張開(kāi)學(xué) 張龍龍 鄧東紅 周松萍 劉軍

摘?要：受地形、機(jī)組空間布置、投資和增容手續(xù)審批等因素制約，擴(kuò)建生態(tài)小機(jī)組難以實(shí)施。目前，國(guó)內(nèi)低水頭水電站受技術(shù)條件限制，轉(zhuǎn)輪直徑1.8 m以下的水輪機(jī)組均采用定槳機(jī)組，難以實(shí)現(xiàn)小流量發(fā)電。河南河口二級(jí)水電站采用華自科技股份有限公司研制的HZ-YTJS新型調(diào)槳系統(tǒng)，將直徑1.0 m定槳機(jī)組改為轉(zhuǎn)槳機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原機(jī)組改造后小流量發(fā)電，解決了生態(tài)基流發(fā)電問(wèn)題，經(jīng)濟(jì)效益明顯，屬?lài)?guó)內(nèi)首創(chuàng)。

關(guān)鍵詞：生態(tài)基流;小流量;水輪機(jī);軸流;定槳;轉(zhuǎn)槳

中圖分類(lèi)號(hào)：TV734.4?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.023

Abstract： Restricted by terrain， unit space layout， investment and approval of capacity expansion formalities， it is difficult to implement expansion of small ecological units. At present， domestic low-water-head hydropower stations are restricted by technical conditions and the fixed paddle units are adopted for all turbine units with a runner diameter less than 1.8 m. It is difficult to achieve small-flow power generation. HZ-YTJS novel paddle adjusting system of HNAC Technology Co.， Ltd. was adopted for Hekou Second-Stage Hydropower Station in Henan. The fixed paddle unit with a diameter of 1.0m was changed as the rotary paddle unit in this system， which realized reconstruction of small-flow power generation on the original unit and solved the issue of power generation with ecological basic flow. It had obvious effects and was domestic initiative.

Key words： ecological basic flow; small flow; hydraulic turbine; axial flow; fixed paddle; rotary paddle

2016年水利部印發(fā)《農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造河流生態(tài)修復(fù)指導(dǎo)意見(jiàn)》中強(qiáng)調(diào)，河流生態(tài)修復(fù)應(yīng)遵循“尊重自然，保護(hù)優(yōu)先”和“以自然修復(fù)為主，人工修復(fù)為輔”的原則。農(nóng)村水電站應(yīng)設(shè)置“生態(tài)小機(jī)組”并長(zhǎng)期運(yùn)行，承擔(dān)生態(tài)流量泄放任務(wù)和基荷發(fā)電任務(wù)，通過(guò)發(fā)電下泄確保生態(tài)流量，生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)保證生態(tài)基流下泄的最低要求。生態(tài)基流相對(duì)水電站設(shè)計(jì)流量較小，在原機(jī)組上利用生態(tài)基流發(fā)電效率較低，而受地形、機(jī)組空間布置、投資和增容手續(xù)審批等因素制約，擴(kuò)建生態(tài)小機(jī)組難以實(shí)施。怎樣既保護(hù)河道生態(tài)又兼顧企業(yè)發(fā)電效益，是當(dāng)前的一項(xiàng)新課題。目前，國(guó)內(nèi)低水頭水電站受技術(shù)條件限制，轉(zhuǎn)輪直徑1.8 m以下的水輪機(jī)組均采用定槳機(jī)組，難以實(shí)現(xiàn)小流量發(fā)電[1-5]。HZ-YTJS新型調(diào)槳系統(tǒng)在河南河口二級(jí)水電站的成功應(yīng)用為解決這一問(wèn)題提供了成功案例。

1?河口二級(jí)水電站改造的背景

河口二級(jí)水電站位于河南省濟(jì)源市克井鎮(zhèn)河口村，引沁河口水電站以下2.3 km處，屬于梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，發(fā)電水源主要為引沁河口水電站尾水。河口二級(jí)水電站原裝機(jī)為3×400 kW軸流定槳式水輪機(jī)，水輪機(jī)型號(hào)為ZD560B-LH-100，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF400-14/1730軸流低壓機(jī)組，電站設(shè)計(jì)水頭11 m，最大水頭12.4 m，最小水頭10.8 m，設(shè)計(jì)流量13.65 m3/s（3×4.55 m3/s），配有常規(guī)調(diào)速器，設(shè)備投產(chǎn)于2009年。

