大黑汀水電站1 號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)槳改定槳技術(shù)分析

劉建波，董云豐，毛軍麗、付萬(wàn)珊，武金輝

（海委引灤工程管理局大黑汀水庫(kù)管理處，河北 唐山064300）

1 概況

1.1 基本情況

大黑汀水電站包括渠首電站和河床電站，其中渠首電站位于引灤總干渠渠首，安裝天津發(fā)電設(shè)備廠生產(chǎn)的4 臺(tái)（1～4 號(hào)機(jī)組）單機(jī)容量為3 200 kW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，向天津、唐山兩大城市供水時(shí)發(fā)電。水輪機(jī)型號(hào)為ZZ560-LH-250，發(fā)電機(jī)型號(hào)為T(mén)S425-32/32。2014 年通過(guò)電站增效擴(kuò)容改造工程，將2 號(hào)和4 號(hào)機(jī)組由軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組更新改造為軸流定槳式機(jī)組，更新了新型軸流定槳式轉(zhuǎn)輪，機(jī)組容量由3 200 kW 增容至3 500 kW。

1號(hào)機(jī)組是天津發(fā)電設(shè)備廠1975年制造的產(chǎn)品。

水輪機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)：型號(hào)ZZ560-LH-250，額定出力3 370 kW，設(shè)計(jì)水頭11 m，最大水頭14 m，最小水頭6 m，額定流量37 m3/s，額定轉(zhuǎn)速187.5 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速437 r/min。

發(fā)電機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)：型號(hào)TS425/32-32，額定功率3 200 kW，額定電壓6 300 V，額定電流366.6 A，額定頻率50 Hz，功率因數(shù)0.8，額定勵(lì)磁電壓100 V，額定勵(lì)磁電流447 A，額定轉(zhuǎn)速187.5 r/min。

1.2 1 號(hào)機(jī)組存在的主要缺陷

2019 年5 月12 日20：35，1 號(hào)機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)滑環(huán)處甩油現(xiàn)象，20：45 機(jī)組停機(jī)。檢查后綜合分析確認(rèn)，發(fā)電機(jī)組的主軸內(nèi)操作油管路發(fā)生嚴(yán)重串油現(xiàn)象，機(jī)組已無(wú)法正常運(yùn)行。

2 1 號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)槳改定槳改造方案

當(dāng)時(shí)正值供水發(fā)電期間，機(jī)組停運(yùn)可能造成棄水，損失經(jīng)濟(jì)效益。正常檢修相當(dāng)于機(jī)組擴(kuò)修，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，錯(cuò)過(guò)放水發(fā)電時(shí)機(jī)。經(jīng)綜合研究決定對(duì)機(jī)組進(jìn)行搶修處理。

電站采取在不擴(kuò)修的情況下，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)坑內(nèi)將轉(zhuǎn)輪由轉(zhuǎn)槳改為定槳運(yùn)行，即斷開(kāi)了轉(zhuǎn)輪槳葉操作油源，又解決了轉(zhuǎn)輪漏油問(wèn)題。具體做法：將槳葉和轉(zhuǎn)輪體焊死，同時(shí)對(duì)調(diào)速器和測(cè)速裝置進(jìn)行相應(yīng)改造，在原轉(zhuǎn)輪的基礎(chǔ)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，盡快恢復(fù)機(jī)組正常運(yùn)行。

3 轉(zhuǎn)槳改定槳建議的合理性基礎(chǔ)

此前2 號(hào)、4 號(hào)機(jī)組已經(jīng)由軸流轉(zhuǎn)槳改為軸流定槳，額定水頭12.5 m，運(yùn)行穩(wěn)定。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，大黑汀水庫(kù)春、秋供水期，庫(kù)水位在130.0～132.5 m區(qū)間概率較大，在11 m 水頭下，設(shè)計(jì)1 號(hào)機(jī)組軸流定槳轉(zhuǎn)輪槳葉角度，可以滿足渠電機(jī)組在不同水頭下正常運(yùn)行。

由于大黑汀水庫(kù)是由上游潘家口水庫(kù)進(jìn)行水位調(diào)節(jié)，供水期間水庫(kù)水位變化不大。電站可以由1臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組和3 臺(tái)軸流定槳機(jī)組組合運(yùn)行。運(yùn)行時(shí)將定槳機(jī)組和轉(zhuǎn)槳機(jī)組優(yōu)化組合，合理運(yùn)用，可以收到較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 轉(zhuǎn)槳改定槳槳葉角度技術(shù)分析

4.1 分析采用的基本計(jì)算公式

我們采用水輪機(jī)通用的計(jì)算公式如下：

4.2 水輪機(jī)額定工況的計(jì)算確定

目前2 號(hào)、4 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪型號(hào)為ZDJP502-LH-250，額定水頭12.5 m，最大水頭14.5 m。

