銅街子水電站12號(hào)機(jī)增容改造水輪機(jī)水力開發(fā)

趙永智，稅　彪（東方電機(jī)股份有限公司，四川 德陽(yáng) 618000）

銅街子水電站12號(hào)機(jī)增容改造水輪機(jī)水力開發(fā)

趙永智，稅彪
（東方電機(jī)股份有限公司，四川 德陽(yáng) 618000）

摘要：根據(jù)銅街子水電站12號(hào)水輪機(jī)組增容改造要求，在僅更換轉(zhuǎn)輪的情況下，水輪機(jī)出力由154MW增容到178．57MW。本文詳細(xì)介紹了在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水力開發(fā)過程中的參數(shù)選擇，以及在轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)過程中針對(duì)銅街子電站水輪機(jī)具體水力參數(shù)所采取的方法和措施，對(duì)部分水輪機(jī)全流道數(shù)值計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。電站實(shí)際運(yùn)行情況表明，銅街子電站水輪機(jī)的綜合水力性能得到較大幅度的提升。

關(guān)鍵詞：軸流式水輪機(jī)；水輪機(jī)增容改造；轉(zhuǎn)輪；數(shù)值計(jì)算分析；模型試驗(yàn)

1引言

銅街子水電站位于四川省樂山市沙灣區(qū)的大渡河上，裝機(jī)4臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量150MW，單臺(tái)水輪機(jī)出力為154MW。電站自1994 年12月全部機(jī)組投產(chǎn)投運(yùn)至今，由于機(jī)組出力等原因，水能得不到充分利用，水輪發(fā)電機(jī)組磨蝕老化問題逐漸顯現(xiàn)。大渡河上游具有不完全年調(diào)節(jié)能力裝機(jī)容量為6×600MW的瀑布溝水電站建成投運(yùn)后形成53.9億m3的水庫(kù)，增強(qiáng)了銅街子水電站庫(kù)容的可調(diào)節(jié)性。為了充分利用上游來水，在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，利用現(xiàn)有條件通過增加水輪機(jī)的出力從而增加機(jī)組容量，最大可能地增加電站的發(fā)電量，最終達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益和治理水輪發(fā)電機(jī)組磨蝕老化等設(shè)備缺陷的目的。

根據(jù)電站改造要求，在僅更換轉(zhuǎn)輪（包括轉(zhuǎn)輪葉片、輪轂體）和內(nèi)支撐蓋部分流道，以及保持電站水輪機(jī)吸出高度不變的條件下，改造后水輪機(jī)出力由154MW增容到178.57MW，同時(shí)還要滿足水輪機(jī)的空蝕和運(yùn)行穩(wěn)定性要求。在東方電機(jī)有限公司水力開發(fā)團(tuán)隊(duì)的共同努力下，成功研制出了滿足電站增容以及電站運(yùn)行要求的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪并應(yīng)用于電站，目前已投入商業(yè)運(yùn)行，水輪機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足電站增容改造要求。

2電站水輪機(jī)基本參數(shù)

改造前銅街子水電站水輪機(jī)基本水力參數(shù)如下：

水輪機(jī)型號(hào)ZZ440-LH-850

額定出力154MW

同步轉(zhuǎn)速88.2r/min

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D18500mm

設(shè)計(jì)流量574m3/s

最高水頭40.0m

額定水頭31.0m

最低水頭28.0m

轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)6

吸出高度-9.2m

蝸殼包角180°（Γ型）

活動(dòng)導(dǎo)葉分布圓1.159D1

活動(dòng)導(dǎo)葉高度0.376D1

活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)24

尾水管高度2.09D1（至槳葉中心線4H型）

3水輪機(jī)水力開發(fā)及流動(dòng)分析

銅街子水電站水輪機(jī)最高運(yùn)行水頭為40m，轉(zhuǎn)輪直徑8.5m，改造后水輪機(jī)額定出力為178.57MW，屬于高水頭大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組。為滿足機(jī)組剛強(qiáng)度的要求，水輪機(jī)需采用較大的輪轂比，而較大的輪轂比限制了水輪機(jī)的過流能力，使得水輪機(jī)在大流量情況下效率指標(biāo)下降較快，增容幅度受到限制，同時(shí)增容幅度還受到電站吸出高度的限制，水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)難度較大。銅街子水電站12號(hào)水輪機(jī)增容改造具有以下特點(diǎn)和難點(diǎn)：

