新型水轮机转轮在纸槽沟电站改造中的应用

何邦应，刘银静

(四川省都江堰水利发展中心人民渠第二管理处，四川 德阳，618000)

1 纸槽沟电站概况

1.1 纸槽沟电站概况

纸槽沟电站于20世纪90年代后期，修建在以农业灌溉为主的人民渠七期主干渠上，装机容量2×500kW，与三台县地方电网并网运行，年发电量约250万kW·h。

表1

纸槽沟电站基本参数

1.2 存在的问题和改造的必要性

2008年汶川地震发生时，纸槽沟电站受到了严重损坏，同时电站已运行近10年，水轮机转轮叶片和水轮机转轮室空蚀较严重。为了保证电站安全运行和单位经济效益，需对水轮机转轮进行更新改造。2008年汶川地震后，电站对水轮发电机组修复时，为了推广新技术，决定使用在能量、空蚀性能和运行稳定性、可靠性等方面已达到国际先进水平，性能优越的水轮机转轮。

2 电站水轮机特征单位参数计算

额定转速nr=375r/min、设计流量Qr=6.663m3/s、最大水头Hmax=12.6m、设计水头Hr=10m、最小水头Hmin=8.5m，转轮直径D1=1.2m。

2.1 对应的单位转速n11

2.2 对应的单位流量

3 水轮机转轮改造选型及分析计算

根据电站水轮机特征单位参数计算值，可替换转轮型号选为JP502，初选机型为JP502-LH-120。

3.1 水轮机ZD560a-LH-120的分析计算

根据电站水轮机特征单位参数计算值和ZD560a模型转轮综合特性曲线(φ=5°)得：ZD560a模型转轮最高效率工作区间的效率是87.0%，最高效率工作区间单位转速变化范围为120.5r/min～163r/min。

而水轮机ZD560a-LH-120转轮的单位转速工作范围为126.77r/min～154.35r/min，就水头变化来说，该水轮机工作在转轮的高效区，最高效率值87%。

(1)计算水轮机ZD560a-LH-120转轮最大水头、设计水头、最小水头对应的最大流量和该工况点水轮机转轮效率。

表2 三水头最大流量及效率

由表2中的数据分析，ZD560a-LH-120水轮机的最大过流能力略大于设计流量6.663m3/s，水轮发电机组运行时，压力输水管安全。

(2)计算水轮机ZD560a-LH-120转轮在设计流量Qr=6.663m3/s时，与最大水头、设计水头、最小水头对应工况点水轮机转轮效率和工况点位置。

①最大水头对应的单位流量为1.3035m3/s、单位转速是126.77r/min，查ZD560a模型转轮综合特性曲线(φ=5°)得该工况点的效率是85.5%，在最高效区右边；

②设计水头对应的单位流量为1.4632m3/s、单位转速是142.30r/min，查ZD560a模型转轮综合特性曲线(φ=5°)得该工况点的效率是84%，在最高效区右边；

③最小水头对应的单位流量为1.5971m3/s、单位转速是154.35r/min，查ZD560a模型转轮综合特性曲线(φ=5°)得该工况点的效率是82.5%，在最高效区右边。

表3 三水头设计流量工况点效率

3.2 水轮机JP502-LH-120的分析计算

根据电站水轮机特征单位参数计算值和JP502模型转轮综合特性曲线(φ=0°)得：JP502模型转轮最高效率工作区间的效率是92%，最高效率工作区间单位转速变化范围是111r/min～148.7r/min。

JP502模型转轮效率91%以上的工作区间单位转速变化范围是103.8r/min～156r/min。

而水轮机JP502-LH-120转轮的单位转速工作范围为126.77r/min～154.35r/min，就水头变化来说，该水轮机工作在转轮效率91%区间，比水轮机ZD560a-LH-120转轮高效区效率87%高了4%。

(1)计算水轮机JP502-LH-120转轮最大水头、设计水头、最小水头对应的最大流量和该工况点水轮机转轮效率。

表4 三水头最大流量及效率

(2)计算水轮机JP502-LH-120转轮在设计流量Qr=6.663m3/s时，与最大水头、设计水头、最小水头对应工况点水轮机转轮效率和工况点位置。

①最大水头对应的单位流量为1.3035m3/s、单位转速是126.77r/min，查JP502模型转轮综合特性曲线(φ=0°)得该工况点的效率是91%，在最高效率区左边；

②设计水头对应的单位流量为1.4632m3/s、单位转速是142.30r/min，查JP502模型转轮综合特性曲线(φ=0°)得该工况点的效率是91%，在最高效率区左边；

③最小水头对应的单位流量为1.5971m3/s、单位转速是154.35r/min，查JP502模型转轮综合特性曲线(φ=00)得该工况点的效率是90.5%，在最高效率区左边。

JP502-LH-120水轮机转轮在上述三个工况点效率比型号ZD560a-LH-120的水轮机转轮效率高，但都在JP502模型转轮综合特性曲线(φ=0°)高效区的左边，对小于设计值6.663m3/s的流量不利。

表5 三水头设计流量工况点效率

3.3 ZD560a-LH-120和JP502-LH-120的比较分析

由表2、表4数据可知：两个型号水轮机模型转轮在最大水头、设计水头、最小水头对应的最大流量和效率值，JP502-LH-120水轮机三个工况点的最大流量比ZD560a-LH-120水轮机大，并且效率高4%～6%。

