任濟民，王志軍，劉建波，武金輝

（海委引灤工程管理局大黑汀水庫管理處，河北 唐山064300）

1 概述

大黑汀水利樞紐位于河北省遷西縣城北5km的灤河干流上，是引灤工程的重要組成部分，其主要作用是承接上游潘家口水庫的調節(jié)水量，攔截潘大區(qū)間支流來水，抬高水位，為實現跨流域向天津、唐山供水創(chuàng)造條件，同時結合供水發(fā)電。大黑汀樞紐工程的綜合效益包括供水、防洪和發(fā)電，是灤河干流上綜合利用的大型水利樞紐工程。大黑汀水利樞紐工程主要包括1座長度為1354.5m 混凝土攔河大壩、1座長度為110m 的混凝土副壩、2座總裝機容量為2.16MW 壩后式水力發(fā)電站，水庫總庫容3.37億m3，設計水位133.00m（黃海標高，下同）。

2座壩后式水力發(fā)電站分別是結合向天津、唐山供水發(fā)電的渠首電站和結合向灤河下游供水發(fā)電的河床電站，其中渠首電站裝有4臺ZZ560-LH-250軸流轉槳式水輪發(fā)電機組，單機容量為3200kW，總裝機容量為12800kW，年設計利用小時數為2530h，年設計發(fā)電量3240萬kW·h。

增效擴容改造前渠首電站安裝的4臺水輪發(fā)電機組由天津水力發(fā)電設備廠制造，其主要技術數據如下：

水輪機主要技術數據：型號：ZZ560-LH-250；額定功率：3370kW；設計水頭：11m；最高水頭：14m；最低水頭：6m；設計流量：37m3/s；額定轉速：187.5r/min；飛逸轉速：437r/min。

發(fā)電機主要技術數據：型號：TS425/32-32；額定功率：3200kW；額定電壓：6300V；額定電流：366.6A；額定頻率：50Hz；功率因數：0.8；額定勵磁電壓：100V；額定勵磁電流：447A；額定轉速：187.5r/min。

2 增效擴容改造實施前機組存在的主要缺陷

（1）軸流轉槳式轉輪漏油問題嚴重。轉輪“λ”型橡膠密封結構不合理，機組運行過程中經常出現轉輪漏油現象，造成尾水水面油污染。

（2）受油器銅瓦和操作油管小軸配合間隙由于長時間磨損而增大超標，出現滲漏現象，造成壓油泵裝置啟動頻繁，機組運行穩(wěn)定性較差。

（3）活動導葉漏水量偏大?；顒訉~由于磨損間隙變大，不能達到全封閉，造成密封面搭接不嚴，導葉漏水嚴重，蝸殼不能正常平壓。

（4）水輪機效率比較低。渠首電站4臺水輪機原設計額定點效率為84.4%。電站現運行的水輪發(fā)電機組，在設計水位時，機組出力與剛投產的85年相比，在相同水位和導葉開度條件下，機組出力只能達到原出力的76%左右說明效率下降明顯。

（5）發(fā)電機由于運行年份已久，定子、轉子線圈的絕緣老化嚴重，絕緣性能下降，影響發(fā)電運行的安全可靠性。

3 增效擴容改造主要方法和可行性分析

3.1 主要方法

鑒于機組運行過程中存在的問題，為提高機組效率和運行穩(wěn)定性、安全性，技術改造勢在必行。電站機組機型確實已較陳舊，經過數10年運行，水輪機通流部件磨損及空蝕十分嚴重，運行效率降低以及出力下降，嚴重影響了電站的經濟效益。

本次改造將2號、4號水輪機改為軸流定槳式水輪機，在水頭變化不大、不需要調節(jié)流量時運行，同時對2號、4號發(fā)電機定、轉子線圈進行改造，機組出力由3200kW 增加至3500kW，增加機組容量，提高絕緣等級和水輪發(fā)電機的效率。

