小型立轴混流式水轮机增效扩容改造选型及流道匹配

杨中瑞，李爱民，余建军

(四川水利职业技术学院，四川都江堰611830)



小型立轴混流式水轮机增效扩容改造选型及流道匹配

杨中瑞，李爱民，余建军

(四川水利职业技术学院，四川都江堰611830)

小型水电站增效扩容改造工作中，立轴混流式水轮机由于受原已经建成的水工建筑物及机组流道的限制，转轮直径、导叶高度、尾水管尺寸等改造难度很大。结合横山庙水电站增效扩容改造的机组选型设计，对立轴混流式机组改造的转轮选型及流道匹配进行了较为深入的研究，总结出了充分利用原水轮机预埋部件，选择性能优良的合适水轮机转轮，并进行流道匹配的改造方法，在技术上可行、经济上合理、工程质量可控的前提下，增容幅度可达到25%的良好效果。图3幅，表1个。

水电站；增效扩容；机组选型；流道匹配

1　概　述

水轮机改造是水电站增效扩容改造过程中一项非常重要的工作，直接影响改造的整体效果；而对数量众多的立轴混流式机组改造，由于受原已经建成的水工建筑物以及机组流道的限制，一般认为转轮直径、导叶高度、尾水管尺寸等很难改变，改造过程中转轮选型及流道匹配难度很大。四川省玉溪河灌区管理局横山庙水电站增效扩容改造工程在参建各方的共同努力下，通过合理的水轮机选型和流道匹配，取得了较好的改造效果。

横山庙水电站隶属于四川省玉溪河灌区管理局，是玉溪河灌区干渠流域开发的第一级电站，上接玉溪河灌区取水枢纽，下接玉溪河管理局赵沟电站。电站于1977年7月动工兴建，1978年5月第一台机组投入运行，1980年3月第二台机组投入运行。电站原设计装机容量2×3 200 kW，设计水头43 m，引用流量2×10 m3/s，采用立轴混流式水轮发电机组。

由于受当时诸多因素影响，技术管理不规范，可供选择的机型较少，将30 m左右水头段的HL123(HL240)转轮套用于本电站，造成水轮机实际运行时严重偏离最优工况，效率低，振动大，不能达到设计出力，严重时剧烈振动，根本不能正常运行。

为解决该电站机组不能正常运行的问题，原机组生产厂家分别于1989年对2号水轮机、1995年对1号水轮机进行了技术改造；主要改造手段是更换转轮，改造流道，将原导叶高度由511 mm降低为350 mm。改造后机组出力较改造前有较大提高，基本解决了不能正常运行的问题，但仍未达到原设计出力为2×3 200 kW的目标。

2011年，玉溪河灌区按照四川省水利厅关于“再造一个都江堰”的工作部署，决定扩大灌区，增加引用流量；而横山庙水电站处于灌区第一级电站，在水头不变、流量增加的条件下有增大装机容量的可能。2012年，四川省启动了农村水电站增效扩容改造项目，横山庙水电站符合增效扩容的相关政策，业主积极组织改造项目的申报工作，确定了增效扩容目标为2×4 000 kW。

横山庙水电站机组自建成就存在先天缺陷，且已进行过一次改造，属立轴混流式水轮发电机组，其改造难度大，技术复杂。笔者先后参与了改造项目初步设计报告编制、招标技术文件和技术协议拟定，并参与了改造工程实施的各个阶段，确定了水轮机改造实施方案，在参建各方的共同努力下，达到了理想的改造效果。

2　原水轮机主要参数及特性

横山庙水电站水轮机原设计选用HL123—LJ—140，设计水头43 m，设计流量10 m3/s，设计出力3 404 kW，设计转速300 r/min；则设计工况单位流量0.8 m3/s，单位转速64 r/min，其设计工况点在HL123转轮模型综合特性曲线的位置如下所示(见图1)。

图1原HL123—LJ—140水轮机设计工况点在模型综合特性曲线的位置

从图1可以看出，横山庙水电站原选用水轮机在设计水头运行时严重偏离最优工况位置，造成水轮机效率低，振动大，磨损严重，长期不能正常、稳定地运行；必须重新选择水轮机，并进行流道改造，才能适应本电站水力条件。

3　第一次改造技术方案

鉴于横山庙水电站水轮机存在的历史遗留问题，为保证机组可靠、稳定地运行，原机组生产厂家对2台水轮机进行了改造；其中：2号水轮机于1989年改造为HLD150—LJ—140，额定出力为3 380 kW；1号水轮机于1995年改造为HLD250—LJ—140，额定出力为3 030 kW。

此次改造主要是重新设计适用于本电站水力条件的新型转轮D150、D250，并根据新转轮的结构特性，在原座环上、下环增加了护板，将原导叶高度从511 mm降低为350 mm，重新设计、加工下止漏环、底环、活动导叶、顶盖、导叶传动机构、密封装置等。