（1）水輪機(jī)增容幅度大。水輪機(jī)額定出力由原來的154MW增容到178.57MW，機(jī)組增容幅度達(dá)到15.95%，水力開發(fā)難度大；

（2）僅更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪（包括轉(zhuǎn)輪體）及支持蓋和導(dǎo)流錐處流道，其他流道尺寸不變，水力開發(fā)條件限制大；

（3）水輪機(jī)安裝高程和轉(zhuǎn)輪直徑不變，水輪機(jī)空化要求高。

從以上幾點(diǎn)可以看出銅街子水電站水輪機(jī)增容幅度較大，改造范圍小，給水輪機(jī)的水力優(yōu)化帶來很大難度。要達(dá)到增容改造目的，在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水力優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)須對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行詳細(xì)的流動(dòng)分析計(jì)算，找到改善和優(yōu)化所需的水力性能的水力設(shè)計(jì)方法和措施，對(duì)轉(zhuǎn)輪各項(xiàng)水力性能的優(yōu)劣做出合理的分析與判斷。同時(shí)，對(duì)優(yōu)化轉(zhuǎn)輪和全模擬流道裝置進(jìn)行全面的模型試驗(yàn)，根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果來判定水力設(shè)計(jì)是否達(dá)到增容改造的目的。由于水輪機(jī)改造范圍小，水力優(yōu)化設(shè)計(jì)就集中在轉(zhuǎn)輪的水力開發(fā)上。

3.1水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪幾何參數(shù)選擇

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪幾何參數(shù)的選擇對(duì)水輪機(jī)的能量性能、空化性能以及水輪機(jī)的過流能力都有較大的影響。針對(duì)銅街子增容改造水力開發(fā)條件限制大、水輪機(jī)增容幅度大、改造范圍小的特點(diǎn)，需要對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪幾何參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)分析和選擇。

3.1.1轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)

原銅街子水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪為 ZZ440(即ZZ587），葉片數(shù)Z為6個(gè)，相應(yīng)的為了有足夠的空間容納轉(zhuǎn)輪葉片操作機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪的輪轂比為0.5。銅街子水電站水輪機(jī)增容幅度大，6個(gè)葉片和0.5輪轂比制約了水輪機(jī)的過流能力，從而影響水輪機(jī)增容幅度。

已投運(yùn)或正在建設(shè)的軸流轉(zhuǎn)漿式電站的實(shí)際情況表明，槳葉數(shù)為5片的轉(zhuǎn)輪完全可以應(yīng)用到25～40m水頭范圍，并根據(jù)水頭的高低配以不同的輪轂比，若設(shè)計(jì)得當(dāng)，完全能夠滿足強(qiáng)度、空化和穩(wěn)定性的要求。銅街子電站最大水頭Hmax=40m，轉(zhuǎn)輪采用5葉片是完全可以滿足電站水輪機(jī)的剛強(qiáng)度要求，同時(shí)有利于提高水輪機(jī)的水力性能。

與6葉片轉(zhuǎn)輪相比，5葉片轉(zhuǎn)輪過流能力增加，高效率區(qū)更加寬廣，水輪機(jī)可獲得較大的增容幅度。同時(shí)，5葉片轉(zhuǎn)輪在設(shè)計(jì)得當(dāng)時(shí)，仍可以獲得較高的空化性能，使得優(yōu)化設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)輪滿足銅街子水電站水輪機(jī)增容改造后水輪機(jī)的空化要求。根據(jù)銅街子水電站提供的電站運(yùn)行水位記錄，在水輪機(jī)滿負(fù)荷及高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其尾水位均高出最低尾水位（433m）3～5m，相應(yīng)電站吸出高度Hs增加3～5m，水輪機(jī)在額定工況運(yùn)行時(shí)有較高的空化安全裕度。水輪機(jī)增容后，額定工況下水輪機(jī)的流量將增加，電站尾水位也將高于增容前的尾水位，水輪機(jī)的吸出高度增加，空化安全裕量Kσ也會(huì)隨之相應(yīng)地增大，水輪機(jī)的空化安全可以得到進(jìn)一步保證。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、模型試驗(yàn)以及銅街子電站的實(shí)際運(yùn)行情況，選用5葉片轉(zhuǎn)輪完全可以滿足水輪機(jī)的增容和長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。

