龍鳳水庫電站水輪機增容改造分析

鞠萬昌，楊 雷

吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林長春 130021

1 電站概況

龍鳳水庫電站位于吉林省蛟河市，拉法河支流龍鳳河中游龍鳳鄉境內。電站于1982 年末竣工并驗收，1983 年5 月并網發電，原來的電站裝機容量是125kW 機組3 臺，總裝機容量為375kW，原水輪發電機組由吉林省汪清縣電機廠生產，水輪機型號ZD661-LH-60，發電機型號TS N59/41-8-125。

2 水輪機增容改造的必要性

水輪發電機組至今發電運行30 年，效率較低，過流能力差，與目前國內同類轉輪相比，效率低；水輪機與水輪發電機選型不合理，性能指標較低，偏離了高效率區，振動區范圍大，空化性能差，影響機組的安全穩定運行；水輪機抗汽蝕、抗磨損、抗振動性能差，事故隱患增加。綜上所述水輪機改造勢在必行。

3 水輪機改造的基本原則

通過對水輪機轉輪改型，提高機組效率，改善機組運行的安全穩定性；水輪機轉輪直徑保持不變；水輪機的蝸殼、尾水管埋設部件不變；有先進可靠的性能參數；滿足現有安裝高程；滿足現有規范的要求；增加機組容量。

4 水輪機改造

4.1 水頭的確定

電站加權平均水頭為9.9m，尾水管出口高程為372.8m，根據《小型水力發電站設計規范》（GB50071-2002）第6.1.4中“立軸式水輪機尾水管出口頂緣應低于尾水位0.5m”的規定，確定最低尾水位為373.30m，電站水輪機層地面高程為376.22m，結合實際確定最高尾水位比水輪機層地面低0.22m，則最高尾水位確定為376.00m。上游水庫正常高為384.3m，確定機組設計毛水頭為11m，根據電站輸水系統水力損失計算，相應的輸水系統損失為1.5m，綜合確定電站設計水頭為9.4m，相應的流量Q=2.10m3/s；按上游設計洪水位減去下游最低尾水位及輸水系統的水力損失確定電站最大水頭為13m；按上游最低庫水位減去下游最高尾水位及輸水系統水力損失確定電站最小水頭為6m。

4.2 轉輪選擇

機組轉輪的選擇是水電站增效擴容改造的關鍵，電站改造后，水輪機轉輪直徑不能增大，同時水輪機的流道不能改變，因此必須選擇與電站流道近似的國內已研究成功的效率高、過流量大、單位轉速高、空化和穩定性好且流道與原電站相近的新型轉輪，才能滿足上述要求。適合本電站增容改造的轉輪有ZD987、K408-01/4、ZD660、JP502、K508 五種水輪機轉輪。但就水力模型流道而然這幾種機型還有許多不同之處，主要應從尾水管高度h ，導葉高度B0 以及輪轂體直徑dB 這三個因素對水輪機性能起至關重要作用的方面來加以分析 。以選擇出更適合龍鳳水庫電站流道條件的轉輪。

4.3 性能分析

4.3.1 設計工況參數

方案一：ZD987 型轉輪模型設計工況效率為89.2%，應用于龍鳳水庫電站流道，因流道變化，效率約下降0.2%，用ηTmax=1-0.3(1-ηMmax)-0.7(1-ηMmax)·(D1M/D1)1/5·(HM/H)1/10 這個公式進行計算，原來的模型效率修正值是-1 %，所以真機的效率比模型的效率小1.2 個百分點，因此對模型的效率進行-1.2%修正，設計點真機效率為88%。

方案二：K408-01/4 型轉輪模型設計工況效率為91%，應用于龍鳳水庫電站，由于流道發生了改變，其效率也隨之降低了3.8%，通過計算原來模型效率的修正數值是-0.4 %，所以真機的效率比模型的效率小4.2 個百分點，因此要把模型效率進行-4.2%修正，設計點真機效率為86.8%。

方案三：ZD660 型轉輪模型設計工況效率為90%，應用于龍鳳水庫電站，由于流道改變，其效率也隨之降低了2.6%，通過計算原來模型的效率修正值是-0.7 %，所以真機的效率比模型的效率低3.3 個百分點，因此要把模型效率修正-3.3%，設計點真機效率是86.7%。

