孫江 周學均 馬恩君

摘 要：文章通過對榮桓電站改造的說明，提出了僅改造水輪機轉(zhuǎn)輪及相關件來提高機組過流能力、增加電站效益的改造思路，闡明了貫流式水電站水輪機改造的方法，對同等條件及類型的電站改造提供了依據(jù)。

關鍵詞：電站改造；貫流式電站；水輪機

榮桓水電站是以羅榮桓元帥名字命名的中型徑流式水電站，位于湘江一級支流—— 水的高湖渡口，由于目前上游電站的設計流量大于榮桓電站流量，在上游電站額定運行時，榮桓電站需要棄水，導致資源浪費，因此，需要對電站進行增容改造，以提高機組的過流能力，減少棄水，進一步提高電站效益。

榮桓電站機組部分改造方案初步確定為將轉(zhuǎn)輪更換，發(fā)電機定子及轉(zhuǎn)子更換，調(diào)整機組轉(zhuǎn)速，并對其余部件進行適當修復，從而保證整體匹配，在改造后實現(xiàn)增容的目標。

1 改造前后對比

1.1 選型參數(shù)對比

榮桓電站原轉(zhuǎn)輪為天津發(fā)電設備總廠的TF08轉(zhuǎn)輪，研制于上世紀80年代，綜合效率尚可，但是機組在大流量時震動較大，目前改造時采用經(jīng)過優(yōu)化后的TF08C轉(zhuǎn)輪，兩轉(zhuǎn)輪對比參數(shù)見表1。

表1 原轉(zhuǎn)輪與新轉(zhuǎn)輪相關參數(shù)對比表

由表1可以看出，相對于老轉(zhuǎn)輪，新轉(zhuǎn)輪輪轂比較小，導葉高度較原轉(zhuǎn)輪小，但是相差不大，選用新轉(zhuǎn)輪后，機組過流能力加大，從而保證能夠有較大的機組出力。

1.2 流道對比

原流道與新轉(zhuǎn)輪流道相比（均按3.3m轉(zhuǎn)輪直徑設計），新轉(zhuǎn)輪外緣按照3.35m設計。

表2 兩轉(zhuǎn)輪按模型流道換算后流道對比

從表2看出，兩個模型轉(zhuǎn)輪換算的流道進口尺寸基本一致，流道出口尺寸有一定差別，新轉(zhuǎn)輪流道出口尺寸大，從理論上說回能性能更好。

1.3 導葉至槳葉段對比

由于新轉(zhuǎn)輪槳葉輪轂比小，因此，對槳葉至導葉段內(nèi)側(cè)流道進行了修改，對比如圖1所示。

圖1中粗線為原流道，細線為改造后流道。

1.4 導葉對比

改造時沒有對導葉進行修改，從對比上看，導葉尾部翼型相差不大，頭部有一定出入，對比圖如圖2所示。

圖2 改造前后導葉型線對比

圖2中A區(qū)域為原導葉，B區(qū)域為新轉(zhuǎn)輪導葉，對比可以看出，新導葉頭部短，并且相對曲率小。

1.5 流道漸變段比較

相對于新轉(zhuǎn)輪，原轉(zhuǎn)輪在流道漸變段有兩個拐點，而新轉(zhuǎn)輪流道只有一個拐點（見圖3），從理論上說，原流道突變量小，流動應更加平滑。也就是說，原流道在漸變點的處理上更加先進，但是就是現(xiàn)場施工相對較困難。

圖3 新舊轉(zhuǎn)輪流道漸變段對比

圖3中粗實線為原漸變位置流道，細實線為新轉(zhuǎn)輪漸變位置流道。

從流道對比可以看出，進口段流道尺寸相差不大，包括在漸變位置，其相差都不大，但是在出口位置，新流道的出口擴散角大，同時出口斷面比原流道大，因此，在相同流量下，如果采用新轉(zhuǎn)輪安裝于原流道上，可能會出現(xiàn)因為出口流速高而導致的機組回能系數(shù)不足，機組效率下降，但是在設計點附近，出口流速為2.5m/s，與現(xiàn)在通用的設計參數(shù)相比比較切合，可以滿足要求。綜合上述，從理論上分析，新的改造可以滿足要求。

2 改造實際實施措施

由于文章僅討論水輪機改造，發(fā)電機改造相關內(nèi)容文章不做描述。根據(jù)初步方案，制定詳細的改造措施如下。

2.1 轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪是水輪發(fā)電機組的核心部件，其作用是將水力能轉(zhuǎn)換為機械能，并通過主軸傳遞給發(fā)電機轉(zhuǎn)子，最后轉(zhuǎn)換成電能。

更換全新轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪型號GZTF08C，轉(zhuǎn)輪名義直徑φ3.35m。葉片可根據(jù)水頭及負荷通過調(diào)速器自動調(diào)整并與導葉協(xié)聯(lián)，以保證在各種工況下均具有最佳效率。新轉(zhuǎn)輪過流能力明顯提高，所需調(diào)速功也有所增加，為可靠操作槳葉。將調(diào)速器、油壓裝置工作壓力等級調(diào)升至4.0MPa。新轉(zhuǎn)輪輪轂比為0.3，三葉片，沖壓式結(jié)構。轉(zhuǎn)輪裝配包括轉(zhuǎn)輪體、葉片、葉片操作系統(tǒng)、泄水錐等。

