水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的增效擴(kuò)容改造技術(shù)

李勇軍 四川雅電發(fā)電有限責(zé)任公司

一、引言

目前，我國(guó)發(fā)電站的能力已經(jīng)與日益增長(zhǎng)的用電量需求不相適應(yīng)，如果發(fā)電站技術(shù)以及發(fā)電能力不能跟上時(shí)代發(fā)展的需要，不僅影響到人們的生活質(zhì)量，而且也會(huì)阻礙社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展?，F(xiàn)階段，火力發(fā)電站增在向清潔發(fā)電技術(shù)轉(zhuǎn)型，而大部分建設(shè)時(shí)期較早的水電站也存在諸多的問題。這些建設(shè)時(shí)期較早的水電站，受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件和資金條件的限制，不僅投入建設(shè)規(guī)模小，而且技術(shù)相對(duì)落后，如今逐漸暴露出設(shè)備老舊、水輪機(jī)組容量低、發(fā)電效率下降等問題，亟須技術(shù)迭代、擴(kuò)容增效。水力發(fā)電屬于清潔的發(fā)電技術(shù)，但受到地理?xiàng)l件限制，增設(shè)新的水電站遠(yuǎn)不如對(duì)老舊水電站升級(jí)改造劃算。對(duì)老舊水電站升級(jí)改造既可以促進(jìn)節(jié)能減排，保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境，同時(shí)，也可以消除老舊水電站的安全隱患，為此，針對(duì)老舊水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的擴(kuò)容增效升級(jí)改造已經(jīng)成為目前水電站改造項(xiàng)目的重要內(nèi)容。

二、水電站水輪機(jī)存在的主要問題

水輪機(jī)組是水利工程發(fā)電的核心設(shè)備，水電站發(fā)電主要靠水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由流水帶動(dòng)的機(jī)械能最終轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。水輪機(jī)組的設(shè)計(jì)容量、安全性能直接影響著水電站的發(fā)電效率，現(xiàn)對(duì)我國(guó)老舊水電站水輪機(jī)組中主要存在的問題分析如下，以便針對(duì)性地進(jìn)行擴(kuò)容改造。

（一）水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)落后，發(fā)電效率及安全性能較差

目前，我國(guó)大多數(shù)水電站存在設(shè)計(jì)參數(shù)落后的問題，尤其在20 世紀(jì)90 年代以前建造的水電站，現(xiàn)在發(fā)電能力和發(fā)電效率出現(xiàn)嚴(yán)重下降趨勢(shì)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需求。主要原因在于，受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)條件與發(fā)電技術(shù)的限制，我國(guó)自主研發(fā)能力較弱，水電站設(shè)計(jì)技術(shù)主要依靠國(guó)外技術(shù)支持，且受限于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的落后以及當(dāng)時(shí)低水平用電量的現(xiàn)狀，在設(shè)計(jì)水輪機(jī)組容量參數(shù)等方面相對(duì)保守，例如在早期一批建設(shè)的水電站中選用的HL160、HL220、HL240 等型號(hào)的水輪機(jī)組，均為前蘇聯(lián)或美國(guó)淘汰的技術(shù)，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)技術(shù)均比較落后，加之我國(guó)早期設(shè)計(jì)的水電站裝機(jī)容量相對(duì)較小，設(shè)計(jì)參數(shù)沒有超前意識(shí)，導(dǎo)致現(xiàn)在水輪機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)電效率很低，運(yùn)行過程中的水力穩(wěn)定性也較差，在新時(shí)代發(fā)展背景下，難以撐起現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展用電的需求，需要進(jìn)行擴(kuò)容增效改造。