特别是水轮发电机组在低水头运行时，JP502-LH-120水轮机的最大过流能力达7.347m3/s，比ZD560a-LH-120水轮机的最大过流能力6.717m3/s大，能充分利用来水流量，增加电站效益。但需调整调速器关机时段来确保压力输水管安全。

由表3、表5数据可知：两个型号水轮机模型转轮在设计流量与最大水头、设计水头、最小水头对应工况点水轮机转轮效率分析计算数据，JP502-LH-120水轮机转轮的效率比ZD560a-LH-120水轮机转轮高5.5%～7%。

根据上述分析计算可知，JP502-LH-120水轮机在设计流量6.663m3/s运行时，工况点都在JP502模型转轮综合特性曲线(φ=0°)最高效率区的左边，不足之处是对小于设计值6.663m3/s的流量运行不利。

再根据电站水轮机特征单位参数计算值可知：水轮机JP502-LH-120转轮单位转速的变化范围是126.77r/min～154.35r/min，转角φ=0°的JP502模型转轮最高效率工作区间单位转速变化范围是111r/min～148.7r/min，不足之处是水轮机运行时有点偏离最高效率区。

解决JP502-LH-120水轮机上述两个不足的办法：一是降低水轮机运行转速；二是减小水轮机转轮直径。降低水轮机运行转速的方法不现实，现对减小水轮机转轮直径进行分析论证。

4 JP502-LH-118水轮机可行性分析计算及安装

经初步分析，水轮机转轮型号还是选JP502，但水轮机转轮直径选为1.18m，即D1=1.18m。

4.1 水轮机JP502-LH-180可行性分析计算

在其他所有参数都不变的情况下，分析计算电站水轮机特征单位参数：

(1)对应的单位转速n11

由单位转速计算数据可知：水轮机JP502-LH-118转轮最大水头、设计水头、最小水头对应的单位转速比水轮机JP502-LH-120转轮的低，说明水轮机JP502-LH-118运行的高效区面积增大了，提高了水轮机运行效率。

(2)对应的单位流量Q11

由单位流量计算数据可知：水轮机JP502-LH-118转轮最大水头、设计水头、最小水头，与设计流量对应的单位流量比水轮机JP502-LH-120转轮的大。可提高小于设计值6.663m3/s流量的运行效率，而且设计流量对应的运行工况点在JP502模型转轮综合特性曲线(φ=0°)最高效率区右边，水轮机运行的高效区面积增大了，提高了水轮机运行效率。

(3)基于JP502-LH-118水轮机，根据电站水轮机特征单位参数计算值和JP502模型转轮综合特性曲线(φ=0°)，分析计算最大水头、设计水头、最小水头对应的最大流量和该工况点水轮机转轮效率如下：

表6 三水头最大流量及效率

由表4、表5数据可知：低水头运行时，JP502-LH-118水轮机比JP502-LH-120水轮机的最大过流能力略小，但比ZD560a-LH-120水轮机的最大过流能力6.717m3/s大，同样能充分利用来水流量，增加电站效益。

(4)基于JP502-LH-118水轮机，根据电站水轮机特征单位参数计算值和JP502模型转轮综合特性曲线(φ=0°)，分析计算，设计流量Qr=6.663m3/s与最大水头、设计水头、最小水头对应工况点位置及水轮机转轮效率如下：

①最大水头对应的单位流量为1.3481m3/s、单位转速是124.66r/min，查JP502模型转轮综合特性曲线(φ=0°)得该工况点的效率是92%、在最高效率区内偏右；

②设计水头对应的单位流量为1.5132m3/s、单位转速是139.93r/min，查JP502模型转轮综合特性曲线(φ=0°)得该工况点的效率是91.7%、在最高效率区右边；

③最小水头对应的单位流量为1.6413m3/s、单位转速是151.78r/min，查JP502模型转轮综合特性曲线(φ=0°)得该工况点的效率是90.2%、在最高效率区右边。

表7 三水头设计流量工况点效率

根据上分析计算：水轮机JP502-LH-118解决了水轮机JP502-LH-120两个不足之处，由表6、表7数据得知水轮机JP502-LH-118各运行指标都比水轮机ZD560a-LH-120强，设计工况点水轮机效率还提高了6.5%～7.7%，说明选择的机型可用，并且增效。所以水轮机选择为JP502-LH-118，转轮叶片角φ=0°。

4.2 安装实施

因水轮机转轮室空蚀较严重，为了进一步提高水轮机效率和安全需要，同时对水轮机转轮室进行了维修更换。转轮室直径减小了0.02m以满足水轮机转轮直径减小0.02m的要求。

5 效益分析及实际运行效果

5.1 效率方面

通过上述分析计算，利用2008年电站修复的机会，选择使用在能量、空蚀性能和运行稳定性、可靠性等方面已达到国际先进水平，性能优越的水轮机JP502-LH-118，替换ZD560a-LH-120水轮机，可提高水轮机效率6.5%～7.7%。

5.2 实际运行效果

电站水轮发电机组转轮和转轮室更换安装工程结束后，水轮发电机组投入发电运行，原水轮发电机组出力200kW以下运行时主机振动超标现象消失；多年平均发电量比更换转轮前增加10%。取得了良好的经济效益和社会效益，达到事半功倍的效果。