水轮机常见问题及增效扩容浅析

陈志运 蒋三林

摘要：中国有丰富的水能资源，水电市场发达。上世纪八九十年代的建成的电站，经过几十年运行，多数电站机电设备陈旧落后、老化损耗严重，且限于当时水电技术的发展水平，部分水电站的选型设计不尽合理。发电设备技术的快速发展给水电机组的改造增容带来巨大潜力。本文从水电站水轮机增效扩容的要求出发，针对不同的情况采取多种改造方式对水轮机进行改造，以期使水轮机改造达到先进性、合理性、经济性和特殊性

1、概述

中國有众多河流，地理和气候特性形成了丰富的水能资源，因此，我国是世界上水力资源丰富的国家之一，人均占有量为世界人均占有量的55.1%。中国水电市场经过几十年的快速发展，水力资源技术开发已到60%多。

2、水电站发电机组运行中存在的问题

但是，大部分建于上世纪八九十年代的电站，由于各种原因，主要存在以下问题：

（1）机组性能差、技术参数落后，制造质量差。

（2）水轮发电机组性能与电站实际运行参数匹配不当。

（3）水轮发电机组与电气设备不配套。

（4）多泥沙水电站水轮机通流部分磨蚀损坏严重。

经过几十年运行，多数电站机电设备陈旧落后、老化损耗严重，且限于当时水电技术的发展水平，部分水轮机的选型设计不尽合理。发电设备技术的快速发展给水电机组的改造增容带来巨大潜力。

3、水轮机增效扩容要求及方式

1、改造要求

水轮机增效扩容要求尽量做到先进性、合理性、经济型和特殊性。所谓先进性就是要选用一个性能先进、技术成熟的转轮;合理性就是要紧密结合和妥善处理本电站的不可变或不宜变更的制约条件;经济性就是要在有限的投资情况下，尽量增加年发电量，提高水电站运行效益;特殊性是要针对电站的泥沙情况采取相应的泥沙磨蚀治理措施来延长设备的使用寿命。通过全面考虑才能达到较好的先进性、合理性、经济性和特殊性。

2、改造方式

水电站因其水力条件的不同进行增效扩容时，通常要根据本电站的具体条件，因地制宜，合理设计改造方案，决定改造方式。

1）更新或改造增容方式

当电站的水头、流量与原设计变化不大，但设备陈旧，性能差，可采用更新或改造的增容方式，其预期目标在于提高水轮机的运行效率。此种情况，在设计上可选用该水头段导叶相对高度或接近的新转轮，如无新转轮，则需设计新转轮或改进通流部件线型与结构。

广东连山某电站原装机3台HL240-LJ-160水轮机，额定水头21.5m，单机容量2500kW。经20余年运行后，存在严重的空蚀和磨损，效率低下，机组出力低。2015年对机组进行改造增容，在水轮机同流部件不变的情况下，只更换一个高效的新转轮，单机功率有原来的2500kW提高到3000kW，单机容量增加20%。

2）水头、流量比原设计增大，宜采用增容改造方式

水头、流量比原设计增大时，原水轮机不在较高效率区运行。在进行改造方案分析时，应根据电站实际运行水头和流量的具体条件，适当提高水轮机的额定运行水头，加大额定输出功率，选用合适的新转轮或设计新转轮。在选择新转轮时，其额定转速应与发电机改造相协调，但最终目的应使水轮机在较高效率区运行。

广东惠州某电站原装机容量为2台12000kW机组，水轮机型号HL123-LJ-225，水头37.6m，转速187.5r/min，经近30年运行，机组已严重老化，长期带病运行。后因水库为了提高防洪标准，将正常蓄水位提高1m，相应发电水头提高到38.6m。在这种条件下，经多次论证，最终由主机厂家为其重新设计A978转轮，最终选用了新型号为HLA978-LJ-230的转轮，水头38.6m，转速187.5r/min，水轮机效率为93.3%。该电站两台机组经改造后，总装机容量为30000kW，比原装机增容25%。经多年运行，电站增加的经济效益显著，表明电站增容是成功的。

3）利用生态流量增设小机组。

水电开发对优化我国能源结构、促进经济发展起到了重要作用，但是，其对河流生态环境的不利影响也日益凸显，特别是电站蓄水和运行使坝下河段减脱水引发的环境问题十分突出。2006年1月，原国家环保总局颁布了《水电水利建设项目河道生态用水、低温水和过鱼设施环境影响评价技术指南（试行）》（以下简称《指南》），明确了对于会造成下游河道减脱水的水利水电工程，必须下泄一定的生态流量及采取相应的生态流量泄放保障措施。因此，为了改善下游的生态环境，部分电站需增设生态放水设备。部分生态流量较大的电站，可经技术经济比较后，设置生态电站，利用生态流量，提高电站的经济效益。

湖南某电站，原为引水式灯泡贯流电站。大坝下游至电站下游尾水段脱流严重，为保护坝址下游湾段的生态环境，拟在原拦河坝处建立生态电站。生态电站设置水轮发电机组，机组的引用流量为生态流量26m³/s。经技术经济比较后，选择GZ006-WZ-250转轮，设计水头为9.3m，额定转速200r/min，利用生态流量可为电站增加发电量1800多万kWh。经济效益显著。

4）多泥沙电站，采用抗磨蚀措施结合的改造方式。

在选取改造方案时应根据水轮机的过机流量，泥沙的直径和矿物质成分等条件，选用单位转速相近或略低，模型空化系数适当降低，模型效率较高的新型转轮，并合理加大导叶分布圆相对直径，调整导叶型线，降低和均化导叶区流速;同时从结构设计、制造工艺、材料和涂层等方面采取抗磨蚀措施，保证水轮机的安全运行，延长使用寿命，最终达到更新改造或改造增容的目的。如云南某电站，原装机2台6000kW机组，原水轮机型号HL110-LJ-100，水轮机过沙12.5m³/s，经改造后，采用HLA920-LJ-110型转轮并改进导叶后，机组功率达到7500kW，增容25%。

4、综述

上面叙述了水电站进行水轮机改造的几种方式，以上几种方式都是常见并可行的，改造中可根据实际情况区别对待。但在改造中水轮机输水系统必须认真考虑，慎重对待。对于一机一管或一机多管的引水式压力输水系统都应当从水力和调节保证参数两个方面进行核算.总之，水轮机输水系统的最大过流量和水头损失及其所能承受的最大水压力，是制约水轮机改造增容的重要环节，应认真研究，合理处理，否则，因设计失误，会造成工程的安全问题，影响工程的经济效益。

（作者单位：1.中水珠江规划勘测设计有限公司;2.云南联合电力开发有限公司）