周艷輝，謝智樹，朱柱霞，王 鑫，彭忠年

（1.湖南省水府廟水電站，湘潭市 411424；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

湖南省水府廟水電站位于湘江支流漣水中游雙峰、湘鄉(xiāng)、婁底三縣(市)交界處的溪口，是集灌溉、防洪、發(fā)電、供水、旅游、養(yǎng)殖等綜合效益于一體的大型水利樞紐工程。水庫控制流域面積3160平方公里，總庫容5.6億m3，有效庫容3.7億m3，為不完全季調(diào)節(jié)水庫，灌溉面積100萬畝。1958年9月動(dòng)工修建，1960年9月第一臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。電站為壩式水電站，安裝4臺(tái)立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為7.5MW，總裝機(jī)容量為30MW。

1 水輪機(jī)改造的必要性

（1）能量指標(biāo)偏低。電站原HL365-LH-230水輪機(jī)為低水頭混流式，屬于套用美國30～40年代技術(shù)的機(jī)型，仿原蘇聯(lián)模型PO-365產(chǎn)品，相當(dāng)于國產(chǎn)HL365型號(hào)產(chǎn)品，在水力設(shè)計(jì)與性能方面存在缺陷，目前已屬于淘汰機(jī)型。并且由于受當(dāng)時(shí)生產(chǎn)工藝、加工水平和生產(chǎn)能力的限制，水輪機(jī)實(shí)際額定點(diǎn)效率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

（2）機(jī)組過流部件磨損嚴(yán)重。電站投運(yùn)至今已超過設(shè)計(jì)使用年限，轉(zhuǎn)輪磨損、汽蝕愈來愈嚴(yán)重，葉片翼型偏離設(shè)計(jì)型線，水輪機(jī)效率降低，耗水率高，機(jī)組運(yùn)行中振動(dòng)不斷加大。

（3）選型與電站實(shí)際情況不符。經(jīng)多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和重新核算，電站實(shí)際額定水頭在24.0m左右，而原選型HL365水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭為27.7m，兩者相差較大，導(dǎo)致水輪機(jī)無法在最優(yōu)工況運(yùn)行，不利于電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 水輪機(jī)技術(shù)改造方案

2.1 改造基本技術(shù)要求

考慮到電站現(xiàn)有設(shè)備的實(shí)際情況以及土建工程等因素，在不改變水工建筑物、引水系統(tǒng)及水輪機(jī)蝸殼、座環(huán)和尾水管等埋入部分的前提下，采取更換水輪發(fā)電機(jī)組其它部件，以達(dá)到明顯提高機(jī)組運(yùn)行效率的方案。設(shè)定在額定水頭Hr＝24m時(shí)，發(fā)電機(jī)出力增容至9MW左右的目標(biāo)，并保證水輪機(jī)的空化、機(jī)組的飛逸轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定性等其它技術(shù)指標(biāo)的安全可靠。水輪機(jī)技術(shù)改造的特征水頭為：最大水頭27.5m，最小水頭17.5m，加權(quán)平均水頭為24.62m，額定水頭為24m。

2.2 參數(shù)的選擇

受水輪機(jī)埋入部分結(jié)構(gòu)尺寸與電站裝置空化系數(shù)的限制，技改機(jī)組仍然采用導(dǎo)葉相對高度為b0=0.391D1的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

技改后的水輪機(jī)額定水頭初步選定為24m，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速選定為187.5r/min以下。在水頭為24m時(shí)，水輪機(jī)出力Nr達(dá)到9.0MW，相應(yīng)的發(fā)電機(jī)組出力Ng為8.7MW；在水頭為24.6m，水輪機(jī)出力Nr達(dá)到9.4MW，相應(yīng)的發(fā)電機(jī)組出力Ng為9MW。

機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)為帶基荷運(yùn)行，因此在選擇技改水輪機(jī)的水力參數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量使水輪機(jī)的主要運(yùn)行工況位于水輪機(jī)性能最優(yōu)區(qū)。

2.3 改造方案

目前國內(nèi)開展水頭段低于40m的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的研發(fā)較少，因此無法選擇已有轉(zhuǎn)輪模型。中國水利水電科學(xué)研究院于2011年完成了應(yīng)用于20～45m水頭段的JF36系列（b0=0.365D1）新型水輪機(jī)開發(fā)研究試驗(yàn)，轉(zhuǎn)輪的模型最優(yōu)效率突破了94%，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。本次技術(shù)改造選擇了中國水利水電科學(xué)院提供的兩種轉(zhuǎn)輪技改方案，并進(jìn)行了比較。

方案1：選擇JF36系列中的JF3635D型轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪直徑仍為D1＝2300mm，機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速為166.7r/min。

