龍鳳水庫電站水輪機增容改造分析

鞠萬昌，楊 雷

吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林長春 130021

1 電站概況

龍鳳水庫電站位于吉林省蛟河市，拉法河支流龍鳳河中游龍鳳鄉(xiāng)境內(nèi)。電站于1982 年末竣工并驗收，1983 年5 月并網(wǎng)發(fā)電，原來的電站裝機容量是125kW 機組3 臺，總裝機容量為375kW，原水輪發(fā)電機組由吉林省汪清縣電機廠生產(chǎn)，水輪機型號ZD661-LH-60，發(fā)電機型號TS N59/41-8-125。

2 水輪機增容改造的必要性

水輪發(fā)電機組至今發(fā)電運行30 年，效率較低，過流能力差，與目前國內(nèi)同類轉(zhuǎn)輪相比，效率低；水輪機與水輪發(fā)電機選型不合理，性能指標較低，偏離了高效率區(qū)，振動區(qū)范圍大，空化性能差，影響機組的安全穩(wěn)定運行；水輪機抗汽蝕、抗磨損、抗振動性能差，事故隱患增加。綜上所述水輪機改造勢在必行。

3 水輪機改造的基本原則

通過對水輪機轉(zhuǎn)輪改型，提高機組效率，改善機組運行的安全穩(wěn)定性；水輪機轉(zhuǎn)輪直徑保持不變；水輪機的蝸殼、尾水管埋設(shè)部件不變；有先進可靠的性能參數(shù)；滿足現(xiàn)有安裝高程；滿足現(xiàn)有規(guī)范的要求；增加機組容量。

4 水輪機改造

4.1 水頭的確定

電站加權(quán)平均水頭為9.9m，尾水管出口高程為372.8m，根據(jù)《小型水力發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》（GB50071-2002）第6.1.4中“立軸式水輪機尾水管出口頂緣應(yīng)低于尾水位0.5m”的規(guī)定，確定最低尾水位為373.30m，電站水輪機層地面高程為376.22m，結(jié)合實際確定最高尾水位比水輪機層地面低0.22m，則最高尾水位確定為376.00m。上游水庫正常高為384.3m，確定機組設(shè)計毛水頭為11m，根據(jù)電站輸水系統(tǒng)水力損失計算，相應(yīng)的輸水系統(tǒng)損失為1.5m，綜合確定電站設(shè)計水頭為9.4m，相應(yīng)的流量Q=2.10m3/s；按上游設(shè)計洪水位減去下游最低尾水位及輸水系統(tǒng)的水力損失確定電站最大水頭為13m；按上游最低庫水位減去下游最高尾水位及輸水系統(tǒng)水力損失確定電站最小水頭為6m。

4.2 轉(zhuǎn)輪選擇

機組轉(zhuǎn)輪的選擇是水電站增效擴容改造的關(guān)鍵，電站改造后，水輪機轉(zhuǎn)輪直徑不能增大，同時水輪機的流道不能改變，因此必須選擇與電站流道近似的國內(nèi)已研究成功的效率高、過流量大、單位轉(zhuǎn)速高、空化和穩(wěn)定性好且流道與原電站相近的新型轉(zhuǎn)輪，才能滿足上述要求。適合本電站增容改造的轉(zhuǎn)輪有ZD987、K408-01/4、ZD660、JP502、K508 五種水輪機轉(zhuǎn)輪。但就水力模型流道而然這幾種機型還有許多不同之處，主要應(yīng)從尾水管高度h ，導(dǎo)葉高度B0 以及輪轂體直徑dB 這三個因素對水輪機性能起至關(guān)重要作用的方面來加以分析 。以選擇出更適合龍鳳水庫電站流道條件的轉(zhuǎn)輪。

4.3 性能分析

4.3.1 設(shè)計工況參數(shù)

方案一：ZD987 型轉(zhuǎn)輪模型設(shè)計工況效率為89.2%，應(yīng)用于龍鳳水庫電站流道，因流道變化，效率約下降0.2%，用ηTmax=1-0.3(1-ηMmax)-0.7(1-ηMmax)·(D1M/D1)1/5·(HM/H)1/10 這個公式進行計算，原來的模型效率修正值是-1 %，所以真機的效率比模型的效率小1.2 個百分點，因此對模型的效率進行-1.2%修正，設(shè)計點真機效率為88%。

方案二：K408-01/4 型轉(zhuǎn)輪模型設(shè)計工況效率為91%，應(yīng)用于龍鳳水庫電站，由于流道發(fā)生了改變，其效率也隨之降低了3.8%，通過計算原來模型效率的修正數(shù)值是-0.4 %，所以真機的效率比模型的效率小4.2 個百分點，因此要把模型效率進行-4.2%修正，設(shè)計點真機效率為86.8%。

方案三：ZD660 型轉(zhuǎn)輪模型設(shè)計工況效率為90%，應(yīng)用于龍鳳水庫電站，由于流道改變，其效率也隨之降低了2.6%，通過計算原來模型的效率修正值是-0.7 %，所以真機的效率比模型的效率低3.3 個百分點，因此要把模型效率修正-3.3%，設(shè)計點真機效率是86.7%。

方案四：JP502 型轉(zhuǎn)輪模型設(shè)計工況效率為90.8%，應(yīng)用于龍鳳水庫電站，由于流道發(fā)生了變化，其效率約也隨之降低了3.8%，通過計算原來模型效率修正值是-0.8 %，所以真機效率比模型效率小4.6 個百分點，因此要把模型效率進行-4.6%修正，設(shè)計點真機的效率為86.2%。

