荣桓电站改造分析

孙江 周学均 马恩君

摘 要：文章通过对荣桓电站改造的说明，提出了仅改造水轮机转轮及相关件来提高机组过流能力、增加电站效益的改造思路，阐明了贯流式水电站水轮机改造的方法，对同等条件及类型的电站改造提供了依据。

关键词：电站改造；贯流式电站；水轮机

荣桓水电站是以罗荣桓元帅名字命名的中型径流式水电站，位于湘江一级支流—— 水的高湖渡口，由于目前上游电站的设计流量大于荣桓电站流量，在上游电站额定运行时，荣桓电站需要弃水，导致资源浪费，因此，需要对电站进行增容改造，以提高机组的过流能力，减少弃水，进一步提高电站效益。

荣桓电站机组部分改造方案初步确定为将转轮更换，发电机定子及转子更换，调整机组转速，并对其余部件进行适当修复，从而保证整体匹配，在改造后实现增容的目标。

1 改造前后对比

1.1 选型参数对比

荣桓电站原转轮为天津发电设备总厂的TF08转轮，研制于上世纪80年代，综合效率尚可，但是机组在大流量时震动较大，目前改造时采用经过优化后的TF08C转轮，两转轮对比参数见表1。

表1 原转轮与新转轮相关参数对比表

由表1可以看出，相对于老转轮，新转轮轮毂比较小，导叶高度较原转轮小，但是相差不大，选用新转轮后，机组过流能力加大，从而保证能够有较大的机组出力。

1.2 流道对比

原流道与新转轮流道相比（均按3.3m转轮直径设计），新转轮外缘按照3.35m设计。

表2 两转轮按模型流道换算后流道对比

从表2看出，两个模型转轮换算的流道进口尺寸基本一致，流道出口尺寸有一定差别，新转轮流道出口尺寸大，从理论上说回能性能更好。

1.3 导叶至桨叶段对比

由于新转轮桨叶轮毂比小，因此，對桨叶至导叶段内侧流道进行了修改，对比如图1所示。

图1中粗线为原流道，细线为改造后流道。

1.4 导叶对比

改造时没有对导叶进行修改，从对比上看，导叶尾部翼型相差不大，头部有一定出入，对比图如图2所示。

图2 改造前后导叶型线对比

图2中A区域为原导叶，B区域为新转轮导叶，对比可以看出，新导叶头部短，并且相对曲率小。

1.5 流道渐变段比较

相对于新转轮，原转轮在流道渐变段有两个拐点，而新转轮流道只有一个拐点（见图3），从理论上说，原流道突变量小，流动应更加平滑。也就是说，原流道在渐变点的处理上更加先进，但是就是现场施工相对较困难。

图3 新旧转轮流道渐变段对比

图3中粗实线为原渐变位置流道，细实线为新转轮渐变位置流道。

从流道对比可以看出，进口段流道尺寸相差不大，包括在渐变位置，其相差都不大，但是在出口位置，新流道的出口扩散角大，同时出口断面比原流道大，因此，在相同流量下，如果采用新转轮安装于原流道上，可能会出现因为出口流速高而导致的机组回能系数不足，机组效率下降，但是在设计点附近，出口流速为2.5m/s，与现在通用的设计参数相比比较切合，可以满足要求。综合上述，从理论上分析，新的改造可以满足要求。

2 改造实际实施措施

由于文章仅讨论水轮机改造，发电机改造相关内容文章不做描述。根据初步方案，制定详细的改造措施如下。

2.1 转轮

转轮是水轮发电机组的核心部件，其作用是将水力能转换为机械能，并通过主轴传递给发电机转子，最后转换成电能。

更换全新转轮，转轮型号GZTF08C，转轮名义直径φ3.35m。叶片可根据水头及负荷通过调速器自动调整并与导叶协联，以保证在各种工况下均具有最佳效率。新转轮过流能力明显提高，所需调速功也有所增加，为可靠操作桨叶。将调速器、油压装置工作压力等级调升至4.0MPa。新转轮轮毂比为0.3，三叶片，冲压式结构。转轮装配包括转轮体、叶片、叶片操作系统、泄水锥等。

叶片操作系统采用充压式——活塞操作架合一的结构，活塞位于转轮体后部用卡环与活塞杆连接，由受油器的开关油腔压力油推动活塞运动，再通过耳柄、连杆、转臂操纵叶片转动。

改造后的操作系统采用新的密封和导向结构。原叶片操作系统采用活塞配铸铁密封环、配导向键的转轮体桨叶操作机构，由于设计、制造、安装和运行的原因，极易造成活塞与转轮体接力器缸体的间隙过小，甚至为硬性直接接触，造成损伤缸体，即所谓拉缸现象。而且这种结构由于三道活塞环在同方向开口，活塞与导向键三面均有一定间隙，也容易造成转轮体内部串油较大。许多电站均不同程度的出现拉缸情况。在每次损伤后的盘车检查中发现活塞与转轮体缸体内壁底部没有间隙。同时这种损伤均造成转轮体活塞串油严重，油压装置油泵启动频繁，机组运行不稳定。对电站运行十分不利。

新叶片操作系统活塞密封采用整圈的具有自补偿功能的标准孔用方形圈（GSF），配2个导向环，使活塞与转轮体不直接接触，避免了接触损伤转轮体接力器缸。此结构是液压行业成熟结构，密封性能良好。从而彻底解决了由于转轮体接力器缸损伤和由活塞环导向键密封不良造成的漏油和窜油问题。大大延长转轮体接力器缸使用寿命，有效延长油压装置油泵启动时间。对机组检修和运行都十分有利。

2.2 导水机构装配

根据新的技术要求，由于转轮操作油压调整，同时根据新转轮特性，增加导叶开度，因此采用新接力器，将工作压力调升至4.0MPa，以满足操作力和行程要求。在导叶套筒原件上新加工密封沟槽，采用新型JMF密封件，解决导叶轴头漏水问题。根据导叶型线对比，导叶返厂进行修型，将导叶型线按照新的导叶型线加工，采用数控加工，以有效的保证型线精度。

2.3 埋入部分

改造后的转轮装配转轮直径为φ3350mm，为满足转轮流道要求，需要更换新的转轮室，转轮室上方叶片转动球面部分，120°范围内采用不锈钢材料，其余部分材料采用Q235A。

2.4 主轴改造（原件上加工）

改造后的转轮装配轮毂比由原来的0.4调整为0.3，流道明显加宽，与主轴法兰配合处直径由原来的φ1126调整为φ996，为适应新流道要求，需要在原主轴基础上进行修复及深加工。

包括：（1）修复、配车与主轴密封配合段。（2）并按新转轮重新配车法兰、补孔、镗孔、配制销孔需要深加工的部位。

2.5 主轴密封

原密封结构不能适应新转轮过流能力要求，因此需要改造密封结构。主轴工作密封为戈尔盘根填料式密封，衬套为不锈钢制造，密封漏水由排水管自流排至集水井，检修密封为空气围带式，工作压力为0.7MPa。

3 结束语

荣桓电站改造首台机组于2012年8月15日并网发电，经过调试后，机组出力相对原机组出力增加150～300kw，达到了预期目标，改造成功。

通过实际运行发现，改造后机组出力明显大于原出力，同时机组运行稳定，噪音小于原机组，改造效果良好。本次改造的成功可以为同类型机组的改造提供实际案例。

参考文献

[1]哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册[Z].1975.

[2]水轮机原理及水力设计[M].北京：清华大学出版社，1991，9.

[3]邵卫云.转轮叶栅参数对贯流式水轮机性能的影响[J].河海大学学报，1997，25（2）：3.