3.2 可行性分析

大黑汀渠首電站上游水庫設計正常高水位為133m，供水總干渠設計最大供水流量為160m3/s，此時相應的下游尾水水位高為121m。對近10年來大黑汀渠首電站日過機流量統(tǒng)計分析結果表明，在正常供水期，電站上游水位一般在127～133m 范圍，大部分時間供水流量為65～95m3/s，僅達設計最大引水流量的40%～60%對應下游尾水位低于121m，電站運行的毛水頭范圍在7～13m。

在10年內的供水期間中，最大的日過機流量約為100m3/s，按年度計算日平均過機流量在40～60m3/s 之間。按水輪機單機設計過流量37m3/s計算，電站總的過流量為148m3/s。因此，在正常供水期間一般只需開啟2臺機組，4臺機組同時運行的情況很少，也就是說，大黑汀渠首電站總裝機組的過流能力，遠大于實際供水的流量。每天至少有1～2臺機組處于停機備用狀態(tài)，電站本身儲備過流調節(jié)能力有較大的余量。

因此，改造后可以通過不同機組調配以調節(jié)變化的供水量。為了克服軸流轉槳式水輪機運行范圍小的不足，在水輪發(fā)電機組供水發(fā)電運行時，保持2臺改為軸流定槳式的機組盡量在水輪機高效區(qū)范圍內工況運行，依靠電站未作改造的2臺軸流轉槳式水輪機組來進行流量的適當調節(jié)，以滿足下游用水量不同的需求，進一步優(yōu)化電站機組運行模式。

選用新型的軸流定槳轉輪，提高轉輪出力和效率，為發(fā)電機增容提供原動力。發(fā)電機通過更換定轉子線圈，達到增容目的。

4 增效擴容改造的主要技術措施

（1）通過對大黑汀水電站水量水能的統(tǒng)計分析計算并進行真機試驗進行核定，對渠首電站2臺機組實施轉槳改定槳。改造后的機組（增效擴容后）主要技術數據確定如下：

水輪機主要技術數據：型號：ZDJP502-LH-250；額定出力：3650kW；設計水頭：12.5m；最高水頭：14.5m；額定流量：33.7m3/s；額定轉速：187.5r/min；飛逸轉速：400r/min。

發(fā)電機主要技術數據：型號：SF3500-32/4250；額定功率：3500kW；額定電壓：6300V；額定電流：400.9A；額定頻率：50Hz；功率因數：0.8；額定勵磁電壓：120V；額定勵磁電流：500A；額定轉速：～187.5r/min。

（2）水輪機轉輪改造

近年來，本電站水輪機運行水頭一般在11m 以上，2號、4號水輪機改為軸流定槳式水輪機，其額定水頭可以適當提高，以利于水輪機的安全穩(wěn)定運行，且水輪機發(fā)出額定出力時所用額定流量可以減少，在相同的放水量時獲得更多的電能。當上游水位為132.5m，2臺機運行，供水流量為60～80m3/s 時，下游水位約為119m，對應的毛水頭約為13.5m，估算流道損失1.0m，所以，本次改造，水輪機額定水頭可以由11m 提高到12.5m。

1）轉輪出力：在代表性水頭下，水輪機在額定轉速187.5r/min 運行，空蝕損壞在允許范圍內，其功率為表1所示。

表1 改造后機組功率

2）轉輪效率：2號、4號機組在額定水頭12.5m，發(fā)額定出力3650kW，保證原型水輪機的效率不低于91.03%，相應工況的模型水輪機效率保證值不低于91.03%。

（3）發(fā)電機改造

通過更換定子鐵心和線圈，增加轉子線圈截面積，磁極極身絕緣由復合材料（F 級）和3240塞片構成。磁極線圈采用3.6×45軟扁銅線扁繞而成，每個線圈34匝。

同時為了滿足水輪機由軸流轉槳改為定槳，將對推力軸承瓦、項罩、集電環(huán)等進行相應的改造。對發(fā)電機定、轉子線圈作了及時的更新換代（絕緣等級由B 級改為F 級），又達到了增效擴容的效果。同時，改造后的發(fā)電機電磁參數更趨合理，結構更加安全可靠，保證機組的長期安全穩(wěn)定運行。