遗憾的是由于时间久远，2个改造转轮的特性曲线已无从查找，不能对其性能进行准确地分析，但从实际运行效果来看，2台水轮机改造后基本解决了原机组不能运行的问题，出力也有较大的提高。难能可贵的是当年的改造者大胆将原导叶高度从511 mm降低为350 mm，并对流道采取了一系列的改造措施，较好地进行了流道匹配，改善了运行工况，打破了立轴混流式机组转轮和流道很难改造的神秘感，为后面的增效扩容改造开拓了思路。

4　方案的确定

根据2012年四川省农村水电站增效扩容改造项目相关政策文件精神和横山庙水电站实际情况，在编制增效扩容改造项目初步设计报告时，水文、动能、机电等相关专业技术人员进行了充分论证和比较，确定了该电站增效扩容改造目标：也就是在不改造原水工建筑物，不提高运行水头的前提下，使电站装机容量达到2×4 000 kW，增容幅度为25%；考虑到扩容后流量增加流道水力损失加大的影响，增容后额定水头为42 m。在此目标的要求下，淘汰落后产能设备，改造、更换机电设备，达到增效扩容的目的。

4.1水轮机改造的难点分析

(1)水轮机是立轴混流式，原预埋部件不能更换，如果选择全新水轮机，更换预埋部件，施工难度极大，代价极高，以致于无法实施。

(2)原水轮机已进行过一次改造，改变了原流道尺寸，但部分改造资料已缺失，如在第一次改造的基础上进行再次改造，将存在巨大的技术风险；如果数据测量和加工精度不能满足要求，技术论证不充分，方案选择不合理，将可能造成无法正常实施，即使实施改造，也可能达不到理想的效果。

(3)如果将水轮机流道再次恢复到原尺寸，在此基础上进行改造，又将铲除第一次改造增加的座环护板，根据新选配的转轮进行流道匹配。

(4)在进行立轴混流式水轮机流道匹配时，转轮高度、导叶高度、转轮直径匹配是关键问题；此外转轮叶片出口下环的角度必须与尾水锥管倾角一致，否则将导致转轮出水受阻，引起巨大振动和出力波动，从而造成改造失败。

4.2水轮机改造原则

一般来说，在水电站增效扩容改造初步设计阶段，原机组常处于运行状态，无法准确判断水轮机结构现状，改造方案侧重在理论计算与分析。在招标设计阶段，为保证工程实施的质量与工期，要求投标单位根据招标文件提供的资料以及现场考察情况，拟定3个以上的切实可行的比选方案，并进行方案论证，推荐中标实施方案。在签订水轮机改造技术协议前，还应组织设计、监理、中标厂家对原机组图纸、第一次技术改造部分资料进行仔细研究，并分析不同改造方案的优缺点，最终确定横山庙水电站水轮机改造实施方案的总原则是：

(1)铲除第一次改造时增加的座环护板，恢复原水轮机座环尺寸。

(2)更换除水轮机预埋部分件外所有部件，重新选择符合电站水力条件和增容目标要求的新型转轮，重新进行流道匹配。

(3)改造后新部件的结构应满足原预埋部件的配合尺寸和高程要求。

(4)严格控制制造、加工、安装质量，尽量减少现场施工难度，确保质量和工期。

在此改造原则基础上，签订正式的水轮机改造技术协议，最终确定水轮机改造实施方案。

4.3水轮机选型

改造原则要求恢复到原HL123—LJ—140水轮机座环流道尺寸，重新根据增效扩容目标参数选型并进行流道匹配，需从以下几个方面考虑：

(1)新转轮直径D1应小于或等于1.4 m，才有足够的结构空间进行流道匹配。

(2)按照增效扩容改造相关政策性文件要求，初步拟定新发电机额定效率为95%，水轮机额定效率为90%，则水轮机额定出力应达到4 210 kW，额定单位流量应大于0.89 m3/s。

(3)原水轮机额定转速为300 r/min，为减少改造后发电机机墩、基础部件的受力变化影响，新转速应在300～375 r/min范围内选择较为合理，则单位转速应在65～80 r/min之间。

(4)水轮机导叶相对为0.365，导叶绝对高度为511 mm，需要降低导叶高度来进行改造，现有转轮中相近的常用转轮导叶相对高度有0.315、0.305、0.25。如果选择0.315，改造后导叶高度应为441 mm，则上下护板高度应为35 mm，尺寸过小，制造加工和安装精度将无法保证，施工难度大；如果选择0.25，转轮过流能力小，转轮出口与尾水锥管匹配难度大；因此，新水轮机选择为0.305较为合适。

(5)电站装机容量小，投资规模小，应尽可能从已有的转轮中选择。

综合以上因素，在现有转轮中进行选择，经查询比较，发现转轮HL734的结构与性能参数比较适合于该水轮机改造项目(见表1)。

表1　HL734水轮机参数

表1确定的新水轮机转轮直径为1.32 m是合适的，虽然较原转轮减小8 cm，但其性能参数完全满足增效扩容目标要求，流道结构也有利于匹配部件的制造、加工与安装。改造后新水轮机型号为HL734—LJ—132，额定水头42 m，额定流量11.35 m3/s，额定转速375 r/min，额定出力4 210 kW，额定水头最大出力4 736 kW，额定单位流量1.0 m3/s，额定单位转速76.4 r/min。

