中小型水电站水轮机选型设计在实际电站改造中的应用

余水发

（上饶市水利电力勘测设计院江西上饶334000）

中小型水电站水轮机选型设计在实际电站改造中的应用

余水发

（上饶市水利电力勘测设计院江西上饶334000）

本文以玉山县七一水电站为例，对电站的基本情况进行了详细介绍，结合水电站的具体情况对水电站水轮机的型号选择、参数设计等进行了分析研究，对水轮机设备的改造和安装进行了探讨，水电站经过水轮机改造后运行稳定，发电量显著增加，单位千瓦耗电量显著降低，达到了预期的改造目标，以期为类似案例提供借鉴。

中小型水电站；水轮机选型；电站改造；应用

1　工程概况

七一水电站位于玉山县金沙溪中游的棠梨山右侧，距玉山县城16km。是一座以灌溉为主结合发电的小（二）型电站。七一水电站3#机系南昌轻工机械厂（现为江西柴油机厂）试制产品，于1983年更换为杭州发电设备厂制造的水轮发电机组，装机容量改为1250kW；2#机投运后于1994年进行了扩容改造，水轮机转轮更换为HLA286型号，直径D1=1.33m，发电机容量改造为4000kW（只改造定转子线圈转子铁芯）；1#机投运后1993年进行了扩容改造，水轮机转轮更换为HLA244，直径D1=1.32m，发电机容量改造为4000kW（只改造定转子线圈转子铁芯）。3台机励磁分别于1993年～1994年改为静止可控硅励磁（模拟电路）。由于电站3台机投入运行时间间隔较大，本电站设计了3台变压器，采用单机单变升压至35kV与系统并网送电至下游5km的双明35kV变电站。6.3kV母线又有2台近区变压器升压至10kV供近区负荷，形成了七一供电区。电站的6.3kV母线为单母线分段接线，其母线为硬铝母线35kV电压等级为单母线接线。

2　玉山县七一水电站基本状况分析

玉山县七一水电站中的1#机经过了40年的发展历程，1994年进行水电站改造时将型号为HLA263-LJ-134的水机转变成HL286-LJ-132型号，并更换了水轮机的转轮与发电子的定子线圈，转子的速度也从原来的273rmp提升至333rmp，机组工作的功率从3000kW提升至4000kW，现阶段通过检验发现水轮机大轴的主轴密封处磨损大约有7mm～8mm，磨损现象较为严重。该设备的2#机组实际运行时间已经超过了50年。另外在1993年对同时运行的1#机组也进行了改进，提升了机组自身转速和机组容量。但由于机组运行时间过长，仍存在铁心损坏，冷却器堵塞以及轴承温度过高等一系列问题。其中大部分设备已经超过报废期限，因此本次改造应当更加全面，除了对埋入部分进行整体性更换之外，还应当对转轮进行更换，对导水机构和发电机进行整体更换。

3#机组已经于1981年进行了全面更换，但是由于安装高程较低，环境潮湿，使得设备在实际运行过程中产生了严重的腐蚀现象，轴承的温度更超过了其所能够承受的极限，因此设备当前基本处于报废状态，需要在本次改造过程中进行全面更换。本电站的3#机组的调速器全部为机械调速器，自身调节品质较差，大部分零件都已经停止生产，设备已经到了报废期，须进行更换［1］。该机组所使用的励磁是传统的相复励模拟电路，须进行整体改造。此外，该设备的进水阀门采取空气围带进行密封，由于已超出使用年限，存在极为严重的漏水现象，因此应当对其进行整体改造。

3　水轮机及其附属设备

3.1水轮机型式的选择

本水电站水头范围为24.79m～44m。根据电站水头范围及装机容量，本电站适用混流式转轮。本次改造，针对原有的A244、HLA286两台立式机组转轮加入HLA551进行比较，原有卧式机组加入F13进行比较。适用的混流式水轮机转轮参数见表1。

3.2水轮机基本参数的选择

为了保证电站在额定水头工况下所有机组能够满发，额定水头的选择按机组满发需要的水头选择［2］。现将2台立式和1台卧式这两个容量方案分别进行技术经济指标比较列于表2、表3。

从上表中可以看出，其中1#、2#机组的第一套改进方案比第二组改进方案投资少了24万元，而且该种设备的水机使用效率可以提升2%，基于此，在实际改进过程中应当使用方案一。

根据表2得知，在3号机组的改进过程中投入的资金数量相对于方案一多14.9万元，而水机的使用效率虽然和方案一相同，但是分析其综合使用效率，方案二的总体效率略高。此外考虑到电站改装成本的重要因素，在本阶段的改进过程中应当选择使用第二套方案。

表1　适用本站混流式水轮机转轮模型参数表

表2　1#、2#机组技术经济比较表

表3　3#机组技术经济比较表

3.3对于水轮机附属设备的改造

（1）调速器。根据设计要求，发现在本设备的1#、2#机组水轮中应当配置两个微型调速器，要求其额定油压为16MPa；而3号机组所配备的微型调速器的额定油压则应当为2.5MPa。

（2）进水阀装置的改进。对机组中原有的水轮机直流操作进水蝶阀进行更换，即全部更换为新蝶阀蓄能式的液控蝶阀，该设备的工作压力为1.0MPa，内径为1200mm。

3.4水轮机高程安装

本电站的1#、2#水轮机直径是1.32mm，根据推算结果其自身的吸出高度应当为0.3m，根据电站尾水的实际情况分析，水轮机的安装高程应当为116.1m［3］。而3号机组的直径为0.9mm，吸出高度则为3m，水轮机的安装高程则为118.8m。

3.5调节保证计算

本电站输出工程为单回路接线方式，当线路故障时可能出现三台机同时甩负荷。因此需按三台机同时甩全负荷进行计算。

当最大水头为46m、三台机带额定负荷时（2×4.0 MW+1×1.6MW），发电流量Q=2× 13.6m3/s+最长管，ΣLV约为401.76m2/s。导叶关闭时间为4s，机组最大速率上升值βmax=30.9%，小于60%。蜗壳最大压力上升38%，最大水压值为17.5m，满足调节保证计算规范要求。

4　水轮机改造效果

七一水电站水轮机按照上述方案进行改造设计后，运行稳定。投入运行7864h后停机检查，机组转轮叶片光亮，水轮机未出现气蚀的情况。在不同水头情况下，1#、2#、3#水轮机经过改造后发电量增加了362kW、353kW、367kW。经过改造后水轮机单位千瓦耗电量均比未改造之前低，水轮机的运行效率显著提升。对水轮机进行改造后达到了预期设计目标，经济效益显著。

5　结语

根据本次七一水电站水轮机选型工作实际，提出以下建议：1）对一些老旧的水电站采用增容改造的措施，不需要建造大坝等多种水工建筑物，这样可以有效节省资金的投入，经济效益显著；2）在实际改造过程中，需充分利用现代化的技术水平，结合我国上世纪八十年代的中小型水电站改造经验，对水轮机进行技术改造，从而确保水轮机能够高性能、高质量的运行。陕西水利

［1］辛喆，吴俊宏，常近时.混流式水轮机的三维湍流流场分析与性能预测［J］.农业工程学报，2010，（03）:49-52.

［2］辛晟，梁兴.水轮机内部湍流计算方法研究［J］.水利科技与经济，2009，（09）:96-98.

［3］邵国辉，赖喜德.基于CFD的混流式水轮机性能预估［J］.流体传动与控制，2009，（02）:34-36.

（责任编辑：畅妮）

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