劉本利，王樹民

（中國電建集團海外投資有限公司，北京100048）

1 水輪發(fā)電機組改造的背景

某水電站發(fā)電系統(tǒng)工程由大壩、引水管道、廠房和尾水渠等構(gòu)成，電站安裝立軸混流式機組，裝機3×60MW，采用一管三機的引水模式，額定工作水頭122m。在水庫達(dá)到設(shè)計最高水位時，機組滿流量運行，電站未達(dá)到設(shè)計裝機發(fā)電容量。通過多次現(xiàn)場測量，3臺機組同時運行時水輪機最大運行水頭約為116.5m。由此確定電站不能發(fā)出滿容量的根本原因系滿容量時引水系統(tǒng)水頭損失偏大，水輪機實際工作水頭未達(dá)到設(shè)計的額定水頭。

2 改造原則

根據(jù)電站實際運行情況和需求，確定電站水輪發(fā)電機組改造的原則：3臺機組全滿發(fā)時機組達(dá)到設(shè)計的額定容量；全廠不能長期停電；處理方案盡量簡單易行；并保證機組安全高效、穩(wěn)定、長期、連續(xù)地運行。

3 改造方案分析

根據(jù)水輪發(fā)電機組的出力特性，為提高水輪發(fā)電機組實際出力，可采用提高水輪機工作水頭或增加水輪機過流量，改造方案選擇分析如下：

3.1 提高機組工作水頭

機組的工作水頭有上游水位、下游尾水位和引水系統(tǒng)的水力損失決定?？紤]大壩基礎(chǔ)安全及淹沒問題，不允許抬高上游水位。鑒于本項目一管三機的引水方式，若要減少引水系統(tǒng)的水力損失，需將引水隧洞洞徑加大，施工難度極高。為此，只有清理下游河道，降低尾水位，提高電站機組工作水頭的方案。

經(jīng)現(xiàn)場實際測量，電站引用流量與引水系統(tǒng)水頭損失見圖1。

圖 1現(xiàn)場實測引水流道的水利損失曲線

原設(shè)計的引水系統(tǒng)額度流量（Q=163.5m3/s）時的水力損失為4.4m，由圖1可見3臺機組同時在額度流量情況下的引水流道損失增加較多。

同時考慮增加導(dǎo)葉開度，在原有轉(zhuǎn)輪基礎(chǔ)上加大過機流量，由表1水輪機的出力分析，水輪機工作水頭為116.5m、電站引用流量約180m3/s 時，3臺機組出力均可達(dá)到出力60MW，并稍有裕量。此時上游水位為設(shè)計最高水位150m，下游水位約為25.15m，水輪機空化裕量K值約為1.1。

表1 水頭損失最大的1號機組出力計算

根據(jù)電站尾水位與流量關(guān)系，結(jié)合下游河道的現(xiàn)狀，尾水渠需下挖至少2～3m，方可滿足上述機組運行條件。為此，布置在下游尾水渠中的尾水冷卻器需重新設(shè)計和安裝，以確保其冷卻效果。另外，下游河道的下挖，在1～2臺機組發(fā)電時，下游尾水位較低，水輪機的空化裕度更小，將不能滿足機組長期穩(wěn)定安全運行的要求。

3.2 重新設(shè)計水輪機轉(zhuǎn)輪

根據(jù)電站現(xiàn)狀及運行條件，在不改變現(xiàn)有水工建筑物和轉(zhuǎn)輪直徑的前提下，重新設(shè)計轉(zhuǎn)輪，降低單位轉(zhuǎn)速和加大額度單位流量，選擇比轉(zhuǎn)速高的轉(zhuǎn)輪，并根據(jù)新轉(zhuǎn)輪的情況，改造導(dǎo)水機構(gòu)和接力器，增加水輪機的流量，增加機組出力。

通過相關(guān)計算，新轉(zhuǎn)輪額定水頭選為113.5m，可確保機組出力裕度，其效率、氣蝕等性能參數(shù)均達(dá)到較好的技術(shù)水平。但本方案需要更換原有轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機構(gòu)和接力器，調(diào)速器也需要改造。該方案實施，每臺機組需要停機2～3個月，所需費用和成本較大，電站收益甚微。