根據(jù)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的運(yùn)行模式，在不同水頭H及過(guò)流量Q情況下，水輪機(jī)應(yīng)按照某一給定的最優(yōu)規(guī)律曲線運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪葉片的安放角β與活動(dòng)導(dǎo)葉的開(kāi)度α隨工況變化來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)行規(guī)律的必要條件和手段。

在電站水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，調(diào)速機(jī)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的安放角β和活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度α均是按最大值的百分比來(lái)顯示（即相對(duì)開(kāi)度）。為了能相對(duì)比較準(zhǔn)確的確定水輪機(jī)額定工況（H=11 m、Nr=3 370 kW）條件下，轉(zhuǎn)輪葉片的安放角βr值，我們根據(jù)ZZ560-46水輪機(jī)模型綜合特性曲線進(jìn)行計(jì)算，可得到表1 能量數(shù)據(jù)。

從圖1 可以查得，在電站設(shè)計(jì)額定水頭Hr=11 m（額定點(diǎn)單位轉(zhuǎn)速nr11=141.33 r/min）、水輪機(jī)發(fā)額定出力Nr=3 370 kW 情況下，水輪機(jī)額定點(diǎn)效率為ηrh=85.55%（本計(jì)算中暫不進(jìn)行效率修正），計(jì)算額定點(diǎn)流量為Qr=36.58 m3/s（額定點(diǎn)單位流量Qr11=1.765 m3/s），從而查得額定工況點(diǎn)水輪機(jī)槳葉實(shí)際位置度為βr≈14°，此時(shí)活動(dòng)導(dǎo)葉的絕對(duì)開(kāi)口為T(mén)r≈170 mm（模型與真機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)均為24 片），根據(jù)圖紙查出，電站實(shí)際活動(dòng)導(dǎo)葉的最大絕對(duì)開(kāi)口為217 mm。依此推算：額定工況對(duì)應(yīng)儀表顯示100%的活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度αr≈80%。則：

額定工況槳葉實(shí)際位置度為βr≈+14°；

額定工況活動(dòng)導(dǎo)葉相對(duì)開(kāi)度為αr≈80%。

表1 額定水頭Hr=11 m 時(shí)能量指標(biāo)計(jì)算

圖1 H=11 m 水輪機(jī)能量曲線

4.3 根據(jù)2 號(hào)機(jī)組真機(jī)試驗(yàn)槳葉角度校核計(jì)算角度

2011 年12 月13 日由汀管處、北京中水科工程總公司、天津發(fā)電設(shè)備總廠科技開(kāi)發(fā)中心聯(lián)合進(jìn)行的2 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)槳改定槳真機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論計(jì)算確定的槳葉角度為14°（H=11 m）時(shí)，機(jī)組運(yùn)行出力和運(yùn)行工況是比較合適的。

2011 年12 月13 日上午開(kāi)始正式試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)電站上游水位為131.43 m，下游水位為119.1 m，毛水頭約H毛=12.33 m，在試驗(yàn)過(guò)程中毛水頭H毛在12.0～12.5 m之間變化。根據(jù)大黑汀機(jī)組過(guò)流通道損失計(jì)算，機(jī)組在額定工況發(fā)電時(shí)，計(jì)算工作水頭約為Hg=10.9～11.2 m 范圍，為方便我們?nèi)」ぷ魉^Hg=11 m 做比較分析，按2 號(hào)機(jī)組現(xiàn)設(shè)定的協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)行，機(jī)組帶負(fù)荷至3 200 kW 時(shí)，槳葉開(kāi)度βr≈14°（與計(jì)算結(jié)果基本吻合），根據(jù)此結(jié)果確定試驗(yàn)漿葉β≈15.5°、14°、13.5°、12°這4 個(gè)角度下進(jìn)行定槳試驗(yàn)，能量試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 不同槳葉角度能量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

定槳啟動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度α≈33～35°范圍，機(jī)組改為定槳運(yùn)行后，機(jī)組啟動(dòng)開(kāi)度會(huì)相應(yīng)增大2%～3%左右。

機(jī)組定槳運(yùn)行時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度50%范圍附近有不穩(wěn)定工況出現(xiàn)，在55%～60%時(shí)消失。

5 轉(zhuǎn)槳改定槳現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工藝措施

5.1 改定槳轉(zhuǎn)輪葉片角度的定位分析

本次轉(zhuǎn)槳改定槳的基本要求是保持現(xiàn)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)以及葉片不變，在原有軸流轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪基礎(chǔ)上進(jìn)行。

根據(jù)水力計(jì)算分析以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定的轉(zhuǎn)槳改定槳葉片角度，該角度的定位是根據(jù)改造前試驗(yàn)測(cè)量的接力器活塞位置與采用測(cè)量工具來(lái)確定葉片的這一角度。然后采用U 型定位塊將葉片和轉(zhuǎn)輪體焊接在一起的方法固定（見(jiàn)圖2 中“1”），使葉片在設(shè)計(jì)給定的角度下定槳運(yùn)行。

