水府廟水電站水輪機選型方案

周艷輝，謝智樹，朱柱霞，王 鑫，彭忠年

（1.湖南省水府廟水電站，湘潭市 411424；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

湖南省水府廟水電站位于湘江支流漣水中游雙峰、湘鄉(xiāng)、婁底三縣(市)交界處的溪口，是集灌溉、防洪、發(fā)電、供水、旅游、養(yǎng)殖等綜合效益于一體的大型水利樞紐工程。水庫控制流域面積3160平方公里，總庫容5.6億m3，有效庫容3.7億m3，為不完全季調節(jié)水庫，灌溉面積100萬畝。1958年9月動工修建，1960年9月第一臺機組投產(chǎn)發(fā)電。電站為壩式水電站，安裝4臺立式混流式水輪發(fā)電機組，單機容量為7.5MW，總裝機容量為30MW。

1 水輪機改造的必要性

（1）能量指標偏低。電站原HL365-LH-230水輪機為低水頭混流式，屬于套用美國30～40年代技術的機型，仿原蘇聯(lián)模型PO-365產(chǎn)品，相當于國產(chǎn)HL365型號產(chǎn)品，在水力設計與性能方面存在缺陷，目前已屬于淘汰機型。并且由于受當時生產(chǎn)工藝、加工水平和生產(chǎn)能力的限制，水輪機實際額定點效率達不到設計要求。

（2）機組過流部件磨損嚴重。電站投運至今已超過設計使用年限，轉輪磨損、汽蝕愈來愈嚴重，葉片翼型偏離設計型線，水輪機效率降低，耗水率高，機組運行中振動不斷加大。

（3）選型與電站實際情況不符。經(jīng)多年運行經(jīng)驗和重新核算，電站實際額定水頭在24.0m左右，而原選型HL365水輪機設計水頭為27.7m，兩者相差較大，導致水輪機無法在最優(yōu)工況運行，不利于電站經(jīng)濟運行。

2 水輪機技術改造方案

2.1 改造基本技術要求

考慮到電站現(xiàn)有設備的實際情況以及土建工程等因素，在不改變水工建筑物、引水系統(tǒng)及水輪機蝸殼、座環(huán)和尾水管等埋入部分的前提下，采取更換水輪發(fā)電機組其它部件，以達到明顯提高機組運行效率的方案。設定在額定水頭Hr＝24m時，發(fā)電機出力增容至9MW左右的目標，并保證水輪機的空化、機組的飛逸轉速、穩(wěn)定性等其它技術指標的安全可靠。水輪機技術改造的特征水頭為：最大水頭27.5m，最小水頭17.5m，加權平均水頭為24.62m，額定水頭為24m。

2.2 參數(shù)的選擇

受水輪機埋入部分結構尺寸與電站裝置空化系數(shù)的限制，技改機組仍然采用導葉相對高度為b0=0.391D1的混流式水輪發(fā)電機組。

技改后的水輪機額定水頭初步選定為24m，機組額定轉速選定為187.5r/min以下。在水頭為24m時，水輪機出力Nr達到9.0MW，相應的發(fā)電機組出力Ng為8.7MW；在水頭為24.6m，水輪機出力Nr達到9.4MW，相應的發(fā)電機組出力Ng為9MW。

機組的運行特點為帶基荷運行，因此在選擇技改水輪機的水力參數(shù)時，應盡量使水輪機的主要運行工況位于水輪機性能最優(yōu)區(qū)。

2.3 改造方案

目前國內開展水頭段低于40m的混流式水輪機轉輪的研發(fā)較少，因此無法選擇已有轉輪模型。中國水利水電科學研究院于2011年完成了應用于20～45m水頭段的JF36系列（b0=0.365D1）新型水輪機開發(fā)研究試驗，轉輪的模型最優(yōu)效率突破了94%，達到國內領先水平。本次技術改造選擇了中國水利水電科學院提供的兩種轉輪技改方案，并進行了比較。

