兩葉片轉(zhuǎn)輪在超低水頭電站技術(shù)改造中的應(yīng)用

程 奇， 鄭 祿， 王 承 恩

(重慶航運(yùn)建設(shè)發(fā)展有限公司，重慶 401121)

兩葉片轉(zhuǎn)輪在超低水頭電站技術(shù)改造中的應(yīng)用

程 奇， 鄭 祿， 王 承 恩

(重慶航運(yùn)建設(shè)發(fā)展有限公司，重慶 401121)

介紹了對(duì)渭沱水電站水輪機(jī)組進(jìn)行的改造，成功地將轉(zhuǎn)輪的四葉片改為兩葉片。機(jī)組改造后的試驗(yàn)和測試結(jié)果表明各項(xiàng)參數(shù)符合要求。電站多年的正常運(yùn)行證明該機(jī)組改造是成功的。兩葉片燈泡貫流式機(jī)組在超低水頭電站中的改造成功，不僅擴(kuò)展了燈泡貫流式機(jī)組的應(yīng)用范圍，還解決了振動(dòng)、穩(wěn)定性、可靠性等問題，將兩葉片轉(zhuǎn)輪首次應(yīng)用到水輪機(jī)組中，為類似工程提供了很好的借鑒。

超低水頭；燈泡貫流式機(jī)組；兩葉片；渭沱水電站

1 概 述

渭沱水電站位于重慶市合川區(qū)渭沱鎮(zhèn)涪江干流青竹扁灘，系涪江干流梯級(jí)開發(fā)中的最末一級(jí)，距涪江河口約23 km。電站廠房為河床式，上游正常水位高程為206 m，死水位高程205 m，下游最低水位高程為196.96 m，設(shè)計(jì)水頭8.5 m，最大水頭11 m，最小水頭3 m，安裝有兩臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組，裝機(jī)容量為2×15 MW。該水電站始建于上世紀(jì)80年代末，于1992年11月建成投產(chǎn)。

2005年11月草街航電樞紐工程開工建設(shè)，該樞紐位于重慶市合川區(qū)草街鎮(zhèn)附近的嘉陵江干流上，距涪江河口約27 km，上游回水至涪江上緊接渭沱水電站，水庫正常蓄水位高程為203 m，死水位高程為200 m。該工程于2009年下閘蓄水，2010年首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，2011年四臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。草街航電樞紐工程的建成投運(yùn)對(duì)渭沱水電站運(yùn)行產(chǎn)生了較大的影響。

2 渭沱水電站改造的必要性及可行性

草街航電樞紐工程蓄水后，上游回水至渭沱水電站，導(dǎo)致該電站尾水位增加到高程203.2 m，最低水位增加到高程202.5 m，上下游水頭減至2～4 m，最大水頭3.4 m，年加權(quán)平均水頭僅為2.3 m。若對(duì)原機(jī)組不進(jìn)行改造，則在此工況下不能發(fā)電，渭沱水電站將報(bào)廢，并且還需繼續(xù)對(duì)渭沱水電站船閘進(jìn)行運(yùn)行、維護(hù)和管理。為使國有資產(chǎn)保值、增值，充分、合理地利用渭沱水電站剩下的3 m左右水頭，避免水力資源浪費(fèi)，在一定程度上緩解地方供用電緊張局面，充分發(fā)揮清潔能源的效用，對(duì)渭沱水電站進(jìn)行改造是必要的。

渭沱水電站改造的關(guān)鍵在于水輪機(jī)組。如能利用原水輪機(jī)組流道，主要對(duì)水輪機(jī)機(jī)組進(jìn)行改造，其它不作大的調(diào)整，將充分發(fā)揮原有資產(chǎn)的效用，提高工程改造的可行性和能動(dòng)性。