通過以上分析，選定銅街子電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)為5個(gè)。

3.1.2轉(zhuǎn)輪輪轂比

輪轂比是軸流式水輪機(jī)的一個(gè)重要的幾何參數(shù)，其大小對(duì)水輪機(jī)的水力性能有重要的影響，從而對(duì)轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行區(qū)域產(chǎn)生較大的影響。減小輪轂比可使最優(yōu)效率增加，改善空化性能。另一方面，輪轂比的減小也受到了電站最高使用水頭的限制。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪過流量和轉(zhuǎn)輪輪轂比以及其他幾何參數(shù)的關(guān)系式如下：

由上式可以看出，輪轂比Q的大小直接決定著水輪機(jī)過流通道的寬度，改變高效區(qū)的單位流量和單位轉(zhuǎn)速。隨著設(shè)計(jì)、加工制造水平的提高以及新型材料的應(yīng)用，從技術(shù)手段上可以很好地解決水輪機(jī)的空化和剛強(qiáng)度問題，軸流式水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪輪轂比Q有逐漸減小的趨勢(shì)，但也受電站最高使用水頭的限制。銅街子水電站水輪機(jī)原有轉(zhuǎn)輪的輪轂比Q=0.5，相對(duì)較大，限制了水輪機(jī)的過流能力，同時(shí)也限制了水輪機(jī)的增容能力。針對(duì)銅街子水電站的具體情況，可以適當(dāng)減小轉(zhuǎn)輪輪轂比以提高水輪機(jī)的過流能力，同時(shí)也可以增加轉(zhuǎn)輪葉片的過流面積，達(dá)到改善水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪空化的目的。通過仔細(xì)的對(duì)比分析以及設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，最終選擇銅街子水電站增容改造后水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的輪轂比Q=0.46。

綜上所述，對(duì)于銅街子水電站，在保證水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的參數(shù)如表1。3.2水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計(jì)

表1改造前后轉(zhuǎn)輪參數(shù)

由于銅街子水電站的同步轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)輪直徑都不改變，水輪機(jī)出力確定后，水輪機(jī)的運(yùn)行區(qū)域就基本確定，最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速和最優(yōu)單位流量的選擇要根據(jù)電站的加權(quán)因子分布進(jìn)行合理的調(diào)整，以保證電站有較高的加權(quán)平均效率，獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。

針對(duì)銅街子水電站水輪機(jī)增容幅度大，空化和穩(wěn)定性要求高的情況，在銅街子水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)時(shí)主要采取了以下水力優(yōu)化措施：

（1）選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)；

（2）適當(dāng)減小轉(zhuǎn)輪輪轂比和減少轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)，增大轉(zhuǎn)輪的過流能力；

（3）葉片設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)整翼型的型線，提高轉(zhuǎn)輪效率；

（4）調(diào)整轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口形狀以適應(yīng)原有導(dǎo)葉的出口流態(tài)；

（5）調(diào)整轉(zhuǎn)輪葉片出口形狀以使得轉(zhuǎn)輪出口流速分布均勻，適應(yīng)原有的尾水管，改善尾水管內(nèi)的流態(tài)，提高尾水管的能量回收效率和水力穩(wěn)定性；

（6）在減少轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)的情況下，適當(dāng)增加翼型的弦長(zhǎng)，提高轉(zhuǎn)輪的葉柵稠密度，減小葉片的單位負(fù)荷，使得水輪機(jī)的空化性能得以提高；

（7）通過全流道數(shù)值計(jì)算，判斷所設(shè)計(jì)開發(fā)的轉(zhuǎn)輪對(duì)原流道的適應(yīng)性，提高水力開發(fā)的準(zhǔn)確性。

從全流道數(shù)值計(jì)算結(jié)果看（銅街子水輪機(jī)全流道見圖1），蝸殼內(nèi)流線分布較為均勻；受180°包角蝸殼的影響，活動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)口沿圓周方向平均液流角分布變化較大，但活動(dòng)導(dǎo)葉出口平均液流角和流量分布較均勻，為轉(zhuǎn)輪提供了較好的進(jìn)口條件。蝸殼及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)流態(tài)如圖2。

圖1銅街子水輪機(jī)全流道

圖2 蝸殼及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)流態(tài)

