楊中瑞，李愛民，余建軍

(四川水利職業(yè)技術(shù)學院，四川都江堰611830)

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小型立軸混流式水輪機增效擴容改造選型及流道匹配

楊中瑞，李愛民，余建軍

(四川水利職業(yè)技術(shù)學院，四川都江堰611830)

小型水電站增效擴容改造工作中，立軸混流式水輪機由于受原已經(jīng)建成的水工建筑物及機組流道的限制，轉(zhuǎn)輪直徑、導葉高度、尾水管尺寸等改造難度很大。結(jié)合橫山廟水電站增效擴容改造的機組選型設(shè)計，對立軸混流式機組改造的轉(zhuǎn)輪選型及流道匹配進行了較為深入的研究，總結(jié)出了充分利用原水輪機預(yù)埋部件，選擇性能優(yōu)良的合適水輪機轉(zhuǎn)輪，并進行流道匹配的改造方法，在技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理、工程質(zhì)量可控的前提下，增容幅度可達到25%的良好效果。圖3幅，表1個。

水電站；增效擴容；機組選型；流道匹配

1　概　述

水輪機改造是水電站增效擴容改造過程中一項非常重要的工作，直接影響改造的整體效果；而對數(shù)量眾多的立軸混流式機組改造，由于受原已經(jīng)建成的水工建筑物以及機組流道的限制，一般認為轉(zhuǎn)輪直徑、導葉高度、尾水管尺寸等很難改變，改造過程中轉(zhuǎn)輪選型及流道匹配難度很大。四川省玉溪河灌區(qū)管理局橫山廟水電站增效擴容改造工程在參建各方的共同努力下，通過合理的水輪機選型和流道匹配，取得了較好的改造效果。

橫山廟水電站隸屬于四川省玉溪河灌區(qū)管理局，是玉溪河灌區(qū)干渠流域開發(fā)的第一級電站，上接玉溪河灌區(qū)取水樞紐，下接玉溪河管理局趙溝電站。電站于1977年7月動工興建，1978年5月第一臺機組投入運行，1980年3月第二臺機組投入運行。電站原設(shè)計裝機容量2×3 200 kW，設(shè)計水頭43 m，引用流量2×10 m3/s，采用立軸混流式水輪發(fā)電機組。

由于受當時諸多因素影響，技術(shù)管理不規(guī)范，可供選擇的機型較少，將30 m左右水頭段的HL123(HL240)轉(zhuǎn)輪套用于本電站，造成水輪機實際運行時嚴重偏離最優(yōu)工況，效率低，振動大，不能達到設(shè)計出力，嚴重時劇烈振動，根本不能正常運行。

為解決該電站機組不能正常運行的問題，原機組生產(chǎn)廠家分別于1989年對2號水輪機、1995年對1號水輪機進行了技術(shù)改造；主要改造手段是更換轉(zhuǎn)輪，改造流道，將原導葉高度由511 mm降低為350 mm。改造后機組出力較改造前有較大提高，基本解決了不能正常運行的問題，但仍未達到原設(shè)計出力為2×3 200 kW的目標。

2011年，玉溪河灌區(qū)按照四川省水利廳關(guān)于“再造一個都江堰”的工作部署，決定擴大灌區(qū)，增加引用流量；而橫山廟水電站處于灌區(qū)第一級電站，在水頭不變、流量增加的條件下有增大裝機容量的可能。2012年，四川省啟動了農(nóng)村水電站增效擴容改造項目，橫山廟水電站符合增效擴容的相關(guān)政策，業(yè)主積極組織改造項目的申報工作，確定了增效擴容目標為2×4 000 kW。

橫山廟水電站機組自建成就存在先天缺陷，且已進行過一次改造，屬立軸混流式水輪發(fā)電機組，其改造難度大，技術(shù)復(fù)雜。筆者先后參與了改造項目初步設(shè)計報告編制、招標技術(shù)文件和技術(shù)協(xié)議擬定，并參與了改造工程實施的各個階段，確定了水輪機改造實施方案，在參建各方的共同努力下，達到了理想的改造效果。

2　原水輪機主要參數(shù)及特性

橫山廟水電站水輪機原設(shè)計選用HL123—LJ—140，設(shè)計水頭43 m，設(shè)計流量10 m3/s，設(shè)計出力3 404 kW，設(shè)計轉(zhuǎn)速300 r/min；則設(shè)計工況單位流量0.8 m3/s，單位轉(zhuǎn)速64 r/min，其設(shè)計工況點在HL123轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線的位置如下所示(見圖1)。

