双涧溪电站水轮机增效扩容改造方案研究

林长产，张 翼，吴庆超

(1.浙江宇丰水电集团有限公司，浙江 泰顺 325500；2.泰顺县双涧溪水力发电有限公司，浙江 泰顺 325500；3.泰顺仙居水力发电有限公司，浙江 泰顺 325500)

0 引 言

随着经济的发展和能源需求的提高，现有水电站容量已不能满足电力需求，而新建设水电站面临着地理、环境和资金等限制，故对现有水电站进行增容改造成为重要途径。在国内外研究中，已有许多学者提出了有效的改造方法和技术。

苗苗等[1]、潘丽枫等[2]以及肖妮等[3]分别对山东省农村水电、缙云县“十三五”农村水电、浙江省水电增效扩容改造项目进行了分析总结。何良超[4]对安徽纪村水电站增效扩容改造前、后机组状况进行分析总结。薛鹏等[5]将中小型水电站的改造工作分类研究并给出相应的解决方案。肖建军等[6]提出了一种结合进水口结构优化达到电站增效扩容效益最大化的改造新思路。Hu Huali[7]、Yang Hongfeng[8]、Xu Shiyuan[9]、Xian Jun Wang[10]分别分析了艾布三级水电站、奈良水电站、古田溪水电站以及葛洲坝水电站的改造方案，并讨论了系统改造的重要性、必要性和可行性。其中，水轮机是水电站的“心脏”，其容量和效率对水电站的增效扩容改造起关键性的作用。针对电站的具体运行状况，为了提高电站效率，刘振龙[11]通过更换HLA551C新型转轮并重新设计了顶盖等部件。黄日华[12]针对那多水电站，采用HL100—WJ—88转轮更换原有水轮机的HLD54—WJ—88转轮，并对相关机组结构和部件进行了改造分析。柳海鹏[13]提出了加大桨叶转角、叶片局部修型和顶盖增设补气孔的改进方案，解决了电站更换为贯流式转轮而产生的出力不足的问题。雷恒[14]针对我国卧式混流式水轮机严重老化、达不到额定出力等问题，探讨了混流式水轮机转轮和导水机构的优化设计。

基于上述背景，对水轮机的增容改造进行深入研究和探索，是为了进一步了解现有水轮机存在的问题和局限性，并为制定有效的增容改造策略提供科学依据。通过对水轮机的增容改造研究，可以挖掘其潜在的能力和效率，进一步提高水电利用率，实现更好的经济效益。

1 工程概况

双涧溪电站始建于20世纪80年代，原总装机容量为6 400 kW(2×3 200 kW)。由于年代久远，机组各方面状态大不如前，转轮气蚀严重，机组出力效率明显降低；原水轮机出力为3 170 kW，不能满足发电机满发3 200 kW的需求。因此，为充分合理利用水资源，结合双涧溪水电站工程特性，对水轮机部分部件进行技术改造，优选技术可行、经济性好的技改方案，以提升机组出力，增加电站经济效益；工程其他信息如表1所示。

表1 工程特性表

2 增效扩容改造方法

2.1 数学模型

2.1.1 水轮机的出力模型

水轮机的出力取决于过机流量、有效水头、水轮机的效率等，其关系如公式(1)所示：

P=9.81QHηt

(1)

式中，P为水轮机轴端的输出功率，即水轮机出力(kW)；Q为单位时间内通过水轮机某一既定过流断面的水流体积(m3/s)；H为水轮机做功的有效水头，即水轮机水头(m)；ηt为水轮机的效率，效率小于1。

水轮机的过机流量与水流速度和过流断面有关，如公式(2)所示：

Q=v·s

(2)

式中，v为通过水轮机某一既定过流断面的水流的速度(m/s)；s为水轮机某一既定过流断面的面积(m2)。

水轮机有效水头与转轮进出口水流运动参数之间的关系实质上也都表明了水轮机中水能转换为转轮旋转机械能的基本平衡关系，是自然界能守恒定律的另一种表现形式，如公式(3)所示；也可以用水电站毛水头估算，如公式(4)所示：

(3)

H=Hg-Δh

(4)

式中，Hg为水电站毛水头(m)，Δh为水电站引水建筑物中的水力损失(m)。

水轮机将水流的输入功率转变为旋转轴的输出机械功率，在这个能量转换过程中存在各种损失，其中包括水力损失、漏水容积损失和摩擦机械损失等；因而使得水轮机的输出功率总是小于水流的输入功率。水轮机输出功率与水流输入功率之比称为水轮机效率，常用λ表示。因而，水轮机总效率是由水力效率、容积效率和机械效率组成的。