3.3 現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪葉片修型，提高機組過機流量

根據(jù)轉(zhuǎn)輪特性，利用電站現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪，對轉(zhuǎn)輪出水邊進行修型，提高轉(zhuǎn)輪的過流能力，加大電站應(yīng)用流量，達(dá)到機組滿足出力。

通過對原轉(zhuǎn)輪的實際及CFD 計算，對原有轉(zhuǎn)輪葉片的出水邊進行修型的方式選擇了3種方案：方案A：切割靠近下環(huán)部位的葉片，約2.7°，從出水邊中間部位到下環(huán)均勻過渡；方案B：切割靠近下環(huán)部位的葉片，約3.0°，從出水邊中間部位到下環(huán)均勻過渡；方案C：對葉片整體切割2.7°。原轉(zhuǎn)輪軸面與3種切割方式如圖2。

圖2 轉(zhuǎn)輪葉片出水邊切割方案

利用CFD 對各種修型方案后轉(zhuǎn)輪的數(shù)值效率及流量計算結(jié)果，在112m 工作水頭下時，方案A比原轉(zhuǎn)輪最優(yōu)單位流量增加約50l/s，方案B 比原轉(zhuǎn)輪最優(yōu)單位流量增加約80l/s，方案C 比原轉(zhuǎn)輪最優(yōu)單位流量約增加60l/s。

圖3112 m 時3種方案的CFD 數(shù)值效率及流量計算結(jié)果比較

根據(jù)CFD 計算結(jié)果，方案B 基本可以滿足增大水輪機出力的目的，由此對方案B 實施后的水輪機綜合特性曲線進行了CFD 預(yù)估，并按照預(yù)估特性曲線，得出水輪機各工作水頭下的參數(shù)計算如表2。

根據(jù)表2核算，在工作水頭為114.3m，3臺機組出力均超過60MW，空化裕量K值約為1.35，滿足設(shè)計要求。在水庫水位從150.0m 消落至148.85m 的區(qū)間內(nèi)，3臺機組都可以達(dá)到60MW 以上的出力。同時不需對尾水渠及下游河道進行處理，可在機組C 修期間在機坑內(nèi)逐臺機組進行改造，不影響其他機組運行。

表2 水輪機按照預(yù)估特性的計算參數(shù)

4 改造實施

根據(jù)上述方案比較分析，改造采用轉(zhuǎn)輪出水邊進行修型的方案。為確保改造后的轉(zhuǎn)輪性能，針對上述不同的修形方案，業(yè)主單位委托專業(yè)機構(gòu)進行了模型試驗，模型轉(zhuǎn)輪在額定水頭114m 時，對應(yīng)的單位流量0.983m3/s 時，計算的水輪機流量為60.45m3/s，原型效率91.79%，水輪機出力為61.96MW，可滿足電站額定出力要求，并有一定裕量，效率略有下降。

同時在模型試驗時進行了水輪機轉(zhuǎn)輪的初生空化試驗，額定點的空化性能良好，σp/σc不低于1.25的要求。壓力脈動、飛逸轉(zhuǎn)速均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

根據(jù)模型試驗結(jié)果，結(jié)合電站機組C 修，按照選定的修型方案，分別對3臺機組的轉(zhuǎn)輪進行了修型。

電站在3臺水輪機轉(zhuǎn)輪葉片修型后，分別做了相對效率試驗，與未修形前的測試數(shù)據(jù)對比，在相同導(dǎo)葉開度下，過流能力平均提高約8%，3臺機出力均超過60MW。水輪機在工作水頭114m 時，各水輪機出力均超過61.86MW（最大出力為62.8MW），水輪機效率與模型試驗相符，滿足設(shè)計需求。

5 結(jié)論及建議

本次改造取得圓滿成功，為水輪機由于工作水頭原因造成不能達(dá)到設(shè)計容量而進行轉(zhuǎn)輪修型改造積累了成功的經(jīng)驗，但過程曲折繁瑣，風(fēng)險較大，建議在水輪機選型過程中充分考慮電站水文情況、流道損失及水量情況，選擇合適的轉(zhuǎn)輪模型，盡量避免類似的技術(shù)問題和經(jīng)濟損失。