河口二級(jí)水電站以沁河為水源。沁河是黃河三門(mén)峽至花園口區(qū)間兩大支流之一，發(fā)源于山西省長(zhǎng)治市沁源縣霍山南麓的二郎神溝，自北向南流經(jīng)山西省的沁源、安澤、沁水、陽(yáng)城、高平、晉城和河南省的濟(jì)源、沁陽(yáng)、武陟等縣（市），于武陟縣方陵村匯入黃河。如何科學(xué)利用生態(tài)基流、保護(hù)河流生態(tài)，成為流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的新課題。

近幾年，隨著沁河上游的深度開(kāi)發(fā)，沁河下游河南省境內(nèi)出現(xiàn)小流量的概率明顯增大。要保證生態(tài)基流必須小流量發(fā)電，為此引沁河口一級(jí)電站增加一臺(tái)生態(tài)小機(jī)組發(fā)電，設(shè)計(jì)流量2 m3/s，發(fā)電流量在0.8～2.0 m3/s范圍之內(nèi)，而下游河口二級(jí)電站對(duì)該區(qū)間流量無(wú)法利用，因此計(jì)劃新增1臺(tái)200 kW小機(jī)組，但受地形、機(jī)電空間布置、投資、增容審批手續(xù)等影響未實(shí)施。當(dāng)上游電站小機(jī)組發(fā)電時(shí)，二級(jí)電站無(wú)法運(yùn)行，造成綠色能源浪費(fèi)。因此，決定對(duì)原機(jī)組進(jìn)行改造，即將原定槳機(jī)組改造為轉(zhuǎn)槳機(jī)組。

轉(zhuǎn)槳機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，目前主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)輪直徑1.8 m以上的水輪機(jī)，轉(zhuǎn)槳技術(shù)在小直徑水輪機(jī)上很少使用。經(jīng)與華自科技股份有限公司科技人員共同攻關(guān)，將原ZD560B轉(zhuǎn)輪改槳成ZZD471轉(zhuǎn)輪，效益提升明顯，效果良好，既實(shí)現(xiàn)了生態(tài)基流發(fā)電又提高了整機(jī)運(yùn)行效率，發(fā)電效率提高30%，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)小轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)槳技術(shù)的空白。

2?HZ-YTJS新型調(diào)槳系統(tǒng)技術(shù)改造

2.1?HZ-YTJS新型調(diào)槳系統(tǒng)簡(jiǎn)介

新型調(diào)槳系統(tǒng)主要由集電環(huán)、槳葉受油及控制系統(tǒng)、槳葉開(kāi)度傳感器系統(tǒng)和高效轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪以及電氣控制柜組成，見(jiàn)圖1。

轉(zhuǎn)槳控制系統(tǒng)通過(guò)建立優(yōu)化調(diào)節(jié)的模糊控制數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)、自動(dòng)適應(yīng)導(dǎo)葉開(kāi)度及水位和手動(dòng)自動(dòng)一體無(wú)擾動(dòng)切換。槳葉受油及控制系統(tǒng)環(huán)抱于主軸安裝，實(shí)現(xiàn)了集油源、壓力提升、換向控制于一體，安裝簡(jiǎn)單、控制可靠。開(kāi)度傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)旋轉(zhuǎn)體非接觸式測(cè)量，同時(shí)達(dá)到安裝簡(jiǎn)便和測(cè)量準(zhǔn)確的效果。轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)輪參數(shù)優(yōu)化、主軸加工改造和泄水錐改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)性能的提升。