自20世紀(jì)30年代開始，西方國家開發(fā)使用燈泡貫流式機(jī)組。20世紀(jì)50～60年代，因能源危機(jī)西方國家進(jìn)入重視開發(fā)低水頭電站時(shí)期，在這一時(shí)期，燈泡貫流式機(jī)組技術(shù)達(dá)到成熟，至上世紀(jì)70年代，低水頭水力資源開發(fā)在一些國家形成了高潮，大型燈泡貫流式機(jī)組相繼問世，燈泡貫流式水電站建設(shè)也達(dá)到成熟發(fā)展的新階段。目前世界上已開發(fā)出了許多性能優(yōu)良的3葉片、4葉片、5葉片轉(zhuǎn)輪，而對(duì)于超低水頭領(lǐng)域的開發(fā)還處于起步階段。最近，由法國和加拿大合作研究的超低水頭小型水輪發(fā)電機(jī)組取得了新的突破。我國國內(nèi)第一臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組于1978年由重慶水輪機(jī)廠制造[1]，已成功用于渭沱水電站上游梯級(jí)的涪江安居水電站，運(yùn)行至今。20世紀(jì)80年代以來，燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組在我國的應(yīng)用日益普及，20 m水頭段以下已進(jìn)入實(shí)用性階段。國內(nèi)對(duì)超低水頭領(lǐng)域的研究也逐步深入，對(duì)2～4 m水頭的水輪發(fā)電機(jī)組已有研究和應(yīng)用實(shí)例，但大多集中在潮汐發(fā)電站或采用在豎井貫流式水輪機(jī)組[2]，況且兩葉片轉(zhuǎn)輪燈泡貫流式機(jī)組還停留在理論研究中[3-5]，實(shí)際應(yīng)用的實(shí)例還沒有。

3 改造中的技術(shù)路線及方案比較

技術(shù)路線：提出渭沱水電站水輪機(jī)組具體的改造方案，優(yōu)化水輪機(jī)葉片，通過物理模型試驗(yàn)進(jìn)行研究論證，最后對(duì)改造后的機(jī)組通過性能測試試驗(yàn)得以最終檢驗(yàn)。

根據(jù)電站基本參數(shù)，且鑒于該河段僅有2～4 m水頭，只有貫流式轉(zhuǎn)輪可以選擇。為滿足運(yùn)行要求，減小電站改造的投資，可以選擇機(jī)組更換葉片和整體改換水輪發(fā)電機(jī)組方案進(jìn)行改造。于是初擬了兩套改造比選方案：方案一。利用現(xiàn)有流道及水輪發(fā)電機(jī)組，僅將水輪機(jī)由4葉片改為2葉片，兩臺(tái)機(jī)組引用流量仍為2×200 m3/s。方案二。利用現(xiàn)有的流道尺寸，將水輪發(fā)電機(jī)組全部更換，改為國內(nèi)生產(chǎn)的水輪發(fā)電機(jī)組，兩臺(tái)機(jī)組引用流量為2×148.1 m3/s。根據(jù)以上兩個(gè)方案，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，方案一單位千瓦投資、單位電能投資均最省，遂最終推薦方案一。從兩葉片機(jī)組的應(yīng)用情況看，兩葉片機(jī)組目前在全球范圍內(nèi)僅在小容量、小尺寸潮汐電站中應(yīng)用，在內(nèi)河及電站技改中無應(yīng)用先例，特別是由四葉片機(jī)組改為兩葉片機(jī)組，有很多技術(shù)難題需要研究解決。

4 改造方案的實(shí)施

根據(jù)該電站的實(shí)際情況，針對(duì)渭沱水電站流道及水力特征參數(shù)，在不改變?cè)兴啓C(jī)流道、保持原額定轉(zhuǎn)速93.75 r/min、發(fā)電機(jī)不作改造，將原水輪機(jī)四葉片更換為新研發(fā)出的兩葉片，對(duì)不用的兩個(gè)原葉片位置用同輪轂線性一致的輪轂蓋密封，保留原水輪機(jī)輪轂，轉(zhuǎn)輪直徑仍為5.3 m不變。

對(duì)將原水輪機(jī)4葉片更改為兩槳葉方案有關(guān)可靠性問題進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并按照相關(guān)流道條件進(jìn)行了模型試驗(yàn)。在上世紀(jì)90年代，原水輪發(fā)電機(jī)組供應(yīng)商已針對(duì)渭沱水電站轉(zhuǎn)輪改造進(jìn)行過模型試驗(yàn)。試驗(yàn)是在四葉片轉(zhuǎn)輪輪轂上安裝兩個(gè)三葉片轉(zhuǎn)輪的葉片后進(jìn)行的，流道條件完全相同，試驗(yàn)相對(duì)成功，只是效率略低，因此，由四葉片機(jī)組改為兩葉片機(jī)組方案基本可行。

