張開學 張龍龍 鄧東紅 周松萍 劉軍

摘?要：受地形、機組空間布置、投資和增容手續(xù)審批等因素制約，擴建生態(tài)小機組難以實施。目前，國內(nèi)低水頭水電站受技術條件限制，轉(zhuǎn)輪直徑1.8 m以下的水輪機組均采用定槳機組，難以實現(xiàn)小流量發(fā)電。河南河口二級水電站采用華自科技股份有限公司研制的HZ-YTJS新型調(diào)槳系統(tǒng)，將直徑1.0 m定槳機組改為轉(zhuǎn)槳機組，實現(xiàn)了對原機組改造后小流量發(fā)電，解決了生態(tài)基流發(fā)電問題，經(jīng)濟效益明顯，屬國內(nèi)首創(chuàng)。

關鍵詞：生態(tài)基流;小流量;水輪機;軸流;定槳;轉(zhuǎn)槳

中圖分類號：TV734.4?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.023

Abstract： Restricted by terrain， unit space layout， investment and approval of capacity expansion formalities， it is difficult to implement expansion of small ecological units. At present， domestic low-water-head hydropower stations are restricted by technical conditions and the fixed paddle units are adopted for all turbine units with a runner diameter less than 1.8 m. It is difficult to achieve small-flow power generation. HZ-YTJS novel paddle adjusting system of HNAC Technology Co.， Ltd. was adopted for Hekou Second-Stage Hydropower Station in Henan. The fixed paddle unit with a diameter of 1.0m was changed as the rotary paddle unit in this system， which realized reconstruction of small-flow power generation on the original unit and solved the issue of power generation with ecological basic flow. It had obvious effects and was domestic initiative.

Key words： ecological basic flow; small flow; hydraulic turbine; axial flow; fixed paddle; rotary paddle

2016年水利部印發(fā)《農(nóng)村水電增效擴容改造河流生態(tài)修復指導意見》中強調(diào)，河流生態(tài)修復應遵循“尊重自然，保護優(yōu)先”和“以自然修復為主，人工修復為輔”的原則。農(nóng)村水電站應設置“生態(tài)小機組”并長期運行，承擔生態(tài)流量泄放任務和基荷發(fā)電任務，通過發(fā)電下泄確保生態(tài)流量，生產(chǎn)運行時保證生態(tài)基流下泄的最低要求。生態(tài)基流相對水電站設計流量較小，在原機組上利用生態(tài)基流發(fā)電效率較低，而受地形、機組空間布置、投資和增容手續(xù)審批等因素制約，擴建生態(tài)小機組難以實施。怎樣既保護河道生態(tài)又兼顧企業(yè)發(fā)電效益，是當前的一項新課題。目前，國內(nèi)低水頭水電站受技術條件限制，轉(zhuǎn)輪直徑1.8 m以下的水輪機組均采用定槳機組，難以實現(xiàn)小流量發(fā)電[1-5]。HZ-YTJS新型調(diào)槳系統(tǒng)在河南河口二級水電站的成功應用為解決這一問題提供了成功案例。

1?河口二級水電站改造的背景

河口二級水電站位于河南省濟源市克井鎮(zhèn)河口村，引沁河口水電站以下2.3 km處，屬于梯級水電開發(fā)項目，發(fā)電水源主要為引沁河口水電站尾水。河口二級水電站原裝機為3×400 kW軸流定槳式水輪機，水輪機型號為ZD560B-LH-100，發(fā)電機型號為SF400-14/1730軸流低壓機組，電站設計水頭11 m，最大水頭12.4 m，最小水頭10.8 m，設計流量13.65 m3/s（3×4.55 m3/s），配有常規(guī)調(diào)速器，設備投產(chǎn)于2009年。

河口二級水電站以沁河為水源。沁河是黃河三門峽至花園口區(qū)間兩大支流之一，發(fā)源于山西省長治市沁源縣霍山南麓的二郎神溝，自北向南流經(jīng)山西省的沁源、安澤、沁水、陽城、高平、晉城和河南省的濟源、沁陽、武陟等縣（市），于武陟縣方陵村匯入黃河。如何科學利用生態(tài)基流、保護河流生態(tài)，成為流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的新課題。

