小水电站运行存在问题及技改措施分析

袁永新

【摘要】文章结合笔者近年工作实践，对农村小小电站技改及措施提出个人观点，供参考。

【关键词】小水电站；技改；实例介绍

农村小水电站技改具有投资少、见效快、效益高的特点。对现有许多农村小水电站的技改既可增大电能的供应量，又可对生态不造成新的影响。同时还可获得丰厚的投资回报。清远市某水电站投产后，集中出现了一些小型水电站经常出现的几种典型问题（如机组有时出现微小振动、出力不足、发电机经常中性电流过大），要通过技改方能解决机组出力不足的问题，要通过挖潜创新才能增效。清远市某小水电站于2000年投入生产，设计水头119m，装机容量3×1250kW，设计年发电量1640万kwh。水轮机型号HLA179—WJ—84，发电机型号SFW1250—8/1430。由于种种原因，电站建成投产后，虽是新建电站，但实际运行时仍然存在许多问题，电站的单机最大出力仅为1200kw，3台合计最大出力也只约3630kw，与额定出力相差约120kw。就2007年5月来说，整月水量充沛（前池溢洪渠一直有水溢流），在3台机组运行正常，且没有出现停机情况下，月平均出力只有2520kw.h，仅当月发电量就比邻近相同装机容量（3000kw）的水电站的月发电量仅多300kw.h，效益很不理想。

笔者经深入分析计算、查阅有关资料、对照论证查找该电站的存在问题和原因，并研究解决问题的办法，建议该电站实施技改。

一、存在问题

该水电站上游水电站，渠道最大过水流能力为1.97KM3/s，当日实测放水流量为1.89m3/s（机组最大过量）。经实测电站毛水头为118.182m，当日满带3台机，经观察压力表指针为6kg压力，压力管前段直径为1.4m，渠道设计过流量为4.6m3/s。 当水轮机的调整器开度达到接近60°开度时，水轮机出现较为严重的水能震荡，随开度增大震荡加剧，且出力没有明显增加，震荡时尾水颜色变白、伴有大量气泡出现，单机运行机组出力约为1200kw，3台机运行时，合计出力3630kw。

前池拦污栅周边不够密封，空隙较大，杂物容易冲入水轮机内，堵塞导叶，影响水轮机出力。

经检测，水轮机转轮未设迷宫环（容易产生漏水，造成机组效率降低，浪费水能资源），且转轮叶片间距不均等。

二、 问题分析及处理方案

1、机组出力达不到设计要求主要原因及处理方案

机组质量存在问题。该机型经计算需在118m水头时出力勉强可达1200kw，加上发电机转速不匹配，这样对机组效率有一定影响。

处理方案：电站其它部件经计算均能满足出力要求，因此，只需针对挖掘水头潜力和对水轮机进行改造。对水轮机采取局部改造，不改变导水机构、蜗壳、尾水管尺寸以及转轮配合尺寸，在原尺寸保持不变的情况下，订做适合原水轮机要求的优质转轮，并加装迷宫环，设计额定过流量选择与上一级电站相匹配。通过更换转轮提高水轮机的运行效率和单位转速及单位流量，来达到增容并增加年发电量的目的。将渠首溢流堰加高50cm（不会影响上游电站，经验算加高后的泄洪能力和渠道的安全超高都能满足要求）。通过改造可增加水头5m，增大单台水轮机过流量。

2、机组出现震荡主要原因及处理方案

水电站机组运行的稳定性，主要从机械、水力两方面找出影响水电站机组运行稳定性的原因。小型水电站，一般都套用较成熟的转轮，来对水轮机选型。因而在能量、汽蚀及稳定性方面都难免会出现偏离最优区。在水轮发电机组运行中，影响其稳定性因素很多，也很复杂，它与一般旋转机械不同，往往是流体、机械、电磁等诸多因素的综合作用。对影响利源水电站水轮发电机组运行稳定性的主要因素分析过程如下：

（1）机械方面的因素

对于小型机组，水轮机转轮，发电机定子、转子，一般可以在制造厂加工好后整体运输，因而由于转轮动静平衡的不平衡及发电机转子磁极、磁轭等重量偏差引起机组振动的因素不是太大，主要原因一般都是水力方面的因素。X水电站水轮发电机组，在出力1000kw以下，运行还是比较稳定的，不会出现震荡现象，因此暂不考虑机械、电磁方面因素，主要从水力方面查找原因。