（二）水輪機(jī)選用材質(zhì)較差，設(shè)備遭侵蝕和老化嚴(yán)重

受到水力發(fā)電站水輪機(jī)組工作環(huán)境的影響，水輪機(jī)組材料選用上需要針對(duì)性設(shè)計(jì)。這是因?yàn)?，長(zhǎng)期處于水下環(huán)境運(yùn)行，受到泥沙、空蝕等惡劣的工作條件影響，導(dǎo)致水輪機(jī)組磨損、腐蝕等問題頻繁出現(xiàn)[1]。早期的水輪機(jī)組材料設(shè)計(jì)選型時(shí)沒有考慮到這些破壞因素的影響，通常選用諸如ZG30、ZG35等型號(hào)的碳鋼材料，這些材料抗磨損、抗腐蝕能力不高，長(zhǎng)期在水下運(yùn)行作業(yè)時(shí)很容易受到破壞，導(dǎo)致設(shè)備遭侵蝕老化嚴(yán)重。目前，大多數(shù)老舊型號(hào)的水輪機(jī)組出現(xiàn)腐蝕或磨損破壞后，需要進(jìn)行修復(fù)措施，通過補(bǔ)焊、補(bǔ)強(qiáng)等措施進(jìn)行修復(fù)時(shí)，由于基礎(chǔ)材料較差，補(bǔ)焊后熱處理?xiàng)l件不足，很容易導(dǎo)致水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片變形問題，且補(bǔ)焊后再次開裂現(xiàn)象也頻繁出現(xiàn)。以上問題頻繁出現(xiàn)，不僅發(fā)電效率低下、過流能力及發(fā)電穩(wěn)定性嚴(yán)重不足，而且反復(fù)修補(bǔ)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，鑒于此，及時(shí)更換新材料新工藝制造的水輪組，對(duì)水輪機(jī)組轉(zhuǎn)輪徹底更新升級(jí)才是最優(yōu)的改造方案。

（三）水輪機(jī)設(shè)計(jì)和選型差，不能處于最優(yōu)模式運(yùn)行

與火力發(fā)電不同，水力發(fā)電需要依靠水的流速落差帶動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電。因此，水力發(fā)電站選型設(shè)計(jì)需要依據(jù)河流流量、水電站水頭等地質(zhì)條件進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，通過分析研究河流水域條件，從而確定水電站裝機(jī)容量，在設(shè)計(jì)選型時(shí)規(guī)劃相適應(yīng)的水輪機(jī)組數(shù)量，才能保證水電站運(yùn)行時(shí)處于高效率、最優(yōu)化的運(yùn)行模式。此外，我國(guó)目前的水電站水輪機(jī)組主要采用的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片，該形式設(shè)計(jì)定型以后，位置是固定死的，不能隨時(shí)調(diào)整葉片角度，因此，設(shè)計(jì)選型時(shí)必須根據(jù)選型水流角度計(jì)算好水輪葉片與水流狀態(tài)相匹配的角度，即確保水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪處于最優(yōu)的工作區(qū)域，否則水輪機(jī)組工作效率就會(huì)大打折扣。這是因?yàn)?，?dāng)水輪機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片角度與水流狀態(tài)不適應(yīng)時(shí)，水流在繞流葉片時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致葉片受渦流震動(dòng)影響而出現(xiàn)穩(wěn)定性較差的問題。早期水電站設(shè)計(jì)時(shí)并沒有依據(jù)不同的選址特點(diǎn)對(duì)水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析研究，通常是根據(jù)其他水電站設(shè)計(jì)形式套用設(shè)計(jì)相近的水輪機(jī)組，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片角度與水流角度不適用，從而出現(xiàn)選型設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)膯栴}，嚴(yán)重影響水電站的發(fā)電效率[2]。

三、水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造技術(shù)分析

已經(jīng)運(yùn)行的水電站，在進(jìn)行擴(kuò)容增效改造時(shí)，需要根據(jù)水電站設(shè)計(jì)建設(shè)條件、地質(zhì)環(huán)境影響因素等多方面限制條件考慮，權(quán)衡利弊，并做出最優(yōu)的改造方案。為此，針對(duì)水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造時(shí)必須遵循基本的方法步驟，掌握改造技術(shù)要點(diǎn)，以達(dá)到擴(kuò)容增效的實(shí)際目的。

