郭 祥

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001）

1 基本情況

1.1 電站概況

柳園工程樞紐為引水式電站，位于甘肅省文縣境內(nèi)白水江干流上。電站主要由攔河閘（壩），引水建筑物（含進(jìn)水閘）、壓力隧洞（前段低壓管道）、調(diào)壓井、壓力管道、發(fā)電廠房等建筑物組成。主要任務(wù)是發(fā)電，水庫正常高水位1032.0 m，相應(yīng)庫容23.8×104m3。電站裝設(shè)兩臺立軸軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量14 MW，總裝機(jī)容量28 MW，設(shè)計年發(fā)電量1.5195×108kW·h，年利用小時5414 h，電站最大水頭34.1 m，最小水頭28.7 m，水輪機(jī)設(shè)計水頭30 m，設(shè)計引水流量106.6 m3/s，單機(jī)設(shè)計流量53.3 m3/s，電站于2012 年建成投產(chǎn)發(fā)電。

1.2 電站現(xiàn)存問題

轉(zhuǎn)輪葉片材質(zhì)為ZG0Cr13Ni5Mo，活動導(dǎo)葉材質(zhì)為ZG20SiMn。由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪一個槳葉斷裂、其它槳葉有裂紋，電站自2012 年發(fā)電以來已經(jīng)更換過一次轉(zhuǎn)輪。更換后的轉(zhuǎn)輪仍存在以下問題：轉(zhuǎn)輪槳葉局部有裂紋；轉(zhuǎn)輪槳葉及轉(zhuǎn)輪室氣蝕、磨損嚴(yán)重；尾水錐管氣蝕嚴(yán)重；泄水錐有過脫落；發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，出現(xiàn)過燒定子、鏡板裂紋等情況。

1.3 電站改造的必要性

由于以上問題的存在，使機(jī)組運(yùn)行存在嚴(yán)重的安全隱患，嚴(yán)重影響了電站的發(fā)電效益。因此，為了保證電站能夠長期安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，柳園電站改造是非常必要的。

2 現(xiàn)存問題原因分析

根據(jù)現(xiàn)有電站的引水系統(tǒng)、實際運(yùn)行條件、機(jī)組尺寸等限定，通過計算分析初步判斷，轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)的一系列問題是由于機(jī)組安裝高程以及轉(zhuǎn)輪鑄造工藝的原因?qū)е碌?。由于機(jī)組安裝高程不合適，使電站氣蝕條件得不到滿足。且本電站70%的發(fā)電量來自汛期，汛期的含沙量又很大，在氣蝕條件不滿足的情況下電站出現(xiàn)磨蝕情況，從而加劇對機(jī)組過流部件的損壞。

3 電站改造方案分析

3.1 水輪機(jī)安裝高程

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行情況，氣蝕比較嚴(yán)重，經(jīng)過初步復(fù)核計算，目前機(jī)組水輪機(jī)安裝高程偏高。根據(jù)ZZ550 轉(zhuǎn)輪模型特性曲線，在額定水頭工況下汽蝕系數(shù)σ≈0.53，理論計算吸出高度-8.6 m～-9.4 m，現(xiàn)狀吸出高度復(fù)核計算為-8.12 m，差值0.48 m～1.27 m，即要消除水輪機(jī)汽蝕影響，理論上安裝高程最少要降低0.48 m～1.27 m。

對于降低安裝高程有兩個方案可供選擇：一是降低安裝高程，這個方案既要改造壓力管道高程，又要廠房整體改造。施工周期長、投資大，顯然不合適；二是對尾水池進(jìn)行改造，即抬高尾水位，相對降低安裝高程，這樣可滿足汽蝕要求。但是抬高尾水位會對柳園水電站這種低水頭電站發(fā)電效益影響嚴(yán)重，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。而且尾水最高校核洪水位為1000.92 m，廠房地坪高程為1001.4 m，高程差只有0.48 m，裕量非常小。抬高尾水位有可能會對廠房防洪造成威脅。

因此在安全與經(jīng)濟(jì)因素的綜合考量下，土建方案改造并不適用于柳園水電站的改造。改造方案應(yīng)以機(jī)電設(shè)備改造為主。在土建部分不改變的條件下，為了改善氣蝕性能，改造方案應(yīng)首選更換氣蝕性能更好、效率更高、過流能力更大的轉(zhuǎn)輪。

3.2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪選型

柳園水電站裝設(shè)兩臺立軸軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號為ZZ550。機(jī)組自2012 年投產(chǎn)運(yùn)行后更換過一次轉(zhuǎn)輪，更換后的轉(zhuǎn)輪型號為ZZ550，與原轉(zhuǎn)輪型號相同。

柳園水電站水頭范圍為28.7 m～38.3 m，根據(jù)我國《中小型軸流式、混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪系列型譜》，適合該水頭段的轉(zhuǎn)輪較多。根據(jù)上述情況對水輪機(jī)的要求，通過對模型轉(zhuǎn)輪的分析計算，選用轉(zhuǎn)輪型號ZZ660 與原轉(zhuǎn)輪型號ZZ550 進(jìn)行方案比選。

在柳園水電站水頭范圍下，ZZ550 與ZZ660 比較，ZZ550運(yùn)行范圍基本包含高效率區(qū)，ZZ660 運(yùn)行范圍偏離高效率區(qū),ZZ550 的最優(yōu)效率高于ZZ660。ZZ550 的導(dǎo)葉高稍小于ZZ660，由于導(dǎo)葉高的限制ZZ550 過流能力稍大，故ZZ550 發(fā)電量更大，經(jīng)濟(jì)效益更好。ZZ550 額定工況點的氣蝕系數(shù)小于ZZ660的額定工況點的氣蝕系數(shù)，由于現(xiàn)場安裝高程條件限制，ZZ550空化性能更優(yōu)越，相較于ZZ660 更適合本工程。且經(jīng)過對國內(nèi)四個中小型水輪機(jī)制造廠調(diào)研和咨詢，目前暫沒有更合適的轉(zhuǎn)輪可供選擇，四個機(jī)組廠一致推薦原轉(zhuǎn)輪ZZ550。

