行“量身定做”，提高额定出力和水轮机运行效率，减轻转轮的气蚀破坏，延长机组的大修周期，增加电站经济效益。参考文献：1白林主编.小型水电站发电设备手册(主机部分).水利水电出版社，1987