（2）水力方面的因素 经分析，影响该电站水轮发电机组运行稳定性的几个可能因素有以下几点：

涡流引起的振动：在水轮机运行中，导叶和转轮叶片在具有钝尾时，就会出现涡流，产生作用在叶片尾部的交变力，甚至与叶片或固定导叶产生共振及噪音，可致使叶片与上冠、下环之间的联接焊缝产生疲劳裂纹。涡流的产生与否，与水流中物体的形状有关，其频率受水流流速的影响，当流速达到某一值，共振条件成立时，就会产生强烈的振动。水轮机实际运行时，涡流引起的振动是在一定的工况下发生的。

转轮进口的压力脉动：不合理转轮叶片数和导叶数的相互干扰，以及转轮叶片与活动导叶的间隔过小时，会在转轮进口产生一定频率的压力脉动，而且随着负荷的增加，水轮机本身、活动导叶以及压力钢管的振动也会增强。

固定导叶尾部的紊流引起的振动：当流水中放置物体时，只要其水流不是层流，在物体尾部就会产生具有尾涡的紊流。因而在固定导叶尾部发生的尾涡紊流中，放置活动导叶时，有时会产生活动导叶的振动。

尾水管涡带引起的压力脉动：当水轮机偏离最优工况运行时，由于转轮出口处的旋转水流以及脱流旋涡和汽蚀等的影响，会常在尾水管内引起水压的脉动。影响尾水管压力脉动的因素除了机组的运行工况和制造质量而外，装置汽蚀系数的影响也是不可忽视的。尾水管中水流低频压力脉动是造成机组振动的重要原因之一。

流道的非对称性引起的振动：原型水轮机与模型水轮机的理论上是完全相似的。但由于加工手段及加工精度等问题，造成蜗壳、导叶、转轮叶片的不均匀或不对称，以及转轮密封间隙不均匀等，除了会引起水压的脉动外，还会引起转轮的横向或纵向振动。

（3）处理方案

在对水轮机进行改造时，同时做好优化水轮机参数和转轮结构，对改造的新转轮选用优良材料，并严格控制加工精度，并对其转速、装置汽蚀系数、吸出高度、单位流量和单位转速合理优化，力争使水轮机运行区域处于宽广的高效区，在做到机组经济运行的同时，保证其稳定性。

改变原转轮泄水锥的形状。试验研究表明，转轮的泄水锥形状对于转轮下尾水管内的流速分布影响很大，适当地改变泄水锥的形状对于控制尾水管内大涡带的形成及压力脉动，尤其是消除部分负荷下尾水管内的低频压力脉动是有效的。或采用长泄水锥，长泄水锥的高压脉动区比短泄水锥小，且幅值也小，可减少尾水的脉动压力，可有效防止汽蚀和振动。

改善尾水管的过流条件。合理选择尾水管形状，条件允许时，适当加长尾水管的直锥管部分和加大扩散角，有利于提高转轮下部锥管上方的压力，以减弱涡带的形成，提高机组运行的稳定性。 改善补气条件：加大转轮中心补气量。其目的在于：空气本身具有弹性，气泡混在涡带中可起缓冲作用。在低压时，使更多的空气进入，有利于降低压力脉动振幅；改变尾水管的固有频率，有利于避免与扰动频率的共振。可通过加大水轮机转轮中心处的减压孔，让转轮中心的水多向尾水排放，以减少转轮中心向外过大的排水量，增大补气量。

3、 前池拦污栅周边不够密封，空隙较大

杂物容易冲入水轮机内，影响机组出力，造成经常需停机、拆机清理杂物。影响正常发电，如不及时清理机内杂物，会影响机组出力。水轮机经常要拆装十分麻烦，且易造成水輪机部件的损坏。

处理方案：由于前池拦污栅既宽又深且直（宽约2.8m、深也约4.5m），清渣不方便，可在前池前6m平段渠道处将渠道拓宽后加设一道拦污栅，这样渠水深不足2m，清理杂物十分方便。同时再将前池拦污栅周边密封，可有效杜绝杂物的流入。

三、结束语

目前，该电站建议董事会按以上几项技术进行技改，改造后，单机出力可达1300kw，且震荡现象消失，3机出力达4200kw。同时也消除了不正常弃水现象，经测算，可年增电量约500万kw.h，仅3年就可收回投资，改造后效果相当显著。实际上目前近邻周边仍有许多农村小型水电站，都存有技改潜力，只要投入少许改造资金，回报都将十分丰厚。