當(dāng)然，研發(fā)新轉(zhuǎn)輪也是一個方案，但是轉(zhuǎn)輪的研發(fā)周期一般在一年以上，費(fèi)用超過200 萬元，從經(jīng)濟(jì)和工期方面考慮，研發(fā)新轉(zhuǎn)輪方案不能滿足柳園電站的進(jìn)度要求，所以不推薦研發(fā)新轉(zhuǎn)輪方案。綜合比較推薦仍采用原轉(zhuǎn)輪ZZ550，柳園水電站水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 ZZ550 轉(zhuǎn)輪主要技術(shù)參數(shù)表

3.3 改造方案及建議

3.3.1 更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪

現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪因氣蝕已損傷較為嚴(yán)重，更換轉(zhuǎn)輪是十分必要的。經(jīng)上述分析采用原轉(zhuǎn)輪型號ZZ550 是可行的，可進(jìn)一步調(diào)研水輪機(jī)廠家，通過研究轉(zhuǎn)輪材質(zhì)、槳葉材質(zhì)以及表面涂層，以提高轉(zhuǎn)輪的抗磨蝕與氣蝕能力。

3.3.2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室改造

由于氣蝕及磨損原因，轉(zhuǎn)輪室損壞比較嚴(yán)重，影響水輪機(jī)效率，因此有必要對轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行更換。轉(zhuǎn)輪室采用分瓣型式，設(shè)置合縫面，廠內(nèi)定位加工成型，現(xiàn)場組裝螺栓把合，封焊流道面，保證球面精度尺寸。

3.3.3 設(shè)計復(fù)核

更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及轉(zhuǎn)輪室的方案不改變機(jī)組引用流量和運(yùn)行水頭，則導(dǎo)葉關(guān)閉時間維持現(xiàn)狀運(yùn)行參數(shù)，且原有調(diào)速器調(diào)速功可滿足改造后運(yùn)行要求。建議對調(diào)速器、油管路、油質(zhì)以及操作機(jī)構(gòu)等進(jìn)行檢查和檢測，排除隱患。發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，出現(xiàn)過燒定子、鏡板裂紋等情況，加上機(jī)組已經(jīng)運(yùn)行接近十年，因此建議對發(fā)電機(jī)進(jìn)行檢測。根據(jù)實際檢測情況和結(jié)構(gòu)計算復(fù)核情況，確定發(fā)電機(jī)是否達(dá)到穩(wěn)定安全運(yùn)行的要求。

3.3.4 對氣蝕部位修復(fù)

對其他過流部件受氣蝕影響的部位鏟磨后用不銹鋼焊條進(jìn)行補(bǔ)焊，應(yīng)注意焊面必須打磨銜接平順，呈流線型過渡。通過對過流部件的氣蝕問題處理以及更換轉(zhuǎn)輪室，對機(jī)組的現(xiàn)有效率應(yīng)會有顯著的提升。

3.3.5 限制水輪機(jī)運(yùn)行出力

由于軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)具有較寬的高效率區(qū)，因此適當(dāng)?shù)慕档瓦\(yùn)行出力后，水輪機(jī)運(yùn)行效率基本不會降低。同時，在適當(dāng)降低水輪機(jī)運(yùn)行出力后，水輪機(jī)流量減少，運(yùn)行水頭提高，在相同來水量的情況下，水電站單位發(fā)電量的耗水量減小，總發(fā)電量還略有提升。水輪機(jī)流量減小也有利于延長水輪機(jī)等過流部件的使用壽命。

3.3.6 加強(qiáng)運(yùn)行管理

電站運(yùn)行單位未來應(yīng)注意加強(qiáng)對水輪機(jī)運(yùn)行情況的跟蹤管理，對各個工況的運(yùn)行情況及運(yùn)行數(shù)據(jù)做好記錄。同時制定系統(tǒng)的檢修計劃，及時發(fā)現(xiàn)并處理受氣蝕磨蝕影響的部位，以避免水輪機(jī)遭受嚴(yán)重的氣蝕破壞，提高轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行壽命和運(yùn)行質(zhì)量。

4 結(jié)語

柳園水電站的問題具有代表性。氣蝕在電站水輪機(jī)運(yùn)行過程中普遍存在，而且其危害性極大，直接導(dǎo)致機(jī)組效率下降，水輪機(jī)使用壽命縮短，嚴(yán)重時危及電站運(yùn)行安全。對已建成運(yùn)行二三十年的中小型老水電站，一般采取更換性能更優(yōu)異的高效轉(zhuǎn)輪的方法，從根本上處理氣蝕問題以提升電站運(yùn)行效益。而對于柳園水電站這樣相較年輕的電站，轉(zhuǎn)輪性能已經(jīng)為現(xiàn)有研發(fā)轉(zhuǎn)輪中最優(yōu)異的一批，難以通過更換轉(zhuǎn)輪型號而對電站運(yùn)行效益進(jìn)行提升。結(jié)合現(xiàn)實條件，以科學(xué)合理的理論提出更完善的運(yùn)行方案和監(jiān)測措施，在不影響電站效益的前提下，嚴(yán)格限制水輪機(jī)運(yùn)行出力，繼續(xù)對水輪機(jī)的氣蝕情況進(jìn)行觀察和處理，是柳園水電站面對氣蝕問題長期而有效的應(yīng)對辦法。