水轮机额定工况点在模型综合特性曲线高效率区如下所示(见图2)，平均效率高，运行性能好，可作为水轮机改造的最终选型方案。

图2HL734—LJ—132水轮机额定工况点在模型综合特性曲线的位置

5　流道匹配设计

由于新转轮直径比原转轮直径减小8 cm，流道尺寸发生了根本性变化，必须进行流道匹配才能达到改造效果。水轮机改造后的流道应满足新转轮要求，不能改变原安装高程，需降低座环空间高度，转轮出口必须与原尾水锥管角度一致且对齐；应铲除第一次改造增加的座环上、下环护板，恢复原座环流道尺寸，按新转轮结构特性，重新设计各流道部件。新流道部件必须与原座环、基础环的配合，主要是原螺栓孔位置、止口尺寸、配合间隙等。在新流道部件精加工前，生产厂家必须在拆除原水轮机后现场准确测量，然后根据实际尺寸加工，以减小现场安装难度，保证安装精度，缩短工期。

5.1降低座环高度

5.1.1结构设计要点

根据结构计算，新水轮机活动导叶高度为402 mm，原导叶高度为511 mm，因此，需增加座环上、下护板；考虑安装配合间隙，增加护板后座环上、下环之间的高度控制在410 mm。

5.1.2施工方法要点

在装焊新座环护板前需铲掉原座环护板，将座环流道恢复到原流道高度尺寸520 mm，再按座环原固定导叶的实际形状配割新的座环护板；并以固定导叶中心线为基准装焊上、下护板，保证新流道高度尺寸410±2 mm，允许修磨上、下护板，流道内所有过流面焊缝需打磨光滑。

5.2转轮出口与尾水锥管匹配

5.2.1结构设计要点

原水轮机尾水锥管角度为79.65°，新转轮出口角度为81.6°，且新转轮直径由原1.4 m减小为1.32 m；所以必须改造原尾水锥管，增设锥管导流筒，使导流筒上口与新转轮出口流道匹配。导流筒高度1 335 mm，上口直径1 398.6 mm，下口直径1 972.4 mm，分3瓣加工完成后，现场拼焊并固定在原尾水锥管上。为使导流筒与原尾水锥管稳固地结合，在每瓣部件背面设加筋板，并注入高强度混凝土。

5.2.2施工方法要点

.先将加筋板焊接在原锥管里衬上，再各分瓣面U型坡口配焊，焊接后筋板有突出流道面部分需打磨掉。分瓣导流筒现场组焊好后，在与原锥管间的夹层内填充混凝土，需开灌浆通气孔，从导流筒上端灌浆，完工后将气孔堵焊上并打磨光滑；基础环用定位销定位后用联接螺栓固定在座环上，然后与尾水锥管导流筒进口处焊接。导流筒下口与原尾水锥管配合封口可焊接圆钢，将导流筒配割开孔与圆钢配焊，流道内所有过流面焊缝需打磨光滑。

5.3水轮机流道匹配改造后结构图

通过以上结构设计，确定了横山庙水电站水轮机增效扩容改造流道匹配改造方案(见图3)。

图3流道匹配结构示意

6　改造效果

横山庙水电站水轮机增效扩容改造根据以上方案进行了设备的制造、安装，并配套更换了发电机、调速器、自动化元件、进水阀等，改造了原辅助系统，第一台机组于2015年6月正式投产发电。经运行监测，在额定水头42 m时，发电机出力达到4 000 kW，导叶开度只有75%，还有较强的超负荷能力，机组运行稳定，各项性能指标达到改造目标要求。

7　结　语

立轴混流式水轮机增效扩容改造必须充分掌握并分析原机组的实际情况，应尽可能利用原机组预埋部件及基础，不改变原厂房结构，既可节省改造成本，又可有效缩短工期，降低技术及投资风险。在拟定改造方案时，应充分考虑电站原引水系统、流道部件的限制条件，选用能效指标好、空化性能优良、运行稳定性好的水轮机转轮；在最终确定改造实施方案时，应要求中标厂家现场核实机组的各控制尺寸和高程。

对于老旧的、原机型严重偏离电站实际水力条件的立式混流式水轮机，如果需在原基础部件上实施改造，流道匹配是关键。混流式水轮机转轮结构复杂，由基础环、底环、顶盖、导叶等所形成的转轮室形状不但应与转轮形状相配合，还要与原预埋部件匹配，应着重控制好转轮安装高程、导叶高度、导叶分布圆及转轮出口与原尾水锥管配合质量；否则，就有可能造成改造项目的失败。

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责任编辑吴昊

2016-06-20

杨中瑞(1972-)，男，讲师，主要从事水电站管理、教学、设计与咨询等方面的工作。

E_mail：408539594@qq.com