方案1：選擇JF36系列中的JF3635D型轉輪，轉輪直徑仍為D1＝2300mm，機組的額定轉速為166.7r/min。

本方案以水輪機埋入部分幾何尺寸為約束條件，將JF3635D的導葉由原高度b0＝0.365D1延長至b0＝0.391D1后作為技改水輪機的導葉，并將JF3635D型轉輪上冠和下環(huán)流線進口處進行局部修改，使之與導葉相匹配。同時對尾水錐管進口作局部處理，使之與轉輪出口相匹配。修改后的水輪機型號命名為JF3920A-LH-230，水輪機流道如圖1所示。

對JF3920A-LH-230型水輪機的導葉區(qū)、轉輪區(qū)和尾水管內部進行CFD流場分析，根據(jù)CFD分析結果及經(jīng)驗，預估的JF3920A-35水輪機模型綜合特性曲線、JF3920A-230運轉綜合特性曲線如圖2所示。技改水輪機的主要性能參數(shù)如下：

A.水輪機型號及額定轉速

JF3920A-LH-230, n=166.7r/min

B.水輪機最優(yōu)工況參數(shù)

n'10=74.23r/min, Q'10=1.294m3/s

ηmmax=94.34%

C.額定工況參數(shù)

H=24m n'1=78.26r/min Q'1=1.678m3/s,

Qr=43.49m3/s ηp=88.5% ηm=88.0%,

σm=0.24 ns=298.5m-kW

水輪機出力：Nr=9.062MW

發(fā)電機出力：Ng=8.7MW

（取發(fā)電機效率ηg=96%，考慮到尾水管的影響，水輪機原、模型效率修正值Δη=ηp-ηm=0.5%，下同）

D.機組出力達到9MW的最低水頭及其工況參數(shù)

H=24.79m n'1=77.01r/min

Q'1=1.644m3/s Q=43.3m3/s

ηp=89.0% ηm=88.5% σm=0.225

水輪機出力：Nr=9.375MW

發(fā)電機出力：Ng=9.0MW

E.吸出高度

取汽蝕安全系數(shù)k=1.4，則額定工況點水輪機要求的吸出高度Hs=+2.0m；H=24.79m、發(fā)電機出力為9 M W 時要求的吸出高度Hs=+2.1m。

F.最高飛逸轉速

JF3920A型水輪機模型最高單位飛逸轉速n'1Rmax=134.6r/min，在最高水頭27.5m下，原型水輪機最高飛逸轉速nRmax=307r/min。

G.軸向水推力

J F 3 9 2 0 A 型水輪機模型水推力系數(shù)K=0.30～0.48，在最高水頭27.5m下，原型水輪機最大水推力為538kN。

方案2：選擇JF36系列中的JF3633F型轉輪作為技改方案，技改機組的額定轉速與原轉速一致，為187.5r/min。水輪機的型號命名為JF3917-LH-230，水輪機流道簡圖如圖3所示。

同樣，對JF3917-LH-230型水輪機的導葉區(qū)、轉輪區(qū)和尾水管內部進行CFD流動分析。根據(jù)CFD分析結果及經(jīng)驗，預估的JF3917-35水輪機模型綜合特性曲線、JF3917-230運轉特性曲線如圖4所示。本技改方案水輪機的主要性能參數(shù)如下：

A.水輪機型號及額定轉速

JF3917-LJ-230 n=187.5r/min

B.水輪機最優(yōu)工況參數(shù)

n'10=82.74r/min Q'10=1.312m3/s

ηmmax=93.49%

C.額定工況參數(shù)

H=24m n′1=88.03r/min,

Q'1=1.671m3/s Qr=43.31m3/s,

ηp=88.87% ηm=88.37% σm=0.241

ns=335.8m-kW

水輪機出力：Nr=9.062MW

發(fā)電機出力：Ng=8.7MW

（取發(fā)電機效率ηg=96%，考慮到尾水管的影響，水輪機原、模型效率修正值Δη=ηp-ηm=0.5%，下同）

D.機組出力達到9MW的最低水頭及其工況參數(shù)