圖1原HL123—LJ—140水輪機設(shè)計工況點在模型綜合特性曲線的位置

從圖1可以看出，橫山廟水電站原選用水輪機在設(shè)計水頭運行時嚴重偏離最優(yōu)工況位置，造成水輪機效率低，振動大，磨損嚴重，長期不能正常、穩(wěn)定地運行；必須重新選擇水輪機，并進行流道改造，才能適應(yīng)本電站水力條件。

3　第一次改造技術(shù)方案

鑒于橫山廟水電站水輪機存在的歷史遺留問題，為保證機組可靠、穩(wěn)定地運行，原機組生產(chǎn)廠家對2臺水輪機進行了改造；其中：2號水輪機于1989年改造為HLD150—LJ—140，額定出力為3 380 kW；1號水輪機于1995年改造為HLD250—LJ—140，額定出力為3 030 kW。

此次改造主要是重新設(shè)計適用于本電站水力條件的新型轉(zhuǎn)輪D150、D250，并根據(jù)新轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)特性，在原座環(huán)上、下環(huán)增加了護板，將原導葉高度從511 mm降低為350 mm，重新設(shè)計、加工下止漏環(huán)、底環(huán)、活動導葉、頂蓋、導葉傳動機構(gòu)、密封裝置等。

遺憾的是由于時間久遠，2個改造轉(zhuǎn)輪的特性曲線已無從查找，不能對其性能進行準確地分析，但從實際運行效果來看，2臺水輪機改造后基本解決了原機組不能運行的問題，出力也有較大的提高。難能可貴的是當年的改造者大膽將原導葉高度從511 mm降低為350 mm，并對流道采取了一系列的改造措施，較好地進行了流道匹配，改善了運行工況，打破了立軸混流式機組轉(zhuǎn)輪和流道很難改造的神秘感，為后面的增效擴容改造開拓了思路。

4　方案的確定

根據(jù)2012年四川省農(nóng)村水電站增效擴容改造項目相關(guān)政策文件精神和橫山廟水電站實際情況，在編制增效擴容改造項目初步設(shè)計報告時，水文、動能、機電等相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員進行了充分論證和比較，確定了該電站增效擴容改造目標：也就是在不改造原水工建筑物，不提高運行水頭的前提下，使電站裝機容量達到2×4 000 kW，增容幅度為25%；考慮到擴容后流量增加流道水力損失加大的影響，增容后額定水頭為42 m。在此目標的要求下，淘汰落后產(chǎn)能設(shè)備，改造、更換機電設(shè)備，達到增效擴容的目的。

4.1水輪機改造的難點分析

(1)水輪機是立軸混流式，原預(yù)埋部件不能更換，如果選擇全新水輪機，更換預(yù)埋部件，施工難度極大，代價極高，以致于無法實施。

(2)原水輪機已進行過一次改造，改變了原流道尺寸，但部分改造資料已缺失，如在第一次改造的基礎(chǔ)上進行再次改造，將存在巨大的技術(shù)風險；如果數(shù)據(jù)測量和加工精度不能滿足要求，技術(shù)論證不充分，方案選擇不合理，將可能造成無法正常實施，即使實施改造，也可能達不到理想的效果。

(3)如果將水輪機流道再次恢復(fù)到原尺寸，在此基礎(chǔ)上進行改造，又將鏟除第一次改造增加的座環(huán)護板，根據(jù)新選配的轉(zhuǎn)輪進行流道匹配。

(4)在進行立軸混流式水輪機流道匹配時，轉(zhuǎn)輪高度、導葉高度、轉(zhuǎn)輪直徑匹配是關(guān)鍵問題；此外轉(zhuǎn)輪葉片出口下環(huán)的角度必須與尾水錐管傾角一致，否則將導致轉(zhuǎn)輪出水受阻，引起巨大振動和出力波動，從而造成改造失敗。

4.2水輪機改造原則

一般來說，在水電站增效擴容改造初步設(shè)計階段，原機組常處于運行狀態(tài)，無法準確判斷水輪機結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，改造方案側(cè)重在理論計算與分析。在招標設(shè)計階段，為保證工程實施的質(zhì)量與工期，要求投標單位根據(jù)招標文件提供的資料以及現(xiàn)場考察情況，擬定3個以上的切實可行的比選方案，并進行方案論證，推薦中標實施方案。在簽訂水輪機改造技術(shù)協(xié)議前，還應(yīng)組織設(shè)計、監(jiān)理、中標廠家對原機組圖紙、第一次技術(shù)改造部分資料進行仔細研究，并分析不同改造方案的優(yōu)缺點，最終確定橫山廟水電站水輪機改造實施方案的總原則是：

