楊中瑞，李愛民，余建軍

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川都江堰611830)

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小型立軸混流式水輪機(jī)增效擴(kuò)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(xué)院，四川都江堰611830)

小型水電站增效擴(kuò)容改造工作中，立軸混流式水輪機(jī)由于受原已經(jīng)建成的水工建筑物及機(jī)組流道的限制，轉(zhuǎn)輪直徑、導(dǎo)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(kuò)容改造的機(jī)組選型設(shè)計(jì)，對立軸混流式機(jī)組改造的轉(zhuǎn)輪選型及流道匹配進(jìn)行了較為深入的研究，總結(jié)出了充分利用原水輪機(jī)預(yù)埋部件，選擇性能優(yōu)良的合適水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，并進(jìn)行流道匹配的改造方法，在技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、工程質(zhì)量可控的前提下，增容幅度可達(dá)到25%的良好效果。圖3幅，表1個(gè)。

水電站；增效擴(kuò)容；機(jī)組選型；流道匹配

1　概　述

水輪機(jī)改造是水電站增效擴(kuò)容改造過程中一項(xiàng)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(jī)組改造，由于受原已經(jīng)建成的水工建筑物以及機(jī)組流道的限制，一般認(rèn)為轉(zhuǎn)輪直徑、導(dǎo)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(kuò)容改造工程在參建各方的共同努力下，通過合理的水輪機(jī)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(dòng)工興建，1978年5月第一臺機(jī)組投入運(yùn)行，1980年3月第二臺機(jī)組投入運(yùn)行。電站原設(shè)計(jì)裝機(jī)容量2×3 200 kW，設(shè)計(jì)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(jī)組。

由于受當(dāng)時(shí)諸多因素影響，技術(shù)管理不規(guī)范，可供選擇的機(jī)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(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)嚴(yán)重偏離最優(yōu)工況，效率低，振動(dòng)大，不能達(dá)到設(shè)計(jì)出力，嚴(yán)重時(shí)劇烈振動(dòng)，根本不能正常運(yùn)行。

為解決該電站機(jī)組不能正常運(yùn)行的問題，原機(jī)組生產(chǎn)廠家分別于1989年對2號水輪機(jī)、1995年對1號水輪機(jī)進(jìn)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(dǎo)葉高度由511 mm降低為350 mm。改造后機(jī)組出力較改造前有較大提高，基本解決了不能正常運(yùn)行的問題，但仍未達(dá)到原設(shè)計(jì)出力為2×3 200 kW的目標(biāo)。

2011年，玉溪河灌區(qū)按照四川省水利廳關(guān)于“再造一個(gè)都江堰”的工作部署，決定擴(kuò)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(jī)容量的可能。2012年，四川省啟動(dòng)了農(nóng)村水電站增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目，橫山廟水電站符合增效擴(kuò)容的相關(guān)政策，業(yè)主積極組織改造項(xiàng)目的申報(bào)工作，確定了增效擴(kuò)容目標(biāo)為2×4 000 kW。

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

2　原水輪機(jī)主要參數(shù)及特性

橫山廟水電站水輪機(jī)原設(shè)計(jì)選用HL123—LJ—140，設(shè)計(jì)水頭43 m，設(shè)計(jì)流量10 m3/s，設(shè)計(jì)出力3 404 kW，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速300 r/min；則設(shè)計(jì)工況單位流量0.8 m3/s，單位轉(zhuǎn)速64 r/min，其設(shè)計(jì)工況點(diǎn)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(jī)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)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(jī)在設(shè)計(jì)水頭運(yùn)行時(shí)嚴(yán)重偏離最優(yōu)工況位置，造成水輪機(jī)效率低，振動(dòng)大，磨損嚴(yán)重，長期不能正常、穩(wěn)定地運(yùn)行；必須重新選擇水輪機(jī)，并進(jìn)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(jī)存在的歷史遺留問題，為保證機(jī)組可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行，原機(jī)組生產(chǎn)廠家對2臺水輪機(jī)進(jìn)行了改造；其中：2號水輪機(jī)于1989年改造為HLD150—LJ—140，額定出力為3 380 kW；1號水輪機(jī)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(jì)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(hù)板，將原導(dǎo)葉高度從511 mm降低為350 mm，重新設(shè)計(jì)、加工下止漏環(huán)、底環(huán)、活動(dòng)導(dǎo)葉、頂蓋、導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、密封裝置等。

遺憾的是由于時(shí)間久遠(yuǎn)，2個(gè)改造轉(zhuǎn)輪的特性曲線已無從查找，不能對其性能進(jìn)行準(zhǔn)確地分析，但從實(shí)際運(yùn)行效果來看，2臺水輪機(jī)改造后基本解決了原機(jī)組不能運(yùn)行的問題，出力也有較大的提高。難能可貴的是當(dāng)年的改造者大膽將原導(dǎo)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(jìn)行了流道匹配，改善了運(yùn)行工況，打破了立軸混流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪和流道很難改造的神秘感，為后面的增效擴(kuò)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(kuò)容改造項(xiàng)目相關(guān)政策文件精神和橫山廟水電站實(shí)際情況，在編制增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)報(bào)告時(shí)，水文、動(dòng)能、機(jī)電等相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行了充分論證和比較，確定了該電站增效擴(kuò)容改造目標(biāo)：也就是在不改造原水工建筑物，不提高運(yùn)行水頭的前提下，使電站裝機(jī)容量達(dá)到2×4 000 kW，增容幅度為25%；考慮到擴(kuò)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(biāo)的要求下，淘汰落后產(chǎn)能設(shè)備，改造、更換機(jī)電設(shè)備，達(dá)到增效擴(kuò)容的目的。