葉片操作系統(tǒng)采用充壓式——活塞操作架合一的結(jié)構，活塞位于轉(zhuǎn)輪體后部用卡環(huán)與活塞桿連接，由受油器的開關油腔壓力油推動活塞運動，再通過耳柄、連桿、轉(zhuǎn)臂操縱葉片轉(zhuǎn)動。

改造后的操作系統(tǒng)采用新的密封和導向結(jié)構。原葉片操作系統(tǒng)采用活塞配鑄鐵密封環(huán)、配導向鍵的轉(zhuǎn)輪體槳葉操作機構，由于設計、制造、安裝和運行的原因，極易造成活塞與轉(zhuǎn)輪體接力器缸體的間隙過小，甚至為硬性直接接觸，造成損傷缸體，即所謂拉缸現(xiàn)象。而且這種結(jié)構由于三道活塞環(huán)在同方向開口，活塞與導向鍵三面均有一定間隙，也容易造成轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部串油較大。許多電站均不同程度的出現(xiàn)拉缸情況。在每次損傷后的盤車檢查中發(fā)現(xiàn)活塞與轉(zhuǎn)輪體缸體內(nèi)壁底部沒有間隙。同時這種損傷均造成轉(zhuǎn)輪體活塞串油嚴重，油壓裝置油泵啟動頻繁，機組運行不穩(wěn)定。對電站運行十分不利。

新葉片操作系統(tǒng)活塞密封采用整圈的具有自補償功能的標準孔用方形圈（GSF），配2個導向環(huán)，使活塞與轉(zhuǎn)輪體不直接接觸，避免了接觸損傷轉(zhuǎn)輪體接力器缸。此結(jié)構是液壓行業(yè)成熟結(jié)構，密封性能良好。從而徹底解決了由于轉(zhuǎn)輪體接力器缸損傷和由活塞環(huán)導向鍵密封不良造成的漏油和竄油問題。大大延長轉(zhuǎn)輪體接力器缸使用壽命，有效延長油壓裝置油泵啟動時間。對機組檢修和運行都十分有利。

2.2 導水機構裝配

根據(jù)新的技術要求，由于轉(zhuǎn)輪操作油壓調(diào)整，同時根據(jù)新轉(zhuǎn)輪特性，增加導葉開度，因此采用新接力器，將工作壓力調(diào)升至4.0MPa，以滿足操作力和行程要求。在導葉套筒原件上新加工密封溝槽，采用新型JMF密封件，解決導葉軸頭漏水問題。根據(jù)導葉型線對比，導葉返廠進行修型，將導葉型線按照新的導葉型線加工，采用數(shù)控加工，以有效的保證型線精度。

2.3 埋入部分

改造后的轉(zhuǎn)輪裝配轉(zhuǎn)輪直徑為φ3350mm，為滿足轉(zhuǎn)輪流道要求，需要更換新的轉(zhuǎn)輪室，轉(zhuǎn)輪室上方葉片轉(zhuǎn)動球面部分，120°范圍內(nèi)采用不銹鋼材料，其余部分材料采用Q235A。

2.4 主軸改造（原件上加工）

改造后的轉(zhuǎn)輪裝配輪轂比由原來的0.4調(diào)整為0.3，流道明顯加寬，與主軸法蘭配合處直徑由原來的φ1126調(diào)整為φ996，為適應新流道要求，需要在原主軸基礎上進行修復及深加工。

包括：（1）修復、配車與主軸密封配合段。（2）并按新轉(zhuǎn)輪重新配車法蘭、補孔、鏜孔、配制銷孔需要深加工的部位。

2.5 主軸密封

原密封結(jié)構不能適應新轉(zhuǎn)輪過流能力要求，因此需要改造密封結(jié)構。主軸工作密封為戈爾盤根填料式密封，襯套為不銹鋼制造，密封漏水由排水管自流排至集水井，檢修密封為空氣圍帶式，工作壓力為0.7MPa。

3 結(jié)束語

榮桓電站改造首臺機組于2012年8月15日并網(wǎng)發(fā)電，經(jīng)過調(diào)試后，機組出力相對原機組出力增加150～300kw，達到了預期目標，改造成功。

通過實際運行發(fā)現(xiàn)，改造后機組出力明顯大于原出力，同時機組運行穩(wěn)定，噪音小于原機組，改造效果良好。本次改造的成功可以為同類型機組的改造提供實際案例。

參考文獻

[1]哈爾濱大電機研究所.水輪機設計手冊[Z].1975.

[2]水輪機原理及水力設計[M].北京：清華大學出版社，1991，9.

[3]邵衛(wèi)云.轉(zhuǎn)輪葉柵參數(shù)對貫流式水輪機性能的影響[J].河海大學學報，1997，25（2）：3.