(1)鏟除第一次改造時增加的座環(huán)護板，恢復(fù)原水輪機座環(huán)尺寸。

(2)更換除水輪機預(yù)埋部分件外所有部件，重新選擇符合電站水力條件和增容目標要求的新型轉(zhuǎn)輪，重新進行流道匹配。

(3)改造后新部件的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足原預(yù)埋部件的配合尺寸和高程要求。

(4)嚴格控制制造、加工、安裝質(zhì)量，盡量減少現(xiàn)場施工難度，確保質(zhì)量和工期。

在此改造原則基礎(chǔ)上，簽訂正式的水輪機改造技術(shù)協(xié)議，最終確定水輪機改造實施方案。

4.3水輪機選型

改造原則要求恢復(fù)到原HL123—LJ—140水輪機座環(huán)流道尺寸，重新根據(jù)增效擴容目標參數(shù)選型并進行流道匹配，需從以下幾個方面考慮：

(1)新轉(zhuǎn)輪直徑D1應(yīng)小于或等于1.4 m，才有足夠的結(jié)構(gòu)空間進行流道匹配。

(2)按照增效擴容改造相關(guān)政策性文件要求，初步擬定新發(fā)電機額定效率為95%，水輪機額定效率為90%，則水輪機額定出力應(yīng)達到4 210 kW，額定單位流量應(yīng)大于0.89 m3/s。

(3)原水輪機額定轉(zhuǎn)速為300 r/min，為減少改造后發(fā)電機機墩、基礎(chǔ)部件的受力變化影響，新轉(zhuǎn)速應(yīng)在300～375 r/min范圍內(nèi)選擇較為合理，則單位轉(zhuǎn)速應(yīng)在65～80 r/min之間。

(4)水輪機導葉相對為0.365，導葉絕對高度為511 mm，需要降低導葉高度來進行改造，現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪中相近的常用轉(zhuǎn)輪導葉相對高度有0.315、0.305、0.25。如果選擇0.315，改造后導葉高度應(yīng)為441 mm，則上下護板高度應(yīng)為35 mm，尺寸過小，制造加工和安裝精度將無法保證，施工難度大；如果選擇0.25，轉(zhuǎn)輪過流能力小，轉(zhuǎn)輪出口與尾水錐管匹配難度大；因此，新水輪機選擇為0.305較為合適。

(5)電站裝機容量小，投資規(guī)模小，應(yīng)盡可能從已有的轉(zhuǎn)輪中選擇。

綜合以上因素，在現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪中進行選擇，經(jīng)查詢比較，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪HL734的結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)比較適合于該水輪機改造項目(見表1)。

表1　HL734水輪機參數(shù)

表1確定的新水輪機轉(zhuǎn)輪直徑為1.32 m是合適的，雖然較原轉(zhuǎn)輪減小8 cm，但其性能參數(shù)完全滿足增效擴容目標要求，流道結(jié)構(gòu)也有利于匹配部件的制造、加工與安裝。改造后新水輪機型號為HL734—LJ—132，額定水頭42 m，額定流量11.35 m3/s，額定轉(zhuǎn)速375 r/min，額定出力4 210 kW，額定水頭最大出力4 736 kW，額定單位流量1.0 m3/s，額定單位轉(zhuǎn)速76.4 r/min。

水輪機額定工況點在模型綜合特性曲線高效率區(qū)如下所示(見圖2)，平均效率高，運行性能好，可作為水輪機改造的最終選型方案。

圖2HL734—LJ—132水輪機額定工況點在模型綜合特性曲線的位置

5　流道匹配設(shè)計

由于新轉(zhuǎn)輪直徑比原轉(zhuǎn)輪直徑減小8 cm，流道尺寸發(fā)生了根本性變化，必須進行流道匹配才能達到改造效果。水輪機改造后的流道應(yīng)滿足新轉(zhuǎn)輪要求，不能改變原安裝高程，需降低座環(huán)空間高度，轉(zhuǎn)輪出口必須與原尾水錐管角度一致且對齊；應(yīng)鏟除第一次改造增加的座環(huán)上、下環(huán)護板，恢復(fù)原座環(huán)流道尺寸，按新轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特性，重新設(shè)計各流道部件。新流道部件必須與原座環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)的配合，主要是原螺栓孔位置、止口尺寸、配合間隙等。在新流道部件精加工前，生產(chǎn)廠家必須在拆除原水輪機后現(xiàn)場準確測量，然后根據(jù)實際尺寸加工，以減小現(xiàn)場安裝難度，保證安裝精度，縮短工期。