2.2?技術(shù)改造方案

2.2.1?轉(zhuǎn)輪改造

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪技術(shù)更新，采用D471-100轉(zhuǎn)輪葉片。通常慣例，ZD560的升級(jí)型號(hào)為JP502，而JP502的升級(jí)替代型號(hào)為D471-100，其效率提高5%，空蝕性能、水推力和穩(wěn)定性都有優(yōu)化。新的轉(zhuǎn)輪直徑與原轉(zhuǎn)輪相同，不需要對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行改造，對(duì)原轉(zhuǎn)輪進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)堆焊修復(fù)、打磨、清潔。

2.2.2?定槳改轉(zhuǎn)槳

原水輪機(jī)結(jié)構(gòu)為軸流定槳結(jié)構(gòu)，通過(guò)改進(jìn)成液壓轉(zhuǎn)槳的方式，在水輪機(jī)軸和發(fā)電機(jī)軸連接位置增加HZ-YTJS新型調(diào)槳裝置，轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)在輪轂內(nèi)部設(shè)置接力器，通過(guò)水輪機(jī)軸的中心通孔將可控壓力油引入接力器，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的自動(dòng)轉(zhuǎn)槳功能。新的轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪可以在發(fā)電功率為100～530 kW范圍內(nèi)高效穩(wěn)定運(yùn)行，在發(fā)電功率為100～150 kW運(yùn)行時(shí)效率不低于70%，在發(fā)電功率為150～200 kW運(yùn)行時(shí)效率不低于80%，在發(fā)電功率為200～300 kW運(yùn)行時(shí)效率不低于85%，在發(fā)電功率為300～530 kW運(yùn)行時(shí)效率不低于90%，比原定槳轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定運(yùn)行范圍（發(fā)電功率為300～410 kW）寬闊得多，不僅能合理利用上游增加的水量，而且在平水期能提高水能利用率。由于原機(jī)組設(shè)計(jì)余量較大，因此轉(zhuǎn)槳的改造不需要改變土建，只需要更換水輪機(jī)軸、轉(zhuǎn)輪和增設(shè)槳葉控制系統(tǒng)，以及更換水導(dǎo)軸承及主軸密封。

2.2.3?發(fā)電機(jī)增容

由于原發(fā)電機(jī)機(jī)座較大，發(fā)電機(jī)軸承承載能力足夠，因此在原400 kW的機(jī)組上加長(zhǎng)并更換定子線圈即可滿(mǎn)足500 kW的發(fā)電功率，并可短期達(dá)到550 kW。對(duì)發(fā)電機(jī)絕緣材料進(jìn)行更換，并對(duì)其他部位進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)增加測(cè)溫和油位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，提高自動(dòng)化運(yùn)行水平。改造后的發(fā)電機(jī)外形沒(méi)有改變，不需要土建施工配合。

2.3?HZ-YTJS新型調(diào)槳系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)主要具備以下特點(diǎn)：①16 MPa高油壓，具有調(diào)節(jié)力大、調(diào)節(jié)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn);②油源內(nèi)置、用油量少，相比傳統(tǒng)槳葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上沒(méi)有旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)密封點(diǎn)，可以做到零泄漏、無(wú)污染;③安全可靠，油泵通過(guò)特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，取消了油壓電動(dòng)機(jī)，降低了漏電風(fēng)險(xiǎn);④效率范圍大，適應(yīng)負(fù)荷變化能力強(qiáng)，發(fā)電水頭范圍擴(kuò)大到設(shè)計(jì)凈水頭的0.5～1.2倍，出力范圍擴(kuò)大到額定出力的25%～100%，處于生態(tài)流量時(shí)仍然可以發(fā)電;⑤投入成本少，相比常規(guī)擴(kuò)容方式成本大大降低;⑥改造時(shí)間短，120 d內(nèi)完成設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、安裝調(diào)試，其中停機(jī)影響發(fā)電時(shí)間不超過(guò)20 d;⑦維護(hù)成本低，產(chǎn)品故障點(diǎn)少、安全可靠，常規(guī)維護(hù)僅需對(duì)剎車(chē)片、壓力油等易耗易損件進(jìn)行檢查維護(hù)。