方案五：JK508 型轉(zhuǎn)輪模型設(shè)計工況效率為89%，應(yīng)用于龍鳳水庫電站，由于流道發(fā)生了改變，效率也隨之降低3.8%，通過計算模型效率修正值是-1 %，所以真機效率比模型效率小4.8 個百分點，因此要把模型效率進行-4.8%修正，設(shè)計點真機效率為84.2%。

4.3.2 空化性能分析

對出力有關(guān)聯(lián)的臨界空化系數(shù)來講，輪轂體直徑和尾水管高度的作用大一些，尾水管高度低，臨界空化系數(shù)將變??；輪轂體直徑大，臨界空化系數(shù)將變大。在空化系數(shù)修正時，把原空化系數(shù)乘上1.1 為龍鳳水庫電站轉(zhuǎn)輪的臨界空化系數(shù)值。

4.3.3 技術(shù)比較

經(jīng)過五種方案的性能分析我們得出結(jié)論，方案五JK508 型轉(zhuǎn)輪與方案四JP502 型轉(zhuǎn)輪效率偏低，綜合指標不符合，流道和ZD661 型轉(zhuǎn)輪相差很大，輪轂比，ZD661 型轉(zhuǎn)輪輪轂直徑為0.24m，JK508 與JP502 型轉(zhuǎn)輪輪轂直徑為0.27m，并過流能力不好，因此不用。

方案一ZD987 型轉(zhuǎn)輪、方案二K408-01/4 型轉(zhuǎn)輪和方案三ZD660 型轉(zhuǎn)輪比較，屬于目前國內(nèi)最為先進的轉(zhuǎn)輪。從模型曲線圖查到，K408-01/4 型轉(zhuǎn)輪最高效率能達到91%，ZD660 型轉(zhuǎn)輪最高效率只能到90%， ZD987 型轉(zhuǎn)輪最高效率能到89.2%，可K408-01/4 型轉(zhuǎn)輪和ZD660 型轉(zhuǎn)輪由于流道的偏差導(dǎo)致真機效率均低于ZD987 轉(zhuǎn)輪，工況偏差較大，經(jīng)過綜合比較分析，最終選擇方案一ZD987 作為龍鳳水庫電站增容改造轉(zhuǎn)輪。

4.4 水輪機安裝高程的復(fù)核

根據(jù)額定水頭計算Hs 值，并用最大、最小水頭校核。Hs值按下式計算：

Hs'= Hs+XD1 (X 取0.41)

▽安=Zd+ Hs'

根據(jù)電站水輪機采用不銹鋼轉(zhuǎn)輪的要求，經(jīng)計算最小水頭下Hs=+2.98m , 設(shè)計水頭下Hs=+2.86m，最大水頭下Hs=+3.86m 考慮一定余量，電站最低尾水位373.3m，計算水輪機的安裝高程（導(dǎo)葉中心）為376.41m，高于原有水輪機安裝高程（導(dǎo)葉中心）的375.56m，說明本轉(zhuǎn)輪的汽蝕性好，綜合確定水輪機的安裝高程（導(dǎo)葉中心）取與原機組相同，即為375.56m。

4.5 改造后的主要參數(shù)

水輪機參數(shù)：型號ZD987-LH-60，轉(zhuǎn)輪直徑0.6m，額定水頭9.4m，額定流量1.99m3/s，額定轉(zhuǎn)速750r/min，飛逸轉(zhuǎn)速1560r/min，額定效率88%，最高效率88.2%，吸出高度 2.014m。

發(fā)電機參數(shù)：型號SF150-8/740，額定容量 150kW，額定功率161.8kW，額定電壓0.4KV，額定功率因數(shù)0.8，額定轉(zhuǎn)速 750r/min。

4.6 水力過渡過程計算

本電站三臺機組合用一根引水管，按三臺機組同時甩負荷考慮。當(dāng)額定水頭Hr=9.4 m、P=150kW 時，Q=2.1m3/s，∑LV=494.53m2/s，導(dǎo)葉分段關(guān)閉時間Ts1=5 s,Ts2=10s，分段點為導(dǎo)葉全開度的50%，甩三臺機組全負荷，機組最大速率上升βmax=24%，蝸殼進口壓力相對于額定水頭上升43.2%，蝸殼承壓13.1m，尾管進口真空度為3.6m 水柱。

當(dāng)最大水頭Hmax=13m、P=150kW 時，Q=1.62m3/s，∑LV=381.49m2/s，導(dǎo)葉分段關(guān)閉時間Ts1=5s,T s2=10s，分段點為導(dǎo)葉全開度的50%，甩二臺機組全負荷，機組最大速率上升βmax=18.5%，蝸殼進口壓力相對于額定水頭上升38.5%，蝸殼進口承壓15m，尾管進口真空度為3.1m 水柱。

根據(jù)《小型水力發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》（GB50071-2002）規(guī)范要求，水輪機蝸殼最大允許壓力上升率不得大于70%，機組額定出力甩全負荷時，最大轉(zhuǎn)速上升率不宜大于50%，本計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

龍鳳水庫電站水輪機增容改造是在保持原有流道及部分參數(shù)不變的情況下，通過采用先進的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高了水輪機效率及過流量，增加了水輪機出力。經(jīng)過計算分析后確定的增容改造方案，不僅是可行的，而且是穩(wěn)妥可靠的。該電站通過改造，使機組消除了安全運行隱患，到達增容增效安全穩(wěn)定運行的目的。

[1]GB50071-2002小型水力發(fā)電站設(shè)計規(guī)范.北京.中國計劃出版社，2003.

[2]SL179-2011小型水電站初步設(shè)計報告編制規(guī)程.北京.中國水利水電出版社，2011.

[3]SL179-2011小型水電站初步設(shè)計報告編制規(guī)程.北京.中國水利水電出版社，2011.