（4）推力軸承瓦由鎢金瓦改為彈性金屬塑料瓦。瓦的幾何形狀與原瓦保持一致。

（5）水輪機由轉槳改為定槳式結構，拆除原有的受油器和永磁機，為機組重新設計安裝集電環(huán)、頂罩和輔機軸。集電環(huán)布置在轉子上部的頂罩內。同時，更新24個活動導葉，解決導葉漏水問題。

（6）空氣冷卻器更換新型空氣冷卻器。新型空氣冷卻器的散熱管采用紫銅管，為穿片式結構。

（7）調速器改造。水輪機改為定槳式，其調速器更新為長控所生產的WDT-100-2.5型可編程微機單調調速器。

5 增效擴容改造效果及經濟效益分析

5.1 增效擴容改造效果

（1）對渠首電站改造為軸流定槳轉輪后，轉輪出力和效率都有了相應提高，通過對機組的空轉、空載、負載的運行以及甩負荷試驗的數據分析結果看，機組的機械性能、電氣性能良好，達到了改造目的。

（2）在上游水位為131.79m，下游水位為119.30m，發(fā)電機性能見表2所列項目。

表2 機組增效擴容改造后的運行性能

自2015年機組增效擴容改造后運行至今，發(fā)電機運行特性優(yōu)良，參數合格，機組各部分運行正常，增效擴容改造及檢修質量滿足要求，調節(jié)性能基本合格。

5.2 經濟效益分析

大黑汀水電站2號、4號機組增效擴容改造工程完成后，單機容量從3200kW 增至3500kW，單機增加了300kW，2臺機組容量增加了600kW，按多年平均利用小時數2800h 計算，1年可增發(fā)電量168萬kW·h。按上網電價0.42元/kW·h 計算，年增發(fā)電效益70.56萬元，說明電站增容改造工程具有較好的經濟效益。

轉槳改定槳改造工程后，機組各個部位振動、擺度合格，油溫瓦溫合格，調速平滑可靠，監(jiān)控正常，徹底消除了原軸流轉漿轉輪漏油造成的供水水質污染現象，提高了機組設備的可靠性和生產運行的安全性，運行成本降低，大修周期延長，降低了發(fā)電運行成本，進一步提高了水能利用率和水電站機組綜合功效。

6 結語

（1）對于具有反調節(jié)功能的水庫，壩前水位變化不大，總裝機組的過流能力大于實際供水流量并且余量較大的水電站，改變機組運行模式是一種成功的辦法，將原來單一的軸流轉槳式機組改為軸流轉漿和軸流定槳式機組組合方式，進一步優(yōu)化電站運行模式，適應不同上游水位及供水流量的要求。

（2）對城市生活供水水質要求越來越高，而軸流轉槳式水輪機常因轉槳密封機構的磨損或其他故障而漏油，易造成對供水水質的污染，對水輪機進行軸流轉漿改定槳改造是解決漏油問題、清除漏油對水質污染的根本方法。

（3）機組增效擴容改造應當首先根據水庫水量調度運行的實際，對原配置的水輪機的運行進行統(tǒng)計分析和設計計算，并在此基礎上進行真機試驗，根據其結果做進一步的優(yōu)化設計后實施改造。通過選取新型轉輪或者重新設計轉輪，使水輪機在較高效率區(qū)運行，從而提高水輪機的出力。然后分析和設計計算，選取相匹配功率的水輪發(fā)電機。

（4）為提高水電站的安全運行水平，挖掘水能利用潛力，提高經濟效益，用現代化先進技術對原有的老舊設備進行增效擴容改造是水力發(fā)電企業(yè)優(yōu)先采用的模式，對老水電站進行增效擴容改造，可獲得投入少，增效多的良好效果。