2.4?改造方案對(duì)比

方案一為原有2臺(tái)水輪機(jī)定槳改轉(zhuǎn)槳，方案二為新增1臺(tái)200 kW機(jī)組，按技術(shù)改造要求，改造方案對(duì)比見(jiàn)表1。

按技術(shù)改造要求，改造成本對(duì)比見(jiàn)表2。

方案比較表明，方案一具有如下優(yōu)點(diǎn)：①改造成本低;②兩臺(tái)水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪更新后，效率相應(yīng)提升，并可實(shí)現(xiàn)超發(fā)，綜合效率提升30%左右，電站能夠取得更大收益;③無(wú)土建工程，可簡(jiǎn)化行政審批手續(xù)，項(xiàng)目改造周期短。

3?改造效果

3.1?改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖2。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比得到：改造前，當(dāng)上游一級(jí)電站小機(jī)組發(fā)電功率為1 600 kW（滿(mǎn)負(fù)荷）、發(fā)電引水流量為2.0 m3/s時(shí)，下游二級(jí)電站發(fā)電功率為130 kW，改造后下游二級(jí)電站發(fā)電功率為200 kW，較改造前增加發(fā)電功率70 kW;改造前，當(dāng)上游一級(jí)電站發(fā)電功率為1 200 kW、發(fā)電引水流量為1.5 m3/s時(shí)，下游二級(jí)電站發(fā)電功率為70 kW，改造后下游二級(jí)電站發(fā)電功率為150 kW，較改造前增加發(fā)電功率80 kW;改造前，當(dāng)上游一級(jí)電站發(fā)電功率為1 000 kW、發(fā)電引水流量為1.2 m3/s時(shí)，下游二級(jí)電站停止發(fā)電，改造后下游二級(jí)電站發(fā)電功率為90 kW。

3.2?改造前后效果對(duì)比

（1）實(shí)現(xiàn)生態(tài)基流發(fā)電。通過(guò)試驗(yàn)，改造后電站最小發(fā)電流量為0.8 m3/s，上游發(fā)電功率為600 kW時(shí)對(duì)應(yīng)下游發(fā)電功率為50 kW。

（2）轉(zhuǎn)輪效率提升。轉(zhuǎn)輪效率提升，空載開(kāi)度減小，空載頻率更加穩(wěn)定，并網(wǎng)速度更快。原有轉(zhuǎn)輪葉片角度設(shè)定為10°，機(jī)組在額定負(fù)載時(shí)機(jī)組效率較高。當(dāng)偏離額定負(fù)載時(shí)，流量與葉片角度不匹配，機(jī)組效率下降，水輪機(jī)無(wú)效耗水量大。新轉(zhuǎn)輪采用液壓調(diào)槳轉(zhuǎn)輪，葉片可調(diào)角度范圍為-12°～12°，能根據(jù)當(dāng)前的流量選擇相匹配的角度運(yùn)行，維持機(jī)組在高效區(qū)運(yùn)行。機(jī)組在空載和低負(fù)荷狀態(tài)下同樣能維持高效率運(yùn)行，耗水量減少，發(fā)電效益明顯得到提升。

（3）發(fā)電機(jī)效率提升。原容量400 kW的發(fā)電機(jī)最高發(fā)電功率只能達(dá)到420 kW，經(jīng)改造后可達(dá)到550 kW，在豐水季節(jié)的效益得到進(jìn)一步發(fā)揮。原轉(zhuǎn)輪按發(fā)電機(jī)400 kW容量設(shè)計(jì)，葉片角度固定在10°左右，可過(guò)流量受限，而新轉(zhuǎn)輪的葉片角度最大可調(diào)整到12°，過(guò)流量隨之加大，發(fā)電機(jī)可提高發(fā)電效率30%左右。

3.3?改造前后效益對(duì)比

河南河口二級(jí)電站改造前多年平均發(fā)電量500萬(wàn)kW·h，改造后年平均發(fā)電量提高30%，年發(fā)電量達(dá)650萬(wàn)kW·h，新增發(fā)電效益48萬(wàn)元，兩年以?xún)?nèi)可收回成本，無(wú)土建投資，施工期短，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

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【責(zé)任編輯?張華巖】