4.1水輪機(jī)改造的難點(diǎn)分析

(1)水輪機(jī)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(jī)，更換預(yù)埋部件，施工難度極大，代價(jià)極高，以致于無法實(shí)施。

(2)原水輪機(jī)已進(jìn)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(jìn)行再次改造，將存在巨大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；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(shí)施，即使實(shí)施改造，也可能達(dá)不到理想的效果。

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

(4)在進(jìn)行立軸混流式水輪機(jī)流道匹配時(shí)，轉(zhuǎn)輪高度、導(dǎo)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(dǎo)致轉(zhuǎn)輪出水受阻，引起巨大振動(dòng)和出力波動(dòng)，從而造成改造失敗。

4.2水輪機(jī)改造原則

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

(1)鏟除第一次改造時(shí)增加的座環(huán)護(hù)板，恢復(fù)原水輪機(jī)座環(huán)尺寸。

(2)更換除水輪機(jī)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(biāo)要求的新型轉(zhuǎn)輪，重新進(jìn)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(yán)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(jī)改造技術(shù)協(xié)議，最終確定水輪機(jī)改造實(shí)施方案。

4.3水輪機(jī)選型

改造原則要求恢復(fù)到原HL123—LJ—140水輪機(jī)座環(huán)流道尺寸，重新根據(jù)增效擴(kuò)容目標(biāo)參數(shù)選型并進(jìn)行流道匹配，需從以下幾個(gè)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(jìn)行流道匹配。

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

(3)原水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速為300 r/min，為減少改造后發(fā)電機(jī)機(jī)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(jī)導(dǎo)葉相對為0.365，導(dǎo)葉絕對高度為511 mm，需要降低導(dǎo)葉高度來進(jìn)行改造，現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪中相近的常用轉(zhuǎn)輪導(dǎo)葉相對高度有0.315、0.305、0.25。如果選擇0.315，改造后導(dǎo)葉高度應(yīng)為441 mm，則上下護(hù)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(jī)選擇為0.305較為合適。

(5)電站裝機(jī)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(jìn)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(jī)改造項(xiàng)目(見表1)。

表1　HL734水輪機(jī)參數(shù)

表1確定的新水輪機(jī)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(kuò)容目標(biāo)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(jī)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(jī)額定工況點(diǎn)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(yùn)行性能好，可作為水輪機(jī)改造的最終選型方案。

圖2HL734—LJ—132水輪機(jī)額定工況點(diǎn)在模型綜合特性曲線的位置

5　流道匹配設(shè)計(jì)

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(jìn)行流道匹配才能達(dá)到改造效果。水輪機(jī)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(hù)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(jì)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(jī)后現(xiàn)場準(zhǔn)確測量，然后根據(jù)實(shí)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(jì)要點(diǎn)

根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算，新水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉高度為402 mm，原導(dǎo)葉高度為511 mm，因此，需增加座環(huán)上、下護(hù)板；考慮安裝配合間隙，增加護(hù)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(diǎn)

在裝焊新座環(huán)護(hù)板前需鏟掉原座環(huán)護(hù)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(dǎo)葉的實(shí)際形狀配割新的座環(huán)護(hù)板；并以固定導(dǎo)葉中心線為基準(zhǔn)裝焊上、下護(hù)板，保證新流道高度尺寸410±2 mm，允許修磨上、下護(hù)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(jì)要點(diǎn)

原水輪機(jī)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(dǎo)流筒，使導(dǎo)流筒上口與新轉(zhuǎn)輪出口流道匹配。導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)度混凝土。

5.2.2施工方法要點(diǎn)

.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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)流筒進(jìn)口處焊接。導(dǎo)流筒下口與原尾水錐管配合封口可焊接圓鋼，將導(dǎo)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(jī)流道匹配改造后結(jié)構(gòu)圖

通過以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了橫山廟水電站水輪機(jī)增效擴(kuò)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(jī)增效擴(kuò)容改造根據(jù)以上方案進(jìn)行了設(shè)備的制造、安裝，并配套更換了發(fā)電機(jī)、調(diào)速器、自動(dòng)化元件、進(jìn)水閥等，改造了原輔助系統(tǒng)，第一臺機(jī)組于2015年6月正式投產(chǎn)發(fā)電。經(jīng)運(yùn)行監(jiān)測，在額定水頭42 m時(shí)，發(fā)電機(jī)出力達(dá)到4 000 kW，導(dǎo)葉開度只有75%，還有較強(qiáng)的超負(fù)荷能力，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到改造目標(biāo)要求。

7　結(jié)　語

立軸混流式水輪機(jī)增效擴(kuò)容改造必須充分掌握并分析原機(jī)組的實(shí)際情況，應(yīng)盡可能利用原機(jī)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(fēng)險(xiǎn)。在擬定改造方案時(shí)，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(biāo)好、空化性能優(yōu)良、運(yùn)行穩(wěn)定性好的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪；在最終確定改造實(shí)施方案時(shí)，應(yīng)要求中標(biāo)廠家現(xiàn)場核實(shí)機(jī)組的各控制尺寸和高程。

對于老舊的、原機(jī)型嚴(yán)重偏離電站實(shí)際水力條件的立式混流式水輪機(jī)，如果需在原基礎(chǔ)部件上實(shí)施改造，流道匹配是關(guān)鍵。混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由基礎(chǔ)環(huán)、底環(huán)、頂蓋、導(dǎo)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(dǎo)葉高度、導(dǎo)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(xiàng)目的失敗。

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責(zé)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(xué)、設(shè)計(jì)與咨詢等方面的工作。

E_mail：408539594@qq.com