本方案以水輪機(jī)埋入部分幾何尺寸為約束條件，將JF3635D的導(dǎo)葉由原高度b0＝0.365D1延長至b0＝0.391D1后作為技改水輪機(jī)的導(dǎo)葉，并將JF3635D型轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)流線進(jìn)口處進(jìn)行局部修改，使之與導(dǎo)葉相匹配。同時(shí)對尾水錐管進(jìn)口作局部處理，使之與轉(zhuǎn)輪出口相匹配。修改后的水輪機(jī)型號(hào)命名為JF3920A-LH-230，水輪機(jī)流道如圖1所示。

對JF3920A-LH-230型水輪機(jī)的導(dǎo)葉區(qū)、轉(zhuǎn)輪區(qū)和尾水管內(nèi)部進(jìn)行CFD流場分析，根據(jù)CFD分析結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)，預(yù)估的JF3920A-35水輪機(jī)模型綜合特性曲線、JF3920A-230運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線如圖2所示。技改水輪機(jī)的主要性能參數(shù)如下：

A.水輪機(jī)型號(hào)及額定轉(zhuǎn)速

JF3920A-LH-230, n=166.7r/min

B.水輪機(jī)最優(yōu)工況參數(shù)

n'10=74.23r/min, Q'10=1.294m3/s

ηmmax=94.34%

C.額定工況參數(shù)

H=24m n'1=78.26r/min Q'1=1.678m3/s,

Qr=43.49m3/s ηp=88.5% ηm=88.0%,

σm=0.24 ns=298.5m-kW

水輪機(jī)出力：Nr=9.062MW

發(fā)電機(jī)出力：Ng=8.7MW

（取發(fā)電機(jī)效率ηg=96%，考慮到尾水管的影響，水輪機(jī)原、模型效率修正值Δη=ηp-ηm=0.5%，下同）

D.機(jī)組出力達(dá)到9MW的最低水頭及其工況參數(shù)

H=24.79m n'1=77.01r/min

Q'1=1.644m3/s Q=43.3m3/s

ηp=89.0% ηm=88.5% σm=0.225

水輪機(jī)出力：Nr=9.375MW

發(fā)電機(jī)出力：Ng=9.0MW

E.吸出高度

取汽蝕安全系數(shù)k=1.4，則額定工況點(diǎn)水輪機(jī)要求的吸出高度Hs=+2.0m；H=24.79m、發(fā)電機(jī)出力為9 M W 時(shí)要求的吸出高度Hs=+2.1m。

F.最高飛逸轉(zhuǎn)速

JF3920A型水輪機(jī)模型最高單位飛逸轉(zhuǎn)速n'1Rmax=134.6r/min，在最高水頭27.5m下，原型水輪機(jī)最高飛逸轉(zhuǎn)速nRmax=307r/min。

G.軸向水推力

J F 3 9 2 0 A 型水輪機(jī)模型水推力系數(shù)K=0.30～0.48，在最高水頭27.5m下，原型水輪機(jī)最大水推力為538kN。

方案2：選擇JF36系列中的JF3633F型轉(zhuǎn)輪作為技改方案，技改機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速與原轉(zhuǎn)速一致，為187.5r/min。水輪機(jī)的型號(hào)命名為JF3917-LH-230，水輪機(jī)流道簡圖如圖3所示。

同樣，對JF3917-LH-230型水輪機(jī)的導(dǎo)葉區(qū)、轉(zhuǎn)輪區(qū)和尾水管內(nèi)部進(jìn)行CFD流動(dòng)分析。根據(jù)CFD分析結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)，預(yù)估的JF3917-35水輪機(jī)模型綜合特性曲線、JF3917-230運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線如圖4所示。本技改方案水輪機(jī)的主要性能參數(shù)如下：

A.水輪機(jī)型號(hào)及額定轉(zhuǎn)速

JF3917-LJ-230 n=187.5r/min

B.水輪機(jī)最優(yōu)工況參數(shù)

n'10=82.74r/min Q'10=1.312m3/s

ηmmax=93.49%

C.額定工況參數(shù)

H=24m n′1=88.03r/min,

Q'1=1.671m3/s Qr=43.31m3/s,

ηp=88.87% ηm=88.37% σm=0.241

ns=335.8m-kW

水輪機(jī)出力：Nr=9.062MW

發(fā)電機(jī)出力：Ng=8.7MW

（取發(fā)電機(jī)效率ηg=96%，考慮到尾水管的影響，水輪機(jī)原、模型效率修正值Δη=ηp-ηm=0.5%，下同）

D.機(jī)組出力達(dá)到9MW的最低水頭及其工況參數(shù)