從轉(zhuǎn)輪流動(dòng)分析結(jié)果看，最終優(yōu)化設(shè)計(jì)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪很好地適應(yīng)了銅街子電站原有導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的出口流態(tài)，葉片正、背面壓力分布均勻，轉(zhuǎn)輪具有較高的能量特性。轉(zhuǎn)輪流態(tài)見圖3。

從尾水管的流動(dòng)分析結(jié)果看，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，尾水管內(nèi)流線分布較為均勻，沒有明顯可見的回流及空腔，支墩頭部沒有明顯的沖角，這說明所設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪的出口流態(tài)很好的適應(yīng)了尾水管。

圖3轉(zhuǎn)輪流態(tài)

流動(dòng)分析表明，最終設(shè)計(jì)得到的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪很好地適應(yīng)銅街子電站的水輪機(jī)流道，水輪機(jī)將具有較高的能量特性。

4水輪機(jī)模型試驗(yàn)

最終優(yōu)化設(shè)計(jì)出的水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了全面的水力性能模型試驗(yàn)，并通過了業(yè)主和相關(guān)專家共同見證下的水力模型驗(yàn)收試驗(yàn)。模型驗(yàn)收試驗(yàn)在東方電機(jī)DF-60水力機(jī)械通用試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果表明：東方電機(jī)針對(duì)銅街子電站具體水力參數(shù)進(jìn)行的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水力開發(fā)取得滿意的成果，開發(fā)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪各項(xiàng)性能指標(biāo)都滿足增容改造的要求。銅街子電站增容改造前、后水輪機(jī)在各主要運(yùn)行水頭下的相對(duì)效率比較如圖5～圖7，水輪機(jī)主要參數(shù)對(duì)比如表2。

圖5 Hmax=40m原型水輪效率比較

圖6Hmin=28m原型水輪效率比較

圖7Hr=31m原型水輪效率比較

銅街子水電站增容改造后水輪機(jī)在各水頭下的最大出力見表3：

模型試驗(yàn)結(jié)果及與改造前后水輪機(jī)的水輪機(jī)水力性能比較表明，本次為銅街子電站12號(hào)機(jī)增容改造開發(fā)設(shè)計(jì)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪具有以下特點(diǎn)：

（1）水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪綜合水力參數(shù)水平得到大幅提升；

（2）水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪具有較高的效率水平。在最優(yōu)工況點(diǎn)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型最高效率大幅提高約4.0%；在額定工況點(diǎn)，在使用流量增大10.3%的條件下，水輪機(jī)原型效率提高約4.4%；

表2銅街子水電站水輪機(jī)改造前后參數(shù)對(duì)比

表3水輪機(jī)出力

（3）水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪具有較大的出力裕量，協(xié)聯(lián)狀態(tài)時(shí)水輪機(jī)在各水頭下隨著槳葉角度和導(dǎo)葉開度的增加，出力呈上升趨勢(shì)，在模型試驗(yàn)的最大槳葉角度12°時(shí)仍未下降；水輪機(jī)完全可以從154MW增容到178.58MW；

（4）在水輪機(jī)安裝高程不變、吸出高度Hs為-9.2m和流量增大10.3%的條件下，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪各保證出力工況點(diǎn)均具有足夠的空化安全裕量；

（5）在主要運(yùn)行水頭范圍內(nèi)，水輪機(jī)具有良好的水力穩(wěn)定性。

5結(jié)語(yǔ)

銅街子12號(hào)機(jī)增容改造范圍小，水力開發(fā)條件苛刻，通過共同努力，東方電機(jī)為銅街子電站12號(hào)機(jī)增容改造開發(fā)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪已成功投入商業(yè)運(yùn)行。自投運(yùn)以來，水輪機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，水輪機(jī)組單機(jī)額定出力有原來的150MW成功增容到175MW，各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到了增容改造要求。銅街子電站增容改造采用“1+3”模式，由于12號(hào)機(jī)增容改造的成功，東方電機(jī)已獲得其他3臺(tái)水輪機(jī)組的增容改造合同，同時(shí)為選用ZZ440轉(zhuǎn)輪的老電站改造提供了成功的案例和技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙永智.萬(wàn)安電站5號(hào)軸流式水輪機(jī)水力開發(fā)[J].東方電機(jī)，2005(2).

中圖分類號(hào)：TV734.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2015）04-0005-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.04.002

收稿日期：2014-09-19

作者簡(jiǎn)介：趙永智（1965-），男，高級(jí)工程師，從事水輪機(jī)水力開發(fā)工作。