5.1降低座環(huán)高度

5.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

根據(jù)結(jié)構(gòu)計算，新水輪機活動導葉高度為402 mm，原導葉高度為511 mm，因此，需增加座環(huán)上、下護板；考慮安裝配合間隙，增加護板后座環(huán)上、下環(huán)之間的高度控制在410 mm。

5.1.2施工方法要點

在裝焊新座環(huán)護板前需鏟掉原座環(huán)護板，將座環(huán)流道恢復(fù)到原流道高度尺寸520 mm，再按座環(huán)原固定導葉的實際形狀配割新的座環(huán)護板；并以固定導葉中心線為基準裝焊上、下護板，保證新流道高度尺寸410±2 mm，允許修磨上、下護板，流道內(nèi)所有過流面焊縫需打磨光滑。

5.2轉(zhuǎn)輪出口與尾水錐管匹配

5.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

原水輪機尾水錐管角度為79.65°，新轉(zhuǎn)輪出口角度為81.6°，且新轉(zhuǎn)輪直徑由原1.4 m減小為1.32 m；所以必須改造原尾水錐管，增設(shè)錐管導流筒，使導流筒上口與新轉(zhuǎn)輪出口流道匹配。導流筒高度1 335 mm，上口直徑1 398.6 mm，下口直徑1 972.4 mm，分3瓣加工完成后，現(xiàn)場拼焊并固定在原尾水錐管上。為使導流筒與原尾水錐管穩(wěn)固地結(jié)合，在每瓣部件背面設(shè)加筋板，并注入高強度混凝土。

5.2.2施工方法要點

.先將加筋板焊接在原錐管里襯上，再各分瓣面U型坡口配焊，焊接后筋板有突出流道面部分需打磨掉。分瓣導流筒現(xiàn)場組焊好后，在與原錐管間的夾層內(nèi)填充混凝土，需開灌漿通氣孔，從導流筒上端灌漿，完工后將氣孔堵焊上并打磨光滑；基礎(chǔ)環(huán)用定位銷定位后用聯(lián)接螺栓固定在座環(huán)上，然后與尾水錐管導流筒進口處焊接。導流筒下口與原尾水錐管配合封口可焊接圓鋼，將導流筒配割開孔與圓鋼配焊，流道內(nèi)所有過流面焊縫需打磨光滑。

5.3水輪機流道匹配改造后結(jié)構(gòu)圖

通過以上結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定了橫山廟水電站水輪機增效擴容改造流道匹配改造方案(見圖3)。

圖3流道匹配結(jié)構(gòu)示意

6　改造效果

橫山廟水電站水輪機增效擴容改造根據(jù)以上方案進行了設(shè)備的制造、安裝，并配套更換了發(fā)電機、調(diào)速器、自動化元件、進水閥等，改造了原輔助系統(tǒng)，第一臺機組于2015年6月正式投產(chǎn)發(fā)電。經(jīng)運行監(jiān)測，在額定水頭42 m時，發(fā)電機出力達到4 000 kW，導葉開度只有75%，還有較強的超負荷能力，機組運行穩(wěn)定，各項性能指標達到改造目標要求。

7　結(jié)　語

立軸混流式水輪機增效擴容改造必須充分掌握并分析原機組的實際情況，應(yīng)盡可能利用原機組預(yù)埋部件及基礎(chǔ)，不改變原廠房結(jié)構(gòu)，既可節(jié)省改造成本，又可有效縮短工期，降低技術(shù)及投資風險。在擬定改造方案時，應(yīng)充分考慮電站原引水系統(tǒng)、流道部件的限制條件，選用能效指標好、空化性能優(yōu)良、運行穩(wěn)定性好的水輪機轉(zhuǎn)輪；在最終確定改造實施方案時，應(yīng)要求中標廠家現(xiàn)場核實機組的各控制尺寸和高程。

對于老舊的、原機型嚴重偏離電站實際水力條件的立式混流式水輪機，如果需在原基礎(chǔ)部件上實施改造，流道匹配是關(guān)鍵?；炝魇剿啓C轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由基礎(chǔ)環(huán)、底環(huán)、頂蓋、導葉等所形成的轉(zhuǎn)輪室形狀不但應(yīng)與轉(zhuǎn)輪形狀相配合，還要與原預(yù)埋部件匹配，應(yīng)著重控制好轉(zhuǎn)輪安裝高程、導葉高度、導葉分布圓及轉(zhuǎn)輪出口與原尾水錐管配合質(zhì)量；否則，就有可能造成改造項目的失敗。

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責任編輯吳昊

2016-06-20

楊中瑞(1972-)，男，講師，主要從事水電站管理、教學、設(shè)計與咨詢等方面的工作。

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