程 奇， 鄭 祿， 王 承 恩

(重慶航運建設(shè)發(fā)展有限公司，重慶 401121)

兩葉片轉(zhuǎn)輪在超低水頭電站技術(shù)改造中的應(yīng)用

程 奇， 鄭 祿， 王 承 恩

(重慶航運建設(shè)發(fā)展有限公司，重慶 401121)

介紹了對渭沱水電站水輪機組進行的改造，成功地將轉(zhuǎn)輪的四葉片改為兩葉片。機組改造后的試驗和測試結(jié)果表明各項參數(shù)符合要求。電站多年的正常運行證明該機組改造是成功的。兩葉片燈泡貫流式機組在超低水頭電站中的改造成功，不僅擴展了燈泡貫流式機組的應(yīng)用范圍，還解決了振動、穩(wěn)定性、可靠性等問題，將兩葉片轉(zhuǎn)輪首次應(yīng)用到水輪機組中，為類似工程提供了很好的借鑒。

超低水頭；燈泡貫流式機組；兩葉片；渭沱水電站

1 概 述

渭沱水電站位于重慶市合川區(qū)渭沱鎮(zhèn)涪江干流青竹扁灘，系涪江干流梯級開發(fā)中的最末一級，距涪江河口約23 km。電站廠房為河床式，上游正常水位高程為206 m，死水位高程205 m，下游最低水位高程為196.96 m，設(shè)計水頭8.5 m，最大水頭11 m，最小水頭3 m，安裝有兩臺燈泡貫流式機組，裝機容量為2×15 MW。該水電站始建于上世紀(jì)80年代末，于1992年11月建成投產(chǎn)。

2005年11月草街航電樞紐工程開工建設(shè)，該樞紐位于重慶市合川區(qū)草街鎮(zhèn)附近的嘉陵江干流上，距涪江河口約27 km，上游回水至涪江上緊接渭沱水電站，水庫正常蓄水位高程為203 m，死水位高程為200 m。該工程于2009年下閘蓄水，2010年首臺機組發(fā)電，2011年四臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電。草街航電樞紐工程的建成投運對渭沱水電站運行產(chǎn)生了較大的影響。

2 渭沱水電站改造的必要性及可行性

草街航電樞紐工程蓄水后，上游回水至渭沱水電站，導(dǎo)致該電站尾水位增加到高程203.2 m，最低水位增加到高程202.5 m，上下游水頭減至2～4 m，最大水頭3.4 m，年加權(quán)平均水頭僅為2.3 m。若對原機組不進行改造，則在此工況下不能發(fā)電，渭沱水電站將報廢，并且還需繼續(xù)對渭沱水電站船閘進行運行、維護和管理。為使國有資產(chǎn)保值、增值，充分、合理地利用渭沱水電站剩下的3 m左右水頭，避免水力資源浪費，在一定程度上緩解地方供用電緊張局面，充分發(fā)揮清潔能源的效用，對渭沱水電站進行改造是必要的。

渭沱水電站改造的關(guān)鍵在于水輪機組。如能利用原水輪機組流道，主要對水輪機機組進行改造，其它不作大的調(diào)整，將充分發(fā)揮原有資產(chǎn)的效用，提高工程改造的可行性和能動性。

自20世紀(jì)30年代開始，西方國家開發(fā)使用燈泡貫流式機組。20世紀(jì)50～60年代，因能源危機西方國家進入重視開發(fā)低水頭電站時期，在這一時期，燈泡貫流式機組技術(shù)達(dá)到成熟，至上世紀(jì)70年代，低水頭水力資源開發(fā)在一些國家形成了高潮，大型燈泡貫流式機組相繼問世，燈泡貫流式水電站建設(shè)也達(dá)到成熟發(fā)展的新階段。目前世界上已開發(fā)出了許多性能優(yōu)良的3葉片、4葉片、5葉片轉(zhuǎn)輪，而對于超低水頭領(lǐng)域的開發(fā)還處于起步階段。最近，由法國和加拿大合作研究的超低水頭小型水輪發(fā)電機組取得了新的突破。我國國內(nèi)第一臺燈泡貫流式水輪發(fā)電機組于1978年由重慶水輪機廠制造[1]，已成功用于渭沱水電站上游梯級的涪江安居水電站，運行至今。20世紀(jì)80年代以來，燈泡貫流式水輪發(fā)電機組在我國的應(yīng)用日益普及，20 m水頭段以下已進入實用性階段。國內(nèi)對超低水頭領(lǐng)域的研究也逐步深入，對2～4 m水頭的水輪發(fā)電機組已有研究和應(yīng)用實例，但大多集中在潮汐發(fā)電站或采用在豎井貫流式水輪機組[2]，況且兩葉片轉(zhuǎn)輪燈泡貫流式機組還停留在理論研究中[3-5]，實際應(yīng)用的實例還沒有。