H=24.72m n'1=86.73r/min,

Q'1=1.6515m3/s Q=43.44m3/s,

ηp=88.97% ηm=88.47% σm=0.24。

水輪機(jī)出力：Nr=9.375MW

發(fā)電機(jī)出力：Ng=9MW

E.吸出高度

取汽蝕安全系數(shù)k=1.4，則額定工況點(diǎn)水輪機(jī)要求的吸出高度Hs=+1.86m；H=24.72m、發(fā)電機(jī)出力為9MW時(shí)要求的吸出高度Hs=+1.63m。

F.最高飛逸轉(zhuǎn)速

JF3917型水輪機(jī)模型最高單位飛逸轉(zhuǎn)速n'1Rmax=165r/min，在最高水頭27.5m下，原型水輪機(jī)最高飛逸轉(zhuǎn)速nRmax=376.2r/min。

G.軸向水推力

J F 3 9 1 7 型水輪機(jī)模型水推力系數(shù)K=0.30～0.48，在最高水頭27.5m下，原型水輪機(jī)最大水推力為538kN。

2.4 方案比較

1）技術(shù)手段。方案1：JF3920-LH-230型水輪機(jī)是將完整的JF3635D型轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)用于技改水輪機(jī)流道中，并經(jīng)過CFD分析比較驗(yàn)證而獲得。方案2：JF3917-LH-230型水輪機(jī)是以JF3633F型轉(zhuǎn)輪葉片為基礎(chǔ)，將轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)單位轉(zhuǎn)速提高3.5 r/min（設(shè)計(jì)單位流量不變）后，進(jìn)行轉(zhuǎn)輪葉片水力優(yōu)化設(shè)計(jì)并經(jīng)CFD分析比較驗(yàn)證而獲得。方案1的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪JF3635D，經(jīng)過完全的CFD分析及模型試驗(yàn)測試驗(yàn)證，性能曲線、數(shù)據(jù)完整詳實(shí)，而方案2轉(zhuǎn)輪由原有JF3633F型轉(zhuǎn)輪改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，根據(jù)CFD分析結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)預(yù)估，得出相關(guān)的性能曲線未經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，因此方案1的技術(shù)基礎(chǔ)更為堅(jiān)實(shí)。

2）水力性能。在24m額定水頭下的機(jī)組出力均可以達(dá)到8.7MW，在24.8m以上水頭下的機(jī)組出力均可以達(dá)到9MW。兩個(gè)方案的水輪機(jī)均具有很高的效率水平，水輪機(jī)主要運(yùn)行區(qū)均位于性能最優(yōu)區(qū)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪均具有較大的空蝕安全裕量。方案1的額定轉(zhuǎn)速低于方案2，在相同水頭、相同出力的工況點(diǎn)，方案1的比轉(zhuǎn)速低于方案2。從水輪機(jī)效率、空化及水力穩(wěn)定性等參數(shù)方面進(jìn)行比較，方案1均優(yōu)于方案2。

3）經(jīng)濟(jì)性。由于方案1的額定轉(zhuǎn)速低于方案2，因此方案1的機(jī)組造價(jià)高于方案2。

經(jīng)綜合比較，選擇技改方案1：JF3920-LH-230型水輪機(jī)。

3 技術(shù)改造效果

水府廟水電站水輪機(jī)增效擴(kuò)容技術(shù)改造工作于2012年12月完成，投入實(shí)際運(yùn)行后機(jī)組出力有了大幅提高：凈水頭為23m時(shí)，原機(jī)組出力約為6.5MW左右，而技改機(jī)組出力可達(dá)8.3MW，較原機(jī)組提高約27.7%。機(jī)組振動(dòng)基本消失，運(yùn)行穩(wěn)定性獲得明顯改善，技術(shù)改造取得良好效果。

4 結(jié)語

有針對性的機(jī)組增效擴(kuò)容改造，可以有效的解決我國早期建成的許多水電站都存在的水力模型落后、選型不當(dāng)、設(shè)備陳舊、運(yùn)行效率低、穩(wěn)定性差等問題。老舊電站的增效擴(kuò)容改造，可以有效提高機(jī)組能量參數(shù)指標(biāo)，減少機(jī)組維護(hù)工作量和維護(hù)成本，合理有效利用水資源，提高發(fā)電效益，消除機(jī)組存在的安全隱患，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]武漢水利水電學(xué)院.水輪機(jī)[M].北京: 水利電力出版社, 1989.

[2]JF3920A-35型、JF3917-35型水輪機(jī)CFD分析結(jié)果[R].北京: 中國水利水電科學(xué)研究院, 2011.

[3]水府廟水電站增效擴(kuò)容改造工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].長沙: 湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)總院, 2011.