劉電波，陳炳森，周 濤，何玲艷，季 銳，劉奇波

（1.南寧精能發(fā)電設(shè)備有限公司，廣西 南寧 530033；2.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530023）

0 引言

塘仙水電站位于廣西河池市南丹縣西南境內(nèi)羅富鎮(zhèn)六內(nèi)村塘仙屯附近的清水河上，距離南丹縣城45 km，屬壩后式水電站，總裝機容量為2 × 4000 kW。

塘仙水電站集雨面積為701 km2，多年平均降雨量為1322.8 mm，年徑流量為3.6 億立方米。水庫設(shè)計蓄水位高程408.0 m，電站下游正常尾水位高程350.0 m，總庫容5070 萬立方米。電站大壩采用堆石壩結(jié)構(gòu)，額定水頭48 m，最大水頭57 m，最低水頭31 m。電站1997 年10 月開工建設(shè)，2000 年12 月投產(chǎn)，水輪機型號為HLA551-LJ-110，轉(zhuǎn)輪直徑為110 cm，材料為ZG20SiMn，引用流量為10.145 m3/s；發(fā)電機型號為SF4000-12/2600，磁極個數(shù)為12，額定轉(zhuǎn)速為500 r/min。

電站大壩建成后一直存在歷史遺留問題，為確保水利樞紐運行安全，經(jīng)相關(guān)論證，水庫溢流堰頂高程變更為395.0 m，電站的最大水頭變更為43.0 m，最低水頭變更為33.0 m，加權(quán)平均水頭為39.0 m。由于運行水頭的變更，電站自投產(chǎn)以來，無法達到原設(shè)計出力目標。由于實際運行水頭遠低于原設(shè)計主要運行水頭范圍，造成水輪機工作效率低，振動和噪音大，轉(zhuǎn)輪空化汽蝕嚴重，為保證水輪發(fā)電機組能正常生產(chǎn)，需要每半年進行一次機組軸線調(diào)整，每兩年進行一次機組大修，不僅工作量大，維修成本高，同時經(jīng)過多次大修，轉(zhuǎn)輪葉片型線及形狀也發(fā)生了明顯偏離，機組出力逐年下降明顯。

此外，經(jīng)過二十多年的運行，水輪機轉(zhuǎn)輪已接近設(shè)計壽命，為便于水電站下一步開展智能化改造，須盡快對機組進行改造，有效解決上述影響電站安全運行的問題。

1 水輪機改造總體方案

由于電站水輪機引水系統(tǒng)、水輪機安裝高程、發(fā)電機機墩結(jié)構(gòu)以及水輪機蝸殼、座環(huán)、尾水管等預埋件難以改動，考慮改造的成本及效益，本次改造應(yīng)從實際出發(fā)，根據(jù)變更后的水頭，優(yōu)選能量指標先進，汽蝕特性優(yōu)良，運行穩(wěn)定性好，與原設(shè)計直徑相同，轉(zhuǎn)輪葉片及上冠、下環(huán)均采用抗汽蝕性能優(yōu)異的不銹鋼ZG06Cr13Ni4Mo 材料的轉(zhuǎn)輪。此外，要適當考慮后續(xù)水電站恢復至原設(shè)計水頭時，新轉(zhuǎn)輪也能具有較好的適用性。

本次改造，為保障電站正常生產(chǎn)，兩臺機組分批進行，具體改造工作包括：

（1）按機組大修工藝，完成機組拆卸，現(xiàn)場實測水輪機頂蓋和底環(huán)尺寸。

（2）根據(jù)水電站工作水頭及原有水輪機引水過流部件結(jié)構(gòu)及尺寸，完成水輪機轉(zhuǎn)輪型號優(yōu)選設(shè)計。

（3）完成水輪機轉(zhuǎn)輪制造，并在制造廠內(nèi)完成新轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)與頂蓋、座環(huán)相匹配的改造。

（4）在制造廠內(nèi)完成新轉(zhuǎn)輪與原水輪機主軸的連接及配銷，通過動平衡試驗。

（5）完成水輪機活動導葉及其軸承的維修，更換已損壞的水輪機轉(zhuǎn)輪與主軸聯(lián)軸螺栓。

（6）機組安裝調(diào)試完畢，通過試運行，達到設(shè)計出力，交付電站投入運行。

為達到改造的目標，水輪機轉(zhuǎn)輪選型設(shè)計是關(guān)鍵，其它工作與常規(guī)檢修工作相似，因此，下面重點介紹電站新轉(zhuǎn)輪的選型設(shè)計。