近幾年，隨著沁河上游的深度開發(fā)，沁河下游河南省境內(nèi)出現(xiàn)小流量的概率明顯增大。要保證生態(tài)基流必須小流量發(fā)電，為此引沁河口一級電站增加一臺生態(tài)小機組發(fā)電，設計流量2 m3/s，發(fā)電流量在0.8～2.0 m3/s范圍之內(nèi)，而下游河口二級電站對該區(qū)間流量無法利用，因此計劃新增1臺200 kW小機組，但受地形、機電空間布置、投資、增容審批手續(xù)等影響未實施。當上游電站小機組發(fā)電時，二級電站無法運行，造成綠色能源浪費。因此，決定對原機組進行改造，即將原定槳機組改造為轉(zhuǎn)槳機組。

轉(zhuǎn)槳機組結構復雜，加工難度大，目前主要應用于轉(zhuǎn)輪直徑1.8 m以上的水輪機，轉(zhuǎn)槳技術在小直徑水輪機上很少使用。經(jīng)與華自科技股份有限公司科技人員共同攻關，將原ZD560B轉(zhuǎn)輪改槳成ZZD471轉(zhuǎn)輪，效益提升明顯，效果良好，既實現(xiàn)了生態(tài)基流發(fā)電又提高了整機運行效率，發(fā)電效率提高30%，填補了國內(nèi)小轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)槳技術的空白。

2?HZ-YTJS新型調(diào)槳系統(tǒng)技術改造

2.1?HZ-YTJS新型調(diào)槳系統(tǒng)簡介

新型調(diào)槳系統(tǒng)主要由集電環(huán)、槳葉受油及控制系統(tǒng)、槳葉開度傳感器系統(tǒng)和高效轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪以及電氣控制柜組成，見圖1。

轉(zhuǎn)槳控制系統(tǒng)通過建立優(yōu)化調(diào)節(jié)的模糊控制數(shù)字模型，實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)、自動適應導葉開度及水位和手動自動一體無擾動切換。槳葉受油及控制系統(tǒng)環(huán)抱于主軸安裝，實現(xiàn)了集油源、壓力提升、換向控制于一體，安裝簡單、控制可靠。開度傳感器實現(xiàn)了對旋轉(zhuǎn)體非接觸式測量，同時達到安裝簡便和測量準確的效果。轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)通過對轉(zhuǎn)輪參數(shù)優(yōu)化、主軸加工改造和泄水錐改進，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪系統(tǒng)性能的提升。

2.2?技術改造方案

2.2.1?轉(zhuǎn)輪改造

水輪機轉(zhuǎn)輪技術更新，采用D471-100轉(zhuǎn)輪葉片。通常慣例，ZD560的升級型號為JP502，而JP502的升級替代型號為D471-100，其效率提高5%，空蝕性能、水推力和穩(wěn)定性都有優(yōu)化。新的轉(zhuǎn)輪直徑與原轉(zhuǎn)輪相同，不需要對機組轉(zhuǎn)輪室進行改造，對原轉(zhuǎn)輪進行現(xiàn)場堆焊修復、打磨、清潔。

2.2.2?定槳改轉(zhuǎn)槳

原水輪機結構為軸流定槳結構，通過改進成液壓轉(zhuǎn)槳的方式，在水輪機軸和發(fā)電機軸連接位置增加HZ-YTJS新型調(diào)槳裝置，轉(zhuǎn)輪結構在輪轂內(nèi)部設置接力器，通過水輪機軸的中心通孔將可控壓力油引入接力器，實現(xiàn)機組的自動轉(zhuǎn)槳功能。新的轉(zhuǎn)槳轉(zhuǎn)輪可以在發(fā)電功率為100～530 kW范圍內(nèi)高效穩(wěn)定運行，在發(fā)電功率為100～150 kW運行時效率不低于70%，在發(fā)電功率為150～200 kW運行時效率不低于80%，在發(fā)電功率為200～300 kW運行時效率不低于85%，在發(fā)電功率為300～530 kW運行時效率不低于90%，比原定槳轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定運行范圍（發(fā)電功率為300～410 kW）寬闊得多，不僅能合理利用上游增加的水量，而且在平水期能提高水能利用率。由于原機組設計余量較大，因此轉(zhuǎn)槳的改造不需要改變土建，只需要更換水輪機軸、轉(zhuǎn)輪和增設槳葉控制系統(tǒng)，以及更換水導軸承及主軸密封。

2.2.3?發(fā)電機增容

由于原發(fā)電機機座較大，發(fā)電機軸承承載能力足夠，因此在原400 kW的機組上加長并更換定子線圈即可滿足500 kW的發(fā)電功率，并可短期達到550 kW。對發(fā)電機絕緣材料進行更換，并對其他部位進行維護，同時增加測溫和油位監(jiān)測點，提高自動化運行水平。改造后的發(fā)電機外形沒有改變，不需要土建施工配合。