H=24.72m n'1=86.73r/min,

Q'1=1.6515m3/s Q=43.44m3/s,

ηp=88.97% ηm=88.47% σm=0.24。

水輪機出力：Nr=9.375MW

發(fā)電機出力：Ng=9MW

E.吸出高度

取汽蝕安全系數(shù)k=1.4，則額定工況點水輪機要求的吸出高度Hs=+1.86m；H=24.72m、發(fā)電機出力為9MW時要求的吸出高度Hs=+1.63m。

F.最高飛逸轉速

JF3917型水輪機模型最高單位飛逸轉速n'1Rmax=165r/min，在最高水頭27.5m下，原型水輪機最高飛逸轉速nRmax=376.2r/min。

G.軸向水推力

J F 3 9 1 7 型水輪機模型水推力系數(shù)K=0.30～0.48，在最高水頭27.5m下，原型水輪機最大水推力為538kN。

2.4 方案比較

1）技術手段。方案1：JF3920-LH-230型水輪機是將完整的JF3635D型轉輪葉片應用于技改水輪機流道中，并經(jīng)過CFD分析比較驗證而獲得。方案2：JF3917-LH-230型水輪機是以JF3633F型轉輪葉片為基礎，將轉輪設計單位轉速提高3.5 r/min（設計單位流量不變）后，進行轉輪葉片水力優(yōu)化設計并經(jīng)CFD分析比較驗證而獲得。方案1的基礎轉輪JF3635D，經(jīng)過完全的CFD分析及模型試驗測試驗證，性能曲線、數(shù)據(jù)完整詳實，而方案2轉輪由原有JF3633F型轉輪改進優(yōu)化設計后，根據(jù)CFD分析結果及經(jīng)驗預估，得出相關的性能曲線未經(jīng)試驗驗證，因此方案1的技術基礎更為堅實。

2）水力性能。在24m額定水頭下的機組出力均可以達到8.7MW，在24.8m以上水頭下的機組出力均可以達到9MW。兩個方案的水輪機均具有很高的效率水平，水輪機主要運行區(qū)均位于性能最優(yōu)區(qū)，水輪機轉輪均具有較大的空蝕安全裕量。方案1的額定轉速低于方案2，在相同水頭、相同出力的工況點，方案1的比轉速低于方案2。從水輪機效率、空化及水力穩(wěn)定性等參數(shù)方面進行比較，方案1均優(yōu)于方案2。

3）經(jīng)濟性。由于方案1的額定轉速低于方案2，因此方案1的機組造價高于方案2。

經(jīng)綜合比較，選擇技改方案1：JF3920-LH-230型水輪機。

3 技術改造效果

水府廟水電站水輪機增效擴容技術改造工作于2012年12月完成，投入實際運行后機組出力有了大幅提高：凈水頭為23m時，原機組出力約為6.5MW左右，而技改機組出力可達8.3MW，較原機組提高約27.7%。機組振動基本消失，運行穩(wěn)定性獲得明顯改善，技術改造取得良好效果。

4 結語

有針對性的機組增效擴容改造，可以有效的解決我國早期建成的許多水電站都存在的水力模型落后、選型不當、設備陳舊、運行效率低、穩(wěn)定性差等問題。老舊電站的增效擴容改造，可以有效提高機組能量參數(shù)指標，減少機組維護工作量和維護成本，合理有效利用水資源，提高發(fā)電效益，消除機組存在的安全隱患，保證機組安全穩(wěn)定運行，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]武漢水利水電學院.水輪機[M].北京: 水利電力出版社, 1989.

[2]JF3920A-35型、JF3917-35型水輪機CFD分析結果[R].北京: 中國水利水電科學研究院, 2011.

[3]水府廟水電站增效擴容改造工程初步設計報告[R].長沙: 湖南省水利水電勘測設計總院, 2011.