對(duì)于渭沱水電站轉(zhuǎn)輪，通過在三葉片轉(zhuǎn)輪葉片試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開發(fā)出了兩葉片轉(zhuǎn)輪葉片并進(jìn)行了模型開發(fā)及測試工作，模型試驗(yàn)通過第三方驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明其容積損失減小，機(jī)組運(yùn)行可靠，振動(dòng)幅度小，穩(wěn)定性好，實(shí)際效率將優(yōu)于預(yù)計(jì)的效率圖表，額定點(diǎn)原型機(jī)效率增加5個(gè)百分點(diǎn)以上。

通過進(jìn)一步的論證和研究后認(rèn)為：一是草街航電樞紐運(yùn)行后，尾水位提高，正常尾水位抬高至高程203.2 m，但與改造前的校核洪水位比較相差不大，對(duì)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)不構(gòu)成影響；二是改造后對(duì)主軸密封和檢修密封不構(gòu)成影響，故決定主軸密封和檢修密封不作改造；三是原水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速為302 rpm，改造后的水輪機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速為205 rpm，飛逸轉(zhuǎn)速減小較大，機(jī)組運(yùn)行相對(duì)安全；四是原水輪機(jī)最大水頭時(shí)軸向最大水推力為+/-2 500 kN，尾水位提高后，經(jīng)初步驗(yàn)算，改造后水輪機(jī)最大水頭時(shí)軸向最大水推力為+/-590 kN，軸向最大水推力減小較多，正、反推力軸承不須改造，可以滿足電站運(yùn)行需求；五是模型試驗(yàn)完全相同于渭沱電站流道條件，其流道型線和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)與渭沱電站一致，相對(duì)于原水輪機(jī)，流道的過流能力將受到一定影響，但仍能滿足在2.4 m額定水頭下過流200 m3/s的要求，在此流量時(shí)導(dǎo)葉開度為97.5%；六是改造后水輪機(jī)協(xié)聯(lián)關(guān)系發(fā)生改變，但在機(jī)組改造時(shí)僅作相應(yīng)調(diào)整即可解決；七是改造后調(diào)速器操作油壓不變，由于機(jī)組出力變小，調(diào)速功減小，原調(diào)速器不受影響，受油器不作改造；八是尾水位提高后，機(jī)組安裝高程不改變，機(jī)組吸出高度降低，對(duì)機(jī)組抗空蝕損壞有利；九是對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。

根據(jù)以上改造方案，2010年8月啟動(dòng)了改造工程，于2012年6月完成了兩臺(tái)機(jī)組的改造工作。

5 改造效果

改造完成后，安裝單位對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組、勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、機(jī)組流道等設(shè)備或單體進(jìn)行了試驗(yàn)、檢查和調(diào)試。完成了充水試驗(yàn)，手動(dòng)開停機(jī)試驗(yàn)，機(jī)組熱穩(wěn)定試驗(yàn)，機(jī)組空載試驗(yàn)及過速試驗(yàn)，自動(dòng)開停機(jī)試驗(yàn)，機(jī)組帶負(fù)荷試驗(yàn)，模擬事故信號(hào)停機(jī)及機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)等，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足要求。

2012年7月，完成了機(jī)組無水和有水調(diào)試，2012年8月1日，兩臺(tái)機(jī)組通過改造后的啟動(dòng)驗(yàn)收。經(jīng)過72 h試運(yùn)行和商業(yè)運(yùn)行，水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全穩(wěn)定，機(jī)組振動(dòng)、噪聲、機(jī)組出力滿足要求。