2.3?HZ-YTJS新型調(diào)槳系統(tǒng)特點

該系統(tǒng)主要具備以下特點：①16 MPa高油壓，具有調(diào)節(jié)力大、調(diào)節(jié)平穩(wěn)的優(yōu)點;②油源內(nèi)置、用油量少，相比傳統(tǒng)槳葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)結構上沒有旋轉(zhuǎn)動態(tài)密封點，可以做到零泄漏、無污染;③安全可靠，油泵通過特殊的機械結構驅(qū)動，取消了油壓電動機，降低了漏電風險;④效率范圍大，適應負荷變化能力強，發(fā)電水頭范圍擴大到設計凈水頭的0.5～1.2倍，出力范圍擴大到額定出力的25%～100%，處于生態(tài)流量時仍然可以發(fā)電;⑤投入成本少，相比常規(guī)擴容方式成本大大降低;⑥改造時間短，120 d內(nèi)完成設計、生產(chǎn)加工、安裝調(diào)試，其中停機影響發(fā)電時間不超過20 d;⑦維護成本低，產(chǎn)品故障點少、安全可靠，常規(guī)維護僅需對剎車片、壓力油等易耗易損件進行檢查維護。

2.4?改造方案對比

方案一為原有2臺水輪機定槳改轉(zhuǎn)槳，方案二為新增1臺200 kW機組，按技術改造要求，改造方案對比見表1。

按技術改造要求，改造成本對比見表2。

方案比較表明，方案一具有如下優(yōu)點：①改造成本低;②兩臺水輪機的轉(zhuǎn)輪更新后，效率相應提升，并可實現(xiàn)超發(fā)，綜合效率提升30%左右，電站能夠取得更大收益;③無土建工程，可簡化行政審批手續(xù)，項目改造周期短。

3?改造效果

3.1?改造前后數(shù)據(jù)對比

現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比見圖2。經(jīng)過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比得到：改造前，當上游一級電站小機組發(fā)電功率為1 600 kW（滿負荷）、發(fā)電引水流量為2.0 m3/s時，下游二級電站發(fā)電功率為130 kW，改造后下游二級電站發(fā)電功率為200 kW，較改造前增加發(fā)電功率70 kW;改造前，當上游一級電站發(fā)電功率為1 200 kW、發(fā)電引水流量為1.5 m3/s時，下游二級電站發(fā)電功率為70 kW，改造后下游二級電站發(fā)電功率為150 kW，較改造前增加發(fā)電功率80 kW;改造前，當上游一級電站發(fā)電功率為1 000 kW、發(fā)電引水流量為1.2 m3/s時，下游二級電站停止發(fā)電，改造后下游二級電站發(fā)電功率為90 kW。

3.2?改造前后效果對比

（1）實現(xiàn)生態(tài)基流發(fā)電。通過試驗，改造后電站最小發(fā)電流量為0.8 m3/s，上游發(fā)電功率為600 kW時對應下游發(fā)電功率為50 kW。

（2）轉(zhuǎn)輪效率提升。轉(zhuǎn)輪效率提升，空載開度減小，空載頻率更加穩(wěn)定，并網(wǎng)速度更快。原有轉(zhuǎn)輪葉片角度設定為10°，機組在額定負載時機組效率較高。當偏離額定負載時，流量與葉片角度不匹配，機組效率下降，水輪機無效耗水量大。新轉(zhuǎn)輪采用液壓調(diào)槳轉(zhuǎn)輪，葉片可調(diào)角度范圍為-12°～12°，能根據(jù)當前的流量選擇相匹配的角度運行，維持機組在高效區(qū)運行。機組在空載和低負荷狀態(tài)下同樣能維持高效率運行，耗水量減少，發(fā)電效益明顯得到提升。

（3）發(fā)電機效率提升。原容量400 kW的發(fā)電機最高發(fā)電功率只能達到420 kW，經(jīng)改造后可達到550 kW，在豐水季節(jié)的效益得到進一步發(fā)揮。原轉(zhuǎn)輪按發(fā)電機400 kW容量設計，葉片角度固定在10°左右，可過流量受限，而新轉(zhuǎn)輪的葉片角度最大可調(diào)整到12°，過流量隨之加大，發(fā)電機可提高發(fā)電效率30%左右。

3.3?改造前后效益對比

河南河口二級電站改造前多年平均發(fā)電量500萬kW·h，改造后年平均發(fā)電量提高30%，年發(fā)電量達650萬kW·h，新增發(fā)電效益48萬元，兩年以內(nèi)可收回成本，無土建投資，施工期短，經(jīng)濟效益明顯。

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【責任編輯?張華巖】