水轮机的水力效率如式(5)所示：

(5)

式中，H为水轮机的工作水头(m)，Σh为通过水轮机的水头损失(m)。

水轮机的容积效率如公式(6)所示：

(6)

式中，Q为进入水轮机的流量(m3/s)，Σq为流量损失(m3/s)。

水轮机的机械效率如公式(7)所示：

(7)

式中，Pe为水流作用在转轮的有效功率(kW)，ΔPj为机械损失(kW)。

Pe=9.81QHηsηv

(8)

式中，Q为进入水轮机的流量(m3/s)，H为水轮机的工作水头(m)，ηs为水力效率，ηv为容积效率。

水轮机的总效率如公式(9)所示：

η=ηsηvηj

(9)

式中，ηs为水力效率，ηv为容积效率，ηj为机械效率。

2.1.2 水轮机的单位参数

在进行水轮机原模型修正时，需要确定水轮机的单位流量(公式10)和单位转速(公式11)：

(10)

式中，单位流量Q11表示当转轮直径D1=1 m、有效水头H=1 m时，该系列水轮机的实际有效流量(m3/s)。

(11)

式中，单位转速n11表示当转轮直径D1=1 m、有效水头H=1 m时，该系列水轮机的实际转速(r/min)。

2.2 改造方法

2.2.1 水电站改造方法

水电站增效扩容改造指对现有水电站进行技术升级和容量扩充的改造，这种改造旨在提高水电站的发电效率，减少能源损失；同时增加其发电能力，以满足日益增长的电力需求。

(1)水轮机改造

开展水轮机改造工作主要可以从以下几个方面入手[15]：一是更换原有的转轮。结合电站运行的实际情况，选择了目前最新也是最适合电站的转轮。转轮叶片要引用不锈钢材料制成，具有良好的抗锈蚀作用。二是采用铺焊不锈钢钢板作为加工制造的主要材料。在对水轮机前后的导叶进行封水线期间应用铺焊不锈钢板，提高导水机构的密封性能，进而使水轮机的导叶达到验收的标准。三是更换水轮机内外顶盖、活动导叶、底环、转轮室等部件。

(2)发电机改造

在对中小型水电站的发电机进行改造时，需要在改造后的水轮机的作用下来完成发电机改造的工作。通过更换高效的发电机部件，如转子、定子和轴承等，来减少能量损耗和热量散失；改进发电机的冷却系统提高其散热效果，降低温度，从而减少能量损耗并延长设备寿命，增加发电机的容量；通过增加绕组或更换更大功率的发电机，来增加其输出容量等。

(3)水工建筑物改造

主厂房及副厂房内、外墙体粉刷装饰保温，室内地面由大理石地面改为铺设地坪漆；更换厂房门窗；对中控室、集控中心和机房装修装饰；电站大坝上游新建拦污进水闸；开关站及厂区地面处理，尾水渠护坡修整，尾水隔墩混凝土冻害修复，交通桥维修等。

2.2.2 水轮机改造方法

进行增效扩容改造的水电站受到诸多因素的影响，因此必须综合考虑各种限制条件。对于中小型水电站，首先需要了解当前的电站运行情况，主要包括原水轮机结构、引水系统结构、导水机构的结构及导叶的调节范围、电站的水量变化、机组的运行方式及运行特点、当地上网电价等。然后，分析原水轮机存在问题，并初步提出改造目标。分析机组改造限制条件，包括机组结构尺寸、发电机容量、主轴和其他部件的强度、导叶开度、调速器容量、飞逸转速等限制。接着，进行水轮机组的优化设计、技术改造部件的制造、技术改造后的水轮机组安装、技术改造后的水轮机组运行。最后，进行技术改造工作总结。

其中，水轮机选型开发包括水轮机转轮的水力设计及流动分析(效率与空化性能的评估等)、水轮机的结构优化设计等，如有必要，还需进行优化设计方案的模型试验验证。

3 改造前后对比分析

3.1 主要改造内容

双涧溪电站改造内容主要包括改造转轮，改造活动导叶并配衬套和导叶密封，改造底环、顶盖及其止漏环。

3.1.1 改造转轮

厂房内、新转轮上冠、下环、叶片均采用铸造不锈钢材质，上冠上设有止漏环。止漏环与上冠为同一本体结构；转轮叶片采用数控加工，以确保型线。转轮完成加工后，应当进行静平衡试验，经检验合格后才能出厂。