3 改造中的技術(shù)路線及方案比較

技術(shù)路線：提出渭沱水電站水輪機組具體的改造方案，優(yōu)化水輪機葉片，通過物理模型試驗進行研究論證，最后對改造后的機組通過性能測試試驗得以最終檢驗。

根據(jù)電站基本參數(shù)，且鑒于該河段僅有2～4 m水頭，只有貫流式轉(zhuǎn)輪可以選擇。為滿足運行要求，減小電站改造的投資，可以選擇機組更換葉片和整體改換水輪發(fā)電機組方案進行改造。于是初擬了兩套改造比選方案：方案一。利用現(xiàn)有流道及水輪發(fā)電機組，僅將水輪機由4葉片改為2葉片，兩臺機組引用流量仍為2×200 m3/s。方案二。利用現(xiàn)有的流道尺寸，將水輪發(fā)電機組全部更換，改為國內(nèi)生產(chǎn)的水輪發(fā)電機組，兩臺機組引用流量為2×148.1 m3/s。根據(jù)以上兩個方案，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較，方案一單位千瓦投資、單位電能投資均最省，遂最終推薦方案一。從兩葉片機組的應(yīng)用情況看，兩葉片機組目前在全球范圍內(nèi)僅在小容量、小尺寸潮汐電站中應(yīng)用，在內(nèi)河及電站技改中無應(yīng)用先例，特別是由四葉片機組改為兩葉片機組，有很多技術(shù)難題需要研究解決。

4 改造方案的實施

根據(jù)該電站的實際情況，針對渭沱水電站流道及水力特征參數(shù)，在不改變原有水輪機流道、保持原額定轉(zhuǎn)速93.75 r/min、發(fā)電機不作改造，將原水輪機四葉片更換為新研發(fā)出的兩葉片，對不用的兩個原葉片位置用同輪轂線性一致的輪轂蓋密封，保留原水輪機輪轂，轉(zhuǎn)輪直徑仍為5.3 m不變。

對將原水輪機4葉片更改為兩槳葉方案有關(guān)可靠性問題進行了詳細(xì)的研究，并按照相關(guān)流道條件進行了模型試驗。在上世紀(jì)90年代，原水輪發(fā)電機組供應(yīng)商已針對渭沱水電站轉(zhuǎn)輪改造進行過模型試驗。試驗是在四葉片轉(zhuǎn)輪輪轂上安裝兩個三葉片轉(zhuǎn)輪的葉片后進行的，流道條件完全相同，試驗相對成功，只是效率略低，因此，由四葉片機組改為兩葉片機組方案基本可行。

對于渭沱水電站轉(zhuǎn)輪，通過在三葉片轉(zhuǎn)輪葉片試驗的基礎(chǔ)上開發(fā)出了兩葉片轉(zhuǎn)輪葉片并進行了模型開發(fā)及測試工作，模型試驗通過第三方驗證，試驗結(jié)果表明其容積損失減小，機組運行可靠，振動幅度小，穩(wěn)定性好，實際效率將優(yōu)于預(yù)計的效率圖表，額定點原型機效率增加5個百分點以上。

通過進一步的論證和研究后認(rèn)為：一是草街航電樞紐運行后，尾水位提高，正常尾水位抬高至高程203.2 m，但與改造前的校核洪水位比較相差不大，對水輪機結(jié)構(gòu)不構(gòu)成影響；二是改造后對主軸密封和檢修密封不構(gòu)成影響，故決定主軸密封和檢修密封不作改造；三是原水輪機飛逸轉(zhuǎn)速為302 rpm，改造后的水輪機飛逸轉(zhuǎn)速為205 rpm，飛逸轉(zhuǎn)速減小較大，機組運行相對安全；四是原水輪機最大水頭時軸向最大水推力為+/-2 500 kN，尾水位提高后，經(jīng)初步驗算，改造后水輪機最大水頭時軸向最大水推力為+/-590 kN，軸向最大水推力減小較多，正、反推力軸承不須改造，可以滿足電站運行需求；五是模型試驗完全相同于渭沱電站流道條件，其流道型線和導(dǎo)水機構(gòu)與渭沱電站一致，相對于原水輪機，流道的過流能力將受到一定影響，但仍能滿足在2.4 m額定水頭下過流200 m3/s的要求，在此流量時導(dǎo)葉開度為97.5%；六是改造后水輪機協(xié)聯(lián)關(guān)系發(fā)生改變，但在機組改造時僅作相應(yīng)調(diào)整即可解決；七是改造后調(diào)速器操作油壓不變，由于機組出力變小，調(diào)速功減小，原調(diào)速器不受影響，受油器不作改造；八是尾水位提高后，機組安裝高程不改變，機組吸出高度降低，對機組抗空蝕損壞有利；九是對勵磁系統(tǒng)參數(shù)進行了調(diào)整。

