大黑汀电站水轮机转轮改造实例

王塞北

（海委引滦工程管理局大黑汀水库管理处，河北 唐山064300）

1 引言

潘家口、大黑汀水库是天津市、唐山市重要的水源地，承担着津冀工农业、城市生活、环境用水的重任。为津、唐两地的可持续发展做出了重要贡献。大黑汀水利枢纽位于唐山市迁西县滦河干流上，距上游潘家口水库35km，是开发滦河的大型骨干工程。拦河坝右岸建有渠首和河床2座电站，渠首电站装有4台轴流转桨式水轮发电机组。河床电站装有1台轴流转桨式水轮发电机组。机组自投入运行至今已有30多年，且电气设备大都严重老化，操作不便，安全可靠性差，严重影响机组安全运行。本次改造主要对水利机械、金属结构及电气部分等进行改造。

2 电站概况

2.1 机组参数

大黑汀渠首电站原装有4台ZZ560-LH-250型水轮发电机组，本次改造将2、4号水轮机改为轴流定桨式，更换水轮机导水机构、水导轴承和主轴密封，同时改造其发电机定转子线圈，将绝缘等级由B级提高到F级，并提高发电机效率。改造后2、4号机组单机容量提高到了3500kW。

改造前机组参数（原铭牌）：

水轮机主要参数见表1。

表1 水轮机主要参数

发电机主要参数见表2。

表2 发电机主要参数

改造后机组主要参数：

水轮机主要参数见表3。

发电机主要参数见表4。

2.2 水轮机改造前

2.2.1 存在问题

表3 改造后水轮机主要参数

表4 改造后发电机主要参数

（1）机组效率低

在设计水位时，机组出力与刚投产的1985年相比，在相同水位和导叶开度条件下，机组出力只能达到原出力的76%左右，说明效率下降明显。渠首电站水轮机效率远低于水利部《农村水电增效扩容改造项目机电设备选用指导意见》文件中规定的水轮机效率大于等于91%的要求。

（2）水轮机转轮叶片的空蚀破坏比较严重，机组运行30多年以来，转轮已经进行多次修补。尤其是4号水轮机转轮叶片破坏非常严重，受油器操作油管断裂。

（3）水轮机运行中，转轮体桨叶接力器操作时，活塞一侧充满2.5MPa液压油，操作架腔内也充满约0.2MPa液压油。转轮体叶片密封采用“λ”型橡胶密封装置，由于当时设计水平限制，结构上存在着一定缺陷，转轮体经过一段时间的运行就出现严重漏油现象，影响机组安全稳定运行，对供水水质产生污染，且增加了电站维护及运行的成本。

（4）机组导叶间隙由于磨损变大，不能达到全封闭，导叶立面和端面的间隙较大，导叶轴径磨损严重，造成密封面搭接不严，导叶漏水严重。

（5）机组存在顶盖上密封漏水量较大，特别是机组运行在某些工况或负荷突变时，瞬间会造成水淹水导轴承。根据电站人员反映，在协联运行时，个别工况也出现密封漏水情况。

2.2.2 水头情况

受上游潘家口水库调节，大黑汀水利枢纽库水位基本在131～133m之间运行，一般维持在132.5m。水轮发电机组运行时引水渠尾水位一般在119～121m之间，水轮机运行水头范围为11～13m，一般在11m以上，电站水轮机运行水头比较稳定，轴流转桨式水轮机叶片基本在某一固定角度下长期运行，不需要调节转轮叶片角度。所以，本次改造将2、4号水轮机改为轴流定桨式水轮机，在水头变化不大，不需要调节流量时运行。其额定水头可以适当提高，以利于水轮机的安全稳定运行，且水轮机发出额定出力时所用额定流量可以减少，在相同的放水量时获得更多的电能。当上游水位为132.5m，2台机运行，供水流量为60～80m3/s时，下游水位约为119m，对应的毛水头约为13.5m，估算流道损失1.0m，所以，本次改造，水轮机额定水头可以由11m提高到12.5m。当水轮机额定水头为12.5m，水轮机额定效率为91%时，水轮机额定流量约为33.5m3/s，机组单机容量可以由3200kW提高到3500kW。

2.3 水轮机转桨改定桨的运行性能分析

按ZD560Z轴流定桨式水轮机模型特性曲线显示，在一定桨叶角度下运行范围相对较小。根据大量装有轴流定桨式水轮机电站的运行情况看，水轮机做定桨运行时，水轮发电机组的启动及并网过程会有一定的工况条件要求，否则可能造成机组在不稳定工况下进行启动及并网失败。因此，针对大黑汀渠首电站水头范围等实际运行工况以及水轮机特性参数，进行转桨改定桨后的技术分析，同时结合现场实际试验情况来设计确定定桨角度，以确保改造后电站机组的安全、可靠、稳定运行。主要措施：更换水轮机新型转轮，而保持水轮机蜗壳等与水工部分相关的部件不动，提高水轮机的运行效率，在尽量节约投资的情况下，实现电站增效扩容的目标。

2.4 转轮改造说明

（1）转轮订做：经公开招标确定供货厂家，订购轴流定桨转轮2个，转轮叶片安放角按最优调整（β=+5°），叶片翼型和曲率优化，材质改进，确定交货日期。

（2）作好记录：将水轮机主轴装车运送浙江厂家加工处理，新转轮与水轮机主轴重新钻铰销钉孔并配销钉，保证与新转轮的配合。

（3）水轮机主轴与转轮试装：返厂检修的主轴及新订购的2台定桨转轮按合同日期到货，到货后，在检修间放稳，仔细清扫；测量水轮机主轴上下法兰直径、水导轴衬直径、水导轴承瓦内径、连接螺钉孔及销钉孔的配合。若配合不当，则进行处理。将水轮机主轴吊运至转轮体上试装。若配合不当，则进行处理。新到转轮的转轮体与泄水锥为装配好的部件，实际工作中未进行拆解。

（4）连接水轮机主轴与转轮：按水轮机主轴与转轮拆解的相反顺序进行连接，其中不同点为无桨叶操作油管的连接。

（5）整体回装。

3 转轮改造后

3.1 稳定性对比

从机组修前的振动、摆度数据与机组修后振动、摆度数据比较可以看出，水轮机转轮更换后机组的振动、摆度减小，机组在各主要工况点运行是稳定的，机组运行的稳定性增强。经过1年来的运行检验，证明机组运行是稳定可靠的。

3.2 效率及效益对比

机组修前水轮机的最高效率为76%，修后水轮机的效率η≥91%，可以看出，更换转轮后水轮机效率明显提高。机组改造后，经过试运行，机组噪音、震动、各部温升等均符合要求。与改造前相同运行条件下，机组效率提高，发电量增加，耗水率降低。保证了机组安全、经济运行。

4 结论

我国农村小水电资源丰富，但这些小水电站的特点是，装机容量小、台数多、设备老化、机组效率低、水能资源利用率低，经长时间运行后安全生产隐患多。所以，对机组进行增效扩容改造是十分必要的，随着科学技术的不断发展，采用新技术来改造旧设备，可以更好的发挥水电站的经济效益与环境效益。