3.1.2 改造活动导叶，并配衬套和导叶密封

新的导叶采用铸造不锈钢材质，导叶型线适应新转轮运行。导叶采用数控加工，以确保型线。衬套及导叶密封适应新导叶及改造后的顶盖底环。

3.1.3 改造底环、顶盖及其止漏环

底环保留本体，拆除护板，新护板及密封环采用不锈钢板材。顶盖保留本体，拆除护板，新做护板、护环；新护板采用不锈钢板材。新止漏环采用铸造不锈钢材质。底环、顶盖改造和新止漏环的加工创造要充分考虑新转轮及导叶等综合因素，以利于机组运行。

3.2 改造方案

本电站原机型为HLA216—LJ—84，本次改造水轮机转轮的选取要充分考虑该电站的具体水头参数情况，选择效率更优、抗气蚀性能更好、运行稳定性更佳的新型转轮，才有利于保证电站改造后的效益。改造后水轮机额定出力为3 500 kW，能够满足电机满发3 200 kW的需求。经过比选，推荐采用C451转轮作为此次改造方案的推荐转轮。

3.3 增效扩容改造前后对比分析

3.3.1 性能分析

双涧溪电站原HLA216—LJ—84型水轮机在设计参数不变的情况下，经过技术改造，出力可达3 500 kW；改造前后水轮机模型综合特性曲线如图1所示。水轮机模型综合特性曲线以单位转速和单位流量为横纵坐标，包含效率曲线、等空化系数曲线、5%出力限制线等，这些特性曲线能够全面反应水轮机的性能。水轮机模型综合特性曲线对比数据表如表2所示，改造前后出力对比数据如表3所示。

(a)改造前(HLA216)

表2 水轮机模型综合特性曲线对比数据表

表3 改造前后发电机出力对比表(水头109 m，导叶开度83%)

HLC451转轮相比较于HLA216转轮，在最优工况下具有较高的单位流量与较低的单位转速，而且效率明显高于HLA216转轮。从转轮模型综合特性曲线来看，HLC451在额定工况下工作于较高效率区，效率为94%；而HLA216已明显偏离高效率区，效率为87%。

对于HLC451转轮，效率曲线整体扁平，在流量变化较大时，效率变化不大且保护在较高效率内。根据表2对比，经改造后，转轮的过流能力及效率得到提升，且最大空化系数由0.065降低至0.06，具有更好的抗蚀能力；在转轮直径相同的情况下，HLC451转轮总体性能要优于HLA216转轮。

3.3.2 成效分析

(1)生态效益

在进行水轮机增容改造的同时，可以同步实施生态修复工程，全面推进电站改造及河道生态修复，增强自然河道与人工建造工程的和谐相处，建设绿色水电站。水轮机增效扩容改造可以增加水电站的发电能力，减少对其他形式能源的依赖，从而减少对天然资源的开采和破坏，有利于保护野生动植物及其栖息地。通过增加水轮机的效率和产能，可以充分利用水资源，减少对水资源的浪费，实现资源的可持续利用。

(2)社会效益

水轮机增效扩容改造可以增加水电站的发电能力，为社会提供更多的清洁、可再生能源，减少对传统能源的需求，推动低碳经济的发展。

增容后的水轮机运行平稳，能够达到增容设计的出力，增加了水电站对电网的供电量，能够改善电网供需矛盾，提高对电网的供电保证率；并且在提升发电效益的同时巩固供水、灌溉、防洪、交通等综合效益，对周边地区的社会经济发展起到推动作用。

(3)经济效益

通过提高水轮机的效率和产能，可以增加发电量，从而提高水电站的经济收入。能够满足不断增长的能源需求，有利于降低电力供应成本，并提高能源市场的竞争力。其次，改造项目通常采用先进的技术和设备，提高了水轮机的运行效率，减少了维护费用和能源消耗，降低了水电站的运营成本。此外，水轮机增效扩容改造还能够延长设备寿命，减少故障和维修次数，降低了维护和修复的成本。

4 结 论

(1)双涧溪电站经过改造后，转轮HLC451比原转轮HLA216在转轮效率、抗气蚀性能、运行稳定性各方面都有很明显的优势，从长期安全稳定运行和改造后出力更有效地满足改造要求的角度考虑，建议优先采用HLC451型转轮来保证达到改造目的。

(2)水轮机增效扩容改造在生态效益、社会效益和经济效益三个方面都具有明显的优点。从生态角度看，它能提高资源利用效率、减少环境污染，并促进生物多样性保护。在社会层面，它为社会提供清洁能源，增加就业机会，并建设基础设施。而从经济角度看，它能增加发电量、降低运营成本、提高电力系统稳定性，给电力行业和整体经济带来明显的效益。