（一）研究實(shí)際工況，分析影響因素

針對(duì)某老舊發(fā)電站進(jìn)行水輪機(jī)組轉(zhuǎn)輪擴(kuò)容增效改造時(shí)，必須及時(shí)了解該水電站的實(shí)際運(yùn)行情況，全面分析水電站運(yùn)行情況、水文地質(zhì)情況等影響因素，對(duì)水電站水輪機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、影響因素等進(jìn)行全面了解，出具研究報(bào)告，為查找問題、制定改造策略提供參考依據(jù)。為此，必須對(duì)水電站的運(yùn)行情況進(jìn)行全面巡檢排查，包括原水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)選用材質(zhì)等以及水電站水輪機(jī)組的運(yùn)行方式、運(yùn)行特點(diǎn)等，同時(shí)，對(duì)當(dāng)?shù)厮娬就两ㄇ闆r、電站所處河流水流流速和水量變化等情況。越是了解全面、透徹，對(duì)于后期改造升級(jí)方法的制定就越有利。為此，改造技術(shù)人員必須做好前期的勘驗(yàn)工作，對(duì)水電站的實(shí)際工況進(jìn)行全面了解，對(duì)水電站設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)計(jì)變更情況、運(yùn)行過程中存在的問題等都要了解仔細(xì)，必要時(shí)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，對(duì)比與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)存在的差異，務(wù)必做好前期準(zhǔn)備工作。

（二）查找存在問題，明確改造條件

有了上述前期充分完善的準(zhǔn)備工作，根據(jù)出具的調(diào)研分析報(bào)告，對(duì)水電站運(yùn)行中存在的問題進(jìn)行分析總結(jié)，查找當(dāng)前水輪機(jī)組存在的實(shí)際問題，并明確符合實(shí)際工況的改造條件。水輪機(jī)組轉(zhuǎn)輪問題影響因素很多，主要包括設(shè)計(jì)參數(shù)、材質(zhì)、葉片結(jié)構(gòu)、水流條件等，工作人員必須確定水電站改造急需解決的實(shí)際問題，并明確實(shí)際具備的改造條件，從而對(duì)癥下藥，制定合理的改造方案，確保改造技術(shù)實(shí)施過程的順利。當(dāng)查找問題原因以后，工作人員必須進(jìn)一步分析改造的限制條件，確保問題能夠通過改造順利解決。為此，首先，要對(duì)水輪機(jī)組結(jié)構(gòu)、尺寸問題進(jìn)行分析，分析更改結(jié)構(gòu)尺寸的可行性或必要性；其次，依據(jù)項(xiàng)目水流情況和水量變化情況，對(duì)發(fā)電機(jī)組容量問題進(jìn)行分析，考慮擴(kuò)容增效的可行性；再次，對(duì)葉片、轉(zhuǎn)輪主軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，考慮更換葉片或主軸型號(hào)、材質(zhì)的必要性[3]。

（三）制定最優(yōu)方案，確保改造成功

水輪機(jī)組改造的最優(yōu)方案要根據(jù)該水電站現(xiàn)有存在問題及改造條件而定，通過綜合分析，制定改造費(fèi)用小、改造周期短、擴(kuò)容增效效果顯著的最優(yōu)方案。為此，首先，通過上述兩處技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)水輪機(jī)組運(yùn)行水質(zhì)、水頭、流速、流量等基礎(chǔ)條件進(jìn)行全面分析，經(jīng)過計(jì)算、驗(yàn)算、校核等確定該水電站水輪機(jī)設(shè)計(jì)最優(yōu)工況點(diǎn)所需的單位轉(zhuǎn)速和流量，并進(jìn)行轉(zhuǎn)輪改造所需的水力設(shè)計(jì)等，以此確定需要改造的邊界條件；其次，對(duì)上述設(shè)計(jì)。驗(yàn)算分析所得的設(shè)計(jì)邊界條件進(jìn)行反復(fù)修正計(jì)算，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，直至達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)目的；再次，根據(jù)實(shí)際改造所需邊界條件以及需要達(dá)到的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)水輪機(jī)組狀況進(jìn)行分析，根據(jù)存在的實(shí)際問題逐一改造修復(fù)，如升級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)、改進(jìn)葉片或轉(zhuǎn)輪主軸型號(hào)和材質(zhì)等，必要時(shí)對(duì)水輪機(jī)組重新進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，確保水輪機(jī)組擴(kuò)容改造升級(jí)成功。

四、結(jié)束語

水電站水輪機(jī)組擴(kuò)容增效改造是一項(xiàng)利國(guó)利民的重大工程，面對(duì)當(dāng)前社會(huì)對(duì)電力能源的巨大需求，政府必須重視老舊水電站改造升級(jí)問題，通過分析存在的實(shí)際問題和改造條件，合理確定擴(kuò)容增效改造方案，從而提高老舊水電站的發(fā)電能力和發(fā)電效率。