LSW水电站水轮机增效扩容改造技术研究

刘振龙，安 刚

(1.新疆额尔齐河斯流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概 述

LSW水电站位于新疆北部，采用坝后引水式开发，装机容量为4×8 MW。电站实际运行水头比原机组额定水头高的时间较多，实际运行条件与机组不匹配，导致原机组经常需要超负荷发电，影响机组安全运行及寿命，有增效扩容潜力。目前电站部分机电设备老化，可靠性降低，水轮机、发电机运行年份较久，电站效率较低，存在安全隐患。

(1)电站水能利用

从电站运行多年的实际情况看，电站若要保持高水位运行则弃水时间较多。上游近年已建大型水库的调节作用，可以长期保持正常水位发电，运行水头比原水轮机额定工况水头运行高的时间较多，水轮机和发电机经常存在超负荷发电现象，导致机组损耗较大、效率低、运行不安全。电站水能利用和装机容量都尚有增大的空间。

(2)机组运行效率评价

电站装有4台水轮发电机组，型号为HLFN70—LJ—160，机组额定容量8 MW。近年来，由于机组水轮机气蚀严重，且存在超发、设备老化等因素，机组效率下降。目前，在额定工况时，机组满发出力时效率水平已低于88%，单位电能耗水率增大。由于机组效率低，严重影响了电站经济效益的发挥。

(3)电站增效扩容的可行性评价

从充分利用水能和机组运行效率提高方面来说，进行增效扩容是可行的。电站实施增效扩容改造可增加发电效益，提高生产效率，消除安全隐患，非常有益于企业本身。同时，对于流域水能资源的充分利用、促进当地社会经济发展和节能环保也十分有利。

2 水轮机改造基本原则

(1)严格执行《小型水电站技术改造规程》，从实际出发，在不改变水库水位、发电引水系统、水轮机安装高程、机墩、水轮机蜗壳、座环和尾水管混凝土部分及埋件的前提下，优先选用能量指标先进、空化性能特性优良、运行稳定性好，并有改造成功实例的水轮机转轮，在优先增效的基础上进行扩容。

(2)由于本电站属于改造工程，机组流道、尾水管、蜗壳、座环等结构已确定。原机组的转轮直径为1.6 m，为保证流道及其埋件与改造后相匹配，本次更新改造新机组的转轮直径仍然保持在1.6 m左右，据此进行机组选型设计。

3 水轮机选型分析

电站属低水头段中小型容量机组，目前国内在满足转轮直径为1.6 m左右时可用于该水头段的转轮中，工况较好的转轮主要有A551、A904a、A551C、JF3636，各转轮的模型参数如下所示(见表1)。

表1 模型转轮基本参数

从表1中4个转轮的模型参数可以得知，均在模型转轮最大使用水头范围之内。分别对4个转轮进行选型计算，其初选方案如下所示(见表2)。

表2 电站初选方案水轮机主要参数比较

从表2可以看出，A551转轮与A904a转轮在额定点满负荷时气蚀情况最好，但其转速为333.3 r/min，与电站原机组转速375 r/min不一致；同时转轮直径也偏离原机组转轮直径1.6 m较大。此次改造的基本原则是流道及其座环、尾水管等埋件不变动，转轮直径增加会造成转轮与座环、尾水管等基础埋件干涉。

因此，本项目不推荐采用A551及A904a这两个转轮。

相对而言，A551C和JF3636转轮在各项水力参数上均能满足电站增效扩容的要求。下面就以上两种方案机型的其他主要水力参数进行比较，以便更好地选出最适用于本电站的机型。

首先，A551C转轮模型最优效率为93.55%，JF3636转轮模型最优效率为93.78%，JF3636转轮比A551C转轮模型最优效率高0.23%。但A551C转轮额定工况效率为93.13%，JF3636转轮额定工况效率为93.01%，A551C转轮比JF3636转轮高0.12%。两者各有优劣，都能满足电站增效扩容的实际需求。

其次，就气蚀性能来说，两者数据基本接近，都优于原电站的设计吸出高度，都能满足电站安装高程不变的需求。

再次，A551C和JF3636转轮的导叶高度比分别为0.304、0.365，真机导叶高度分别为486.4、565.75，可以看出A551C转轮的真机导叶高度更接近改造前机组的实际导叶高度496 mm，流道相对来说过渡更平滑，水力损失更小。

综上所述，推荐采用A551C转轮，改造前后水轮机初选参数对比如下所示(见表3)。

表3 水轮机初选参数对比

4 水轮机改造说明

(1)蜗壳、座环、尾水管等埋设部件仍保留使用。为满足现有转轮与原有流道的匹配性，需要对尾水锥管进行一定程度上的修复。原水机中心线至尾水管进口高度尺寸为690 mm，尾水管进口直径φ1 618.8 mm,A551C转轮中心至转轮底平面高度尺寸为700 mm，转轮出口直径φ1 705 mm。为保证转轮出口与尾水管的匹配性，需要在电站配割原有尾水管，再焊接如图1尺寸φ1 705×145 mm的尾水套环(见图1)。

图1 尾水管进口段改造装配示意

(2)更换转轮，整体采用不锈钢材料。

(3)更换水轮机主轴、水导轴承。

(4)活动导叶需要根据转轮重新设计更换，采用不锈钢材料。导水机构全部重新设计更换改造，活动导叶各轴套采用钢背自润滑复合材料轴套。顶盖、底环重新设计制造。

(5)原主轴密封装置设置在主轴通过顶盖的部位，结构不合理，漏水量大，检修困难，需要结合顶盖的改造重新设计制造。

(6)原水轮机补气装置设置结构不合理，转轮气蚀严重，需要结合水轮发电机结构重新设计制造。

(7)应根据电站原有机坑的尺寸，重新设计制造导叶接力器。

(8)应根据电站的调速器系统、自动化和油气系统配置进行改造。

(9)水轮机的设备零部件需要根据机组拆除后的实际情况进行更新或者翻新处理。

5 结 语

针对电站的具体运行状况,进行因地制宜分析及合理化改造研究,是水轮机增效扩容改造需解决的关键课题。合理的设计方案也为后续施工、运行、维护奠定了坚实的基础，使电站增效扩容取得良好的经济效益和社会效益。