根據(jù)以上改造方案，2010年8月啟動了改造工程，于2012年6月完成了兩臺機組的改造工作。

5 改造效果

改造完成后，安裝單位對水輪發(fā)電機組、勵磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、機組流道等設(shè)備或單體進行了試驗、檢查和調(diào)試。完成了充水試驗，手動開停機試驗，機組熱穩(wěn)定試驗，機組空載試驗及過速試驗，自動開停機試驗，機組帶負(fù)荷試驗，模擬事故信號停機及機組甩負(fù)荷試驗等，各項試驗數(shù)據(jù)滿足要求。

2012年7月，完成了機組無水和有水調(diào)試，2012年8月1日，兩臺機組通過改造后的啟動驗收。經(jīng)過72 h試運行和商業(yè)運行，水輪發(fā)電機組運行安全穩(wěn)定，機組振動、噪聲、機組出力滿足要求。

為了評估改造效果，2013年5月，我公司委托湖南省湘電試驗研究院有限公司對渭沱水電站改造后的機組進行了水輪機出力及相對效率試驗、空蝕磨損測試試驗、穩(wěn)定性及水壓脈動試驗。測試結(jié)果表明：未發(fā)現(xiàn)明顯的空蝕部位，機組空蝕狀態(tài)良好，導(dǎo)水軸承擺度幅值在各工況下合格，機組燈泡頭水平振動、發(fā)導(dǎo)徑向水平振動、發(fā)導(dǎo)垂直振動、發(fā)導(dǎo)軸向水平振動、水導(dǎo)徑向水平振動、水導(dǎo)垂直振動在各工況下合格；水壓脈動滿足保證值要求，機組無強振區(qū)。測試還發(fā)現(xiàn)：0～2 MW及3 MW以上負(fù)荷區(qū)間為振動較大區(qū)，建議電廠合理調(diào)度，避免機組在0～2 MW區(qū)間運行，在該區(qū)間運行機組效率較低，振動較大，在3 MW以上負(fù)荷區(qū)間運行時應(yīng)加強對轉(zhuǎn)輪室振動的監(jiān)測，若出現(xiàn)大幅度變化(相同工況變化25%)，應(yīng)立即檢查處理。

自2012年8月改造后的機組投入運行以來，機組已正常運行5 a，未發(fā)生大的事故。經(jīng)了解，改造后的渭沱水電站年實際發(fā)電量約為5 500萬kW·h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原設(shè)計多年平均發(fā)電量3 808萬kW·h。

以上結(jié)果表明：對渭沱水電站進行的改造是成功的。不僅充分利用了水力資源，創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟社會效益，還填補了國內(nèi)外超低水頭兩葉片貫流式水輪機組應(yīng)用的空白。

6 結(jié) 語

兩葉片、超低水頭貫流式水輪發(fā)電機組運用在水電站改造中在國內(nèi)外實屬首次，無經(jīng)驗可借鑒。通過改造，實現(xiàn)了機組安全多年穩(wěn)定運行，機組性能、振動和噪聲滿足預(yù)期目標(biāo)和要求。改造后的機組成功運行也為我國充分利用超低水頭的殘余水力資源創(chuàng)造了可能。

渭沱水電站改造的成功，為今后超低水頭貫流式水輪發(fā)電機組運行提供了成功的經(jīng)驗，擴大了水輪機組選型范圍，為超低水頭大流量水電站設(shè)計提供了借鑒，也為今后類似電站的改造提供了成功案例。同時，為充分利用水力資源，結(jié)合城市景觀和防洪要求，超低水頭燈泡貫流式機組的應(yīng)用前景十分廣闊，如松花江大頂子山航電樞紐工程采用三葉片燈泡貫流式機組已成功運行10余a。

[1] 湯毅強. 燈泡貫流式和軸伸貫流式水輪機的發(fā)展現(xiàn)狀[J].東方電氣評論[J], 1990, 4(4): 274-278.

[2] 楊春霞, 鄭 源，等. 超低水頭豎井貫流式水輪機模型試驗[J].水利水電科技進展, 2012, 32(6): 87-90.

[3] 張 錚. 兩葉片雙向貫流式水輪機數(shù)值模擬[D].西安： 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[4] 馮明哲. 貫流式水輪機兩葉片轉(zhuǎn)輪的適用性研究[D].西安：西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[5] 周晨陽. 兩葉片燈泡貫流式水輪機設(shè)計及流動分析[D].廣州：華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2014.

TV7;TV737;TV738

B

1001-2184(2017)05-0096-03

2017-01-10

程 奇(1965-)，男，重慶市人，高級工程師，碩士，從事水電及水運工程建設(shè)技術(shù)與管理工作；

鄭 祿(1965-)，男，吉林舒蘭人，高級工程師，學(xué)士，從事水電及水運工程建設(shè)機電設(shè)備技術(shù)與管理工作；

王承恩(1984-)，男，四川通江人，高級工程師，碩士，從事水電及水運工程建設(shè)技術(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯李燕輝)