黃振宇

（中國大唐集團科學技術(shù)研究總院有限公司水電科學研究院，廣西 南寧 530000）

0 引言

近年來，隨著我國水利設(shè)施建設(shè)的逐步開發(fā)完成，前期完成建設(shè)的水電站水頭常受新建電站的影響，日常運行水頭與設(shè)計水頭有偏差，不但對機組穩(wěn)定性造成不利影響，同時也會降低經(jīng)濟效益。某電廠位于紅水河流域，為該流域第七級梯級電站，總裝機容量為192 MW，由6 臺單機容量建成投產(chǎn)至今已運行余年。隨著上、下游新電廠的建設(shè)投運，該電廠運行條件與設(shè)計條件有了較大差距：尾水位上漲1.4 m，最低尾水位上漲約4.2 m，最大水頭降低了2 m，枯水期流量增加、下游水位抬高、發(fā)電水頭降低等，電站低水頭運行工況明顯增多，此時機組振動及噪聲大，導致導葉開度只能達到，達不到預想出力， 5 m 及以下水頭運行時機組穩(wěn)定性差，此外，機組長期在較差工況下運行還發(fā)生過水輪機轉(zhuǎn)輪與主軸連接螺栓斷裂、發(fā)電機定子鐵心端片位移、切割槽底線棒絕緣等問題。由于運行工況的改變造成的安全隱患和經(jīng)濟損失日漸加劇，水輪機的改造迫在眉睫。經(jīng)與國內(nèi)外專家、設(shè)計單位論證[1]及參考國內(nèi)類似電廠的經(jīng)驗后[2-4]，決定采用更換額定單位流量大、效率更高的轉(zhuǎn)輪的方案進行改造。

1 技術(shù)改造方案

相較原設(shè)計運行水頭范圍，現(xiàn)電廠實際運行水頭為3 m～16 m，根據(jù)多年運行資料，電廠平均毛水頭為10.41 m，根據(jù)公式Δh=5.7×10-6×Q2計算，電廠凈水頭約為9.6 m，改造后轉(zhuǎn)輪額定水頭依據(jù)H設(shè)計=0.9H權(quán)，本電廠宜采用8.6 m 額定水頭的轉(zhuǎn)輪。因此，本次改造的3 個方案中均進一步的降低了原轉(zhuǎn)輪額定水頭：方案1 考慮改造轉(zhuǎn)輪及導水機構(gòu)。額定水頭降低的前提下為了更好的利用水能，勢必帶來轉(zhuǎn)輪直徑的增大，流道外形曲線不改造則難以與轉(zhuǎn)輪室圓滑過渡，同時需要開挖部分混凝土更換座環(huán)外錐體，該方案轉(zhuǎn)輪直徑由6.4 m 變?yōu)?.7 m，同時對輪轂進行適當減小，轉(zhuǎn)輪直徑增加約4.7%，過流面積增加約10.5%，額定水頭降至8.8 m，但改造費用最大，改造周期最長。方案2 考慮轉(zhuǎn)輪直徑增大至6.6 m，額定水頭9 m，導水機構(gòu)不變。該方案需更換轉(zhuǎn)輪體、轉(zhuǎn)輪葉片、泄水錐、伸縮節(jié)等部件，打磨圓滑過渡導水機構(gòu)外導環(huán)，最終轉(zhuǎn)輪直徑增加約3.1%，過流面積增加約7.2%，但由于改變了流道，需重新進行模型試驗驗證轉(zhuǎn)輪性能是否滿足要求。方案3 則維持轉(zhuǎn)輪直徑不變，轉(zhuǎn)輪更換為額定單位流量大、效率較高的轉(zhuǎn)輪。該方案投資最小，流道尺寸未改變，盡管更換轉(zhuǎn)輪后額定水頭為9.4 m 相距8.6 m 較大，但水頭降至8.6 m 后仍能保持28 MW 的出力，加之實際運行資料統(tǒng)計顯示全廠最大出力未超過140 MW。綜合考慮施工難度、經(jīng)濟效益、改造時間等因素后，最終采用方案3 進行改造。新舊轉(zhuǎn)輪參數(shù)如表1 所示。

表1 舊水輪機與新水輪機參數(shù)對比表

2 改造后運行情況

改造后輪轂比由0.428 縮小至0.38，得益于過流面積的增大，轉(zhuǎn)輪過流能力提高約10%～12%，導葉開度相同的情況下出力增加約10%～12%；在額定水頭9.5 m 時，新機組出力能達額定出力33 MW；新轉(zhuǎn)輪在3 m～5 m 水頭段振動值較小，可穩(wěn)定運行，在5 m 水頭時保證出力11.55 MW，在3 m 水頭時可出力5 MW，而此時舊轉(zhuǎn)輪已因振動過大而無法運行。改造完成后運行數(shù)據(jù)見表2。

表2 新舊轉(zhuǎn)輪出力對比情況對比表

由表2 可知，水頭在9 m 之下時新舊轉(zhuǎn)輪出力差距明顯，改造前機組在5 m 以下無法正常運行，而根據(jù)新轉(zhuǎn)輪在毛水頭3.7 m 的穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)，新機組此時可穩(wěn)定出力5 MW，最大出力可達5.7 MW。在6 m～10 m 運行區(qū)間時，原機組限制在85%導葉開度下運行，出力較新機組出力受阻。在額定水頭之上兩者出力情況相近。新機組多個水頭的振動區(qū)劃分見表3。3.7 m、8 m 水頭穩(wěn)定性數(shù)據(jù)見表4。

表3 新轉(zhuǎn)輪振動區(qū)劃分表

表4 新轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定性數(shù)據(jù)

從機組出力及穩(wěn)定性情況上看，新轉(zhuǎn)輪在低水頭時也能有一定的區(qū)域穩(wěn)定運行，改造效果明顯。

3 經(jīng)濟效益分析

新轉(zhuǎn)輪目前已在不同水頭和出力情況下穩(wěn)定運行，在低于額定水頭時相同開度較原機組出力增加10%以上，年發(fā)電量提高的同時減少了安全隱患，維護成本降低，經(jīng)濟效益進一步提高。表5 統(tǒng)計了改造后8 個月的運行數(shù)據(jù)（利用系數(shù)：93%[5]）。

表5 改造后機組運行數(shù)據(jù)表

在改造前的可研報告中，全廠機組技術(shù)改造后年發(fā)電量增量約為4 000 萬kW·h，有效電量系數(shù)取94.0%，改造后全年可增加有效電量3 760 萬kW·h，按廠用電率0.45%計算，年上網(wǎng)電量可增加3 743.08 萬kW·h，平均每臺機年增加發(fā)電量623.85 萬kW·h，項目投資可在9 年內(nèi)回收成本，而根據(jù)改造后8 個月數(shù)據(jù)統(tǒng)計，此時已增加發(fā)電量1 753.2 萬kW·h，相比可研報告有大幅提升，本次改造可取得非?？捎^的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

隨著社會的發(fā)展及“雙碳”目標的提出，水能作為清潔能源未來在能源行業(yè)的比重將進一步提升，而早期投運的電廠不可避免要面臨技術(shù)改造問題。本次改造后的機組在實際運行一段時間后，不但解決了原機組無法在低水頭運行的問題，提升了整體機組的穩(wěn)定性，同時還在經(jīng)濟效益上取得了明顯的提升，是一次成功的改造，可為相關(guān)同類型電廠技術(shù)改造提供一定的參考。