為了評(píng)估改造效果，2013年5月，我公司委托湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司對(duì)渭沱水電站改造后的機(jī)組進(jìn)行了水輪機(jī)出力及相對(duì)效率試驗(yàn)、空蝕磨損測試試驗(yàn)、穩(wěn)定性及水壓脈動(dòng)試驗(yàn)。測試結(jié)果表明：未發(fā)現(xiàn)明顯的空蝕部位，機(jī)組空蝕狀態(tài)良好，導(dǎo)水軸承擺度幅值在各工況下合格，機(jī)組燈泡頭水平振動(dòng)、發(fā)導(dǎo)徑向水平振動(dòng)、發(fā)導(dǎo)垂直振動(dòng)、發(fā)導(dǎo)軸向水平振動(dòng)、水導(dǎo)徑向水平振動(dòng)、水導(dǎo)垂直振動(dòng)在各工況下合格；水壓脈動(dòng)滿足保證值要求，機(jī)組無強(qiáng)振區(qū)。測試還發(fā)現(xiàn)：0～2 MW及3 MW以上負(fù)荷區(qū)間為振動(dòng)較大區(qū)，建議電廠合理調(diào)度，避免機(jī)組在0～2 MW區(qū)間運(yùn)行，在該區(qū)間運(yùn)行機(jī)組效率較低，振動(dòng)較大，在3 MW以上負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)的監(jiān)測，若出現(xiàn)大幅度變化(相同工況變化25%)，應(yīng)立即檢查處理。

自2012年8月改造后的機(jī)組投入運(yùn)行以來，機(jī)組已正常運(yùn)行5 a，未發(fā)生大的事故。經(jīng)了解，改造后的渭沱水電站年實(shí)際發(fā)電量約為5 500萬kW·h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原設(shè)計(jì)多年平均發(fā)電量3 808萬kW·h。

以上結(jié)果表明：對(duì)渭沱水電站進(jìn)行的改造是成功的。不僅充分利用了水力資源，創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，還填補(bǔ)了國內(nèi)外超低水頭兩葉片貫流式水輪機(jī)組應(yīng)用的空白。

6 結(jié) 語

兩葉片、超低水頭貫流式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)用在水電站改造中在國內(nèi)外實(shí)屬首次，無經(jīng)驗(yàn)可借鑒。通過改造，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組安全多年穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組性能、振動(dòng)和噪聲滿足預(yù)期目標(biāo)和要求。改造后的機(jī)組成功運(yùn)行也為我國充分利用超低水頭的殘余水力資源創(chuàng)造了可能。

渭沱水電站改造的成功，為今后超低水頭貫流式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行提供了成功的經(jīng)驗(yàn)，擴(kuò)大了水輪機(jī)組選型范圍，為超低水頭大流量水電站設(shè)計(jì)提供了借鑒，也為今后類似電站的改造提供了成功案例。同時(shí)，為充分利用水力資源，結(jié)合城市景觀和防洪要求，超低水頭燈泡貫流式機(jī)組的應(yīng)用前景十分廣闊，如松花江大頂子山航電樞紐工程采用三葉片燈泡貫流式機(jī)組已成功運(yùn)行10余a。

[1] 湯毅強(qiáng). 燈泡貫流式和軸伸貫流式水輪機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].東方電氣評(píng)論[J], 1990, 4(4): 274-278.

[2] 楊春霞, 鄭 源，等. 超低水頭豎井貫流式水輪機(jī)模型試驗(yàn)[J].水利水電科技進(jìn)展, 2012, 32(6): 87-90.

[3] 張 錚. 兩葉片雙向貫流式水輪機(jī)數(shù)值模擬[D].西安： 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[4] 馮明哲. 貫流式水輪機(jī)兩葉片轉(zhuǎn)輪的適用性研究[D].西安：西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[5] 周晨陽. 兩葉片燈泡貫流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)及流動(dòng)分析[D].廣州：華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2014.

TV7;TV737;TV738

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1001-2184(2017)05-0096-03

2017-01-10

程 奇(1965-)，男，重慶市人，高級(jí)工程師，碩士，從事水電及水運(yùn)工程建設(shè)技術(shù)與管理工作；

鄭 祿(1965-)，男，吉林舒蘭人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事水電及水運(yùn)工程建設(shè)機(jī)電設(shè)備技術(shù)與管理工作；

王承恩(1984-)，男，四川通江人，高級(jí)工程師，碩士，從事水電及水運(yùn)工程建設(shè)技術(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯李燕輝)