圖2 定槳葉片角度焊接固定示意圖

5.2 焊接材料

大黑汀電站轉(zhuǎn)輪葉片的材料為ZG1Cr13 鑄鋼，轉(zhuǎn)輪體的材料為ZG25Ⅱ鑄鋼，由于ZG1Cr13 屬于馬氏體型不銹鋼可焊性差，故在U 型定位塊與轉(zhuǎn)輪體和葉片焊接時(shí)分別采用兩種焊條進(jìn)行焊接。U 型定位塊與轉(zhuǎn)輪體的焊接，采用的是E5516 焊條。U 型定位塊與葉片焊接，焊條采用E1-30-9 不銹鋼焊條。

5.3 改定槳葉片角度定位的技術(shù)措施

轉(zhuǎn)輪葉片角度確定：將槳葉角度調(diào)至按試驗(yàn)確定的角度（在槳葉上用千斤頂動(dòng)作槳葉至槳葉開(kāi)度14°），然后采用專(zhuān)用測(cè)量工具或組合樣板，準(zhǔn)確調(diào)整槳葉角度至設(shè)計(jì)確定的角度。

首先將不同直徑圓鋼塞焊于槳葉進(jìn)水邊與轉(zhuǎn)輪體之間的空隙，然后沿槳葉周邊把焊接U 型定位塊與轉(zhuǎn)輪體焊接在一起，把槳葉與U 型定位塊焊接在一起。

5.4 調(diào)速器及測(cè)速裝置改造

（1）調(diào)速器改造

為了保證機(jī)組轉(zhuǎn)輪由轉(zhuǎn)槳運(yùn)行改成定漿運(yùn)行，還要適當(dāng)對(duì)調(diào)速器進(jìn)行改造。將雙調(diào)節(jié)調(diào)速器改為單調(diào)節(jié)調(diào)速器，改造部位如下：

液壓隨動(dòng)系統(tǒng)中切斷配壓閥殼體內(nèi)漿葉受油器油路，改造部位：漿葉主配壓閥襯套、輔助活塞等。

（2）測(cè)速裝置改造

操作油管油路切斷后，受油器軸瓦無(wú)油潤(rùn)滑，需要拆除軸瓦。為了防止小軸擺度超標(biāo)，拆除永磁機(jī)花鍵，永磁機(jī)無(wú)法提供測(cè)速信號(hào)，需要在小軸上安裝1 套齒盤(pán)測(cè)速裝置，用來(lái)測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速，將測(cè)速信號(hào)送入LCU，實(shí)現(xiàn)機(jī)組實(shí)時(shí)監(jiān)控。

6 實(shí)施效果及經(jīng)濟(jì)效益分析

2019 年9 月6 日17：30，1號(hào)機(jī)組開(kāi)始往天津供水發(fā)電，9 月9 日16：00 停機(jī)，9 月16 日上午9：00開(kāi)機(jī)，2019 年10 月10 日10：00 結(jié)束，期間累計(jì)運(yùn)行27 d，累計(jì)發(fā)電158 萬(wàn)kW·h。1 號(hào)機(jī)組結(jié)合往天津供水進(jìn)行帶負(fù)荷發(fā)電，在供水期間機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)參數(shù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)正常。1 號(hào)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)如下：有功：3 100 kW；無(wú)功：1 300 kW；勵(lì)磁電流：390 A；壩前水位：131.92 m；尾水位：119.1 m；導(dǎo)葉開(kāi)度：90%。

1 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)槳改定漿現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施投資共3.6 萬(wàn)元，2019 年9 月6 日至2020 年4 月28 日，已安全運(yùn)行966 h，累計(jì)并網(wǎng)發(fā)電270 萬(wàn)kW·h，按現(xiàn)行的電價(jià)（0.42元/kW·h），共創(chuàng)收113.4萬(wàn)元，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)行實(shí)踐證明：大黑汀水電站1 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)槳改定漿是成功的，機(jī)組穩(wěn)定性、效率、出力等均達(dá)到了改造的預(yù)期效果。1 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)槳改定槳成功實(shí)施，即解決了操作油管串腔問(wèn)題，又解決了轉(zhuǎn)輪多年漏油問(wèn)題，短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)了機(jī)組運(yùn)行，投資少，見(jiàn)效快，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

（1）對(duì)城市生活供水水質(zhì)要求越來(lái)越高，而軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)常因轉(zhuǎn)槳密封機(jī)構(gòu)的磨損或其他故障而漏油，易造成水源污染，對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行軸流轉(zhuǎn)漿改定槳改造是解決漏油問(wèn)題、清除油污染的有效方法。

（2）對(duì)于原設(shè)計(jì)電站由多臺(tái)單一軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況，通過(guò)機(jī)組改造為由軸流定槳式和軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組混合運(yùn)行方式，可以?xún)?yōu)化電站的運(yùn)行方式，提高效率，減少電站的運(yùn)行維護(hù)成本。