2 水輪機選型設(shè)計

2.1 電站原轉(zhuǎn)輪運行效率低的原因分析

根據(jù)水輪機單位參數(shù)一次近似式[1]：

式中：n11為單位轉(zhuǎn)速；n為相應(yīng)水頭H下的轉(zhuǎn)速，r/min；D1為轉(zhuǎn)輪直徑，H為水頭，m；Q11為單位流量；Q為相應(yīng)水頭下的流量，m3/s。

經(jīng)過試驗和檢查，電站發(fā)電機結(jié)構(gòu)完整，性能良好，無須進行改造。水輪機轉(zhuǎn)輪通過大軸與發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接聯(lián)接，因此，本次水輪機改造，其額定轉(zhuǎn)速也為500 r/min。

為便于分析電站原轉(zhuǎn)輪的運行區(qū)域，根據(jù)式（1）計算出電站水頭變更前后各特征水頭對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速n11，結(jié)果見表1。表中加權(quán)平均水頭是在電站運行范圍內(nèi)，考慮負荷和工作歷時的水輪機工作水頭的加權(quán)平均值[2]。

表1 電站水頭變更前后特性水頭對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速

圖1 是對應(yīng)真機轉(zhuǎn)輪直徑D1=110 cm，n=500 r/min時的HLA551-35.2 模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線，圖中畫出了等效率線（%），等空化系數(shù)曲線（σ）和導葉等開度線（a）。將表1 與單位轉(zhuǎn)速對應(yīng)的特征水頭在右側(cè)標示出來。

圖1 HLA551-35.2 模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線

從圖1 可看出，原設(shè)計的31～57 m 工作水頭涵蓋了水輪機的主要效率區(qū)，在38～57 m 水頭范圍內(nèi)，單位流量在1.0～1.2 m3/s 之間時，水輪機的效率比較高，其中，最高效率點η=93.5%出現(xiàn)在單位轉(zhuǎn)速為80.2 r/min，單位流量為1.075 m3/s 點，根據(jù)式（1）和式（2），最高效率點對應(yīng)的工作水頭為47.3 m,水輪機流量為8.946 m3/s，根據(jù)水輪機出力計算公式[3]：

考慮到轉(zhuǎn)輪真機效率會高出模型轉(zhuǎn)輪1%～2%，取Δη=1.5%，得原設(shè)計水輪機在最高效率點的出力：

由圖1 可見，在額定水頭48 m 下，水輪機單位流量增加至1.19 m3/s 時（對應(yīng)水輪機流量為9.976 m3/s）時，水輪機的模型效率仍可達到92.5%，此時，水輪機出力可達到4415 kW，因此，原設(shè)計水輪機選型是合理的。

當水電站工作水頭變更為33～43 m 之后，在水輪機設(shè)計引用流量附近，水輪機的工作效率隨水頭下降較快，水頭越低，水輪機效率也越低，除在最大水頭43 m 附近小區(qū)域為最高效率區(qū)外，其它區(qū)域均偏離最優(yōu)工況區(qū)較多。由于水電站實際運行水頭大多在加權(quán)平均水頭39 m 附近，當水輪機流量在設(shè)計引用流量70%（對應(yīng)單位流量為0.92 m3/s）以下時，水輪機的工作效率已低于87%，其空化系數(shù)也降至0.1 以下，說明此時水輪機內(nèi)部空化變得嚴重，空泡潰滅時產(chǎn)生的強大沖擊力，很容易引起機組振動加劇和水輪機汽蝕惡化，說明電站水頭變更后，原設(shè)計水輪機選型已不合理，也是出現(xiàn)前述問題的根源。

2.2 水輪機改造轉(zhuǎn)輪優(yōu)選方案

本次改造，水輪機過流結(jié)構(gòu)及部件不變，因此水輪機改造后最大引用流量不變。經(jīng)咨詢相關(guān)研究機構(gòu)和水輪機生產(chǎn)廠家，共有HLA153、HLA551H 兩種經(jīng)過多座水電站使用驗證的模型轉(zhuǎn)輪可用于本電站改造。根據(jù)電站水頭、機組額定轉(zhuǎn)速、水輪機引用流量和導葉開度，對比兩種模型轉(zhuǎn)輪的最高效率、空化特性及高效率區(qū)分布，HLA551H 型轉(zhuǎn)輪性能最優(yōu)，更適合于變更后的電站水頭，其特性曲線詳見圖2。

圖2 HLA551H-35.52 模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線

從圖2 可看出，當水電站工作水頭在33～43 m，相應(yīng)單位轉(zhuǎn)速在83.87～95.74 r/min 時，單位流量在1.0～1.4 m3/s 之間，HLA551H 轉(zhuǎn)輪均能工作在高效率區(qū)，其最高效率為93.52%，而且92%以上的高效率區(qū)也遠大于HLA551 轉(zhuǎn)輪，特別是在加權(quán)平均水頭39 m 及以上，HLA551H 轉(zhuǎn)輪均能工作于高效率區(qū)。對比圖1 和圖2，在變更后的電站水頭下運行時，HLA551H 轉(zhuǎn)輪效率特性明顯優(yōu)于原設(shè)計的HLA551轉(zhuǎn)輪?？紤]到將來有可能解決水電站的歷史遺留問題，將水頭恢復至原設(shè)計的工作水頭，從圖2 也可以看出，當水頭在43～57 m，相應(yīng)單位轉(zhuǎn)速在72.85～83.87 r/min 時，單位流量在1.0～1.3 m3/s 內(nèi) 時，HLA551H 轉(zhuǎn)輪也均能工作在高效率區(qū)，效率在90%以上，因此能滿足將來水電站恢復原設(shè)計工作水頭時使用。

2.3 水輪機改造后的運轉(zhuǎn)綜合特性曲線

根據(jù)電站工作水頭、機組轉(zhuǎn)速、水輪機轉(zhuǎn)輪直徑及HLA551H 模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線，通過能量特性計算，繪出水輪機改造后的轉(zhuǎn)輪運轉(zhuǎn)綜合特性曲線，作為指導水電站運行的重要依據(jù)，如圖3 所示。

圖3 HLA551H-LJ-110 轉(zhuǎn)輪運轉(zhuǎn)綜合特性曲線

水輪機最大出力限制線由兩個部分組成，如圖3所示，第一部分是圖3 中右上側(cè)帶剖面線的垂直線，該部分受發(fā)電機額定功率限制，按發(fā)電機效率95%計算，水輪機的最大出力為4200 kW。第二部分是圖3右下側(cè)帶剖面線的斜線，受模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線中的水輪機95%出力限制線制約，隨著水頭下降，流量降低，水輪機出力也跟著下降。

在圖3 的水輪機工作范圍內(nèi)（圖中畫剖面線區(qū)域），水輪機最高效率點94.39%，對應(yīng)水輪機出力3505 kW，工作水頭41.38 m。在電站最低水頭，水輪機最大出力2637 kW；在電站加權(quán)平均水頭，水輪機最大出力3695 kW；當電站水頭達到42.82 m，水輪機出力達4200 kW，可確保發(fā)電機輸出額定功率。

為便于分析電站后續(xù)可能恢復原設(shè)計工作水頭，在圖3 中把43～50 m 水頭的曲線一起繪制出來，結(jié)果表明，在這一水頭段內(nèi)，HLA551H 轉(zhuǎn)輪仍具有優(yōu)異性能，能較好滿足原設(shè)計工作水頭要求。

2.4 水輪機運行方案選擇

根據(jù)圖3，運行人員在制定機組運行方案時，應(yīng)盡可能讓水輪機工作在高效率區(qū)運行，以獲得更好的經(jīng)濟效益。從圖3 可看出，當水輪機在39 m 水頭運行時，應(yīng)盡量保證水輪機出力在2800～3660 kW 之間，這樣水輪機可工作在90.87%的等效率線內(nèi)，工作效率可保持在90.87%以上；在此水頭下，水輪機出力為3290 kW 時，其最高效率達94.15%。在其它水頭下運行時，可按同樣方法進行選擇。

需要指出的是，當水輪機在39 m 水頭運行時，水輪機的出力不宜在2200 kW 以下長時間運行，一方面是水輪機的效率會在84%以下，效率低；另一方面是水輪機空化性能變差，容易引起機組振動和水輪機汽蝕，增加機組檢修維護工作量，影響機組安全。

3 結(jié)語

塘仙水電站水輪機增效改造自2022 年2 月開始，2022 年7 月完成了2#機的改造。根據(jù)運行現(xiàn)場記錄，當電站工作水頭達到42.5 m 時，2#發(fā)電機的出力即達到4000 kW，實際結(jié)果與上述設(shè)計計算分析結(jié)果相符。同時，機組在多種工況下運行，實測機組上機架垂直振動最大值為0.03 mm，水平振動最大值為0.04 mm；水輪機頂蓋垂直振動最大值為0.02 mm，水平振動最大值為0.03 mm，均在《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》（GB/T8564-2003）允許范圍內(nèi)，說明本次改造是成功的。

針對塘仙水電站存在的問題和工作水頭變更情況，開展具體的研究與實踐，找出問題根源，優(yōu)選性能優(yōu)異，適用水頭范圍更廣，在原設(shè)計水頭及當前水頭下均能高效率工作的轉(zhuǎn)輪進行改造，不僅實現(xiàn)了增效的目的，而且一舉解決了當前及今后影響水電站安全運行的問題，為電站智能化改造打下了良好基礎(chǔ)。