方案四：JP502 型轉輪模型設計工況效率為90.8%，應用于龍鳳水庫電站，由于流道發生了變化，其效率約也隨之降低了3.8%，通過計算原來模型效率修正值是-0.8 %，所以真機效率比模型效率小4.6 個百分點，因此要把模型效率進行-4.6%修正，設計點真機的效率為86.2%。

方案五：JK508 型轉輪模型設計工況效率為89%，應用于龍鳳水庫電站，由于流道發生了改變，效率也隨之降低3.8%，通過計算模型效率修正值是-1 %，所以真機效率比模型效率小4.8 個百分點，因此要把模型效率進行-4.8%修正，設計點真機效率為84.2%。

4.3.2 空化性能分析

對出力有關聯的臨界空化系數來講，輪轂體直徑和尾水管高度的作用大一些，尾水管高度低，臨界空化系數將變小；輪轂體直徑大，臨界空化系數將變大。在空化系數修正時，把原空化系數乘上1.1 為龍鳳水庫電站轉輪的臨界空化系數值。

4.3.3 技術比較

經過五種方案的性能分析我們得出結論，方案五JK508 型轉輪與方案四JP502 型轉輪效率偏低，綜合指標不符合，流道和ZD661 型轉輪相差很大，輪轂比，ZD661 型轉輪輪轂直徑為0.24m，JK508 與JP502 型轉輪輪轂直徑為0.27m，并過流能力不好，因此不用。

方案一ZD987 型轉輪、方案二K408-01/4 型轉輪和方案三ZD660 型轉輪比較，屬于目前國內最為先進的轉輪。從模型曲線圖查到，K408-01/4 型轉輪最高效率能達到91%，ZD660 型轉輪最高效率只能到90%， ZD987 型轉輪最高效率能到89.2%，可K408-01/4 型轉輪和ZD660 型轉輪由于流道的偏差導致真機效率均低于ZD987 轉輪，工況偏差較大，經過綜合比較分析，最終選擇方案一ZD987 作為龍鳳水庫電站增容改造轉輪。

4.4 水輪機安裝高程的復核

根據額定水頭計算Hs 值，并用最大、最小水頭校核。Hs值按下式計算：

Hs'= Hs+XD1 (X 取0.41)

▽安=Zd+ Hs'

根據電站水輪機采用不銹鋼轉輪的要求，經計算最小水頭下Hs=+2.98m , 設計水頭下Hs=+2.86m，最大水頭下Hs=+3.86m 考慮一定余量，電站最低尾水位373.3m，計算水輪機的安裝高程（導葉中心）為376.41m，高于原有水輪機安裝高程（導葉中心）的375.56m，說明本轉輪的汽蝕性好，綜合確定水輪機的安裝高程（導葉中心）取與原機組相同，即為375.56m。

4.5 改造后的主要參數

水輪機參數：型號ZD987-LH-60，轉輪直徑0.6m，額定水頭9.4m，額定流量1.99m3/s，額定轉速750r/min，飛逸轉速1560r/min，額定效率88%，最高效率88.2%，吸出高度 2.014m。

發電機參數：型號SF150-8/740，額定容量 150kW，額定功率161.8kW，額定電壓0.4KV，額定功率因數0.8，額定轉速 750r/min。

4.6 水力過渡過程計算

本電站三臺機組合用一根引水管，按三臺機組同時甩負荷考慮。當額定水頭Hr=9.4 m、P=150kW 時，Q=2.1m3/s，∑LV=494.53m2/s，導葉分段關閉時間Ts1=5 s,Ts2=10s，分段點為導葉全開度的50%，甩三臺機組全負荷，機組最大速率上升βmax=24%，蝸殼進口壓力相對于額定水頭上升43.2%，蝸殼承壓13.1m，尾管進口真空度為3.6m 水柱。

當最大水頭Hmax=13m、P=150kW 時，Q=1.62m3/s，∑LV=381.49m2/s，導葉分段關閉時間Ts1=5s,T s2=10s，分段點為導葉全開度的50%，甩二臺機組全負荷，機組最大速率上升βmax=18.5%，蝸殼進口壓力相對于額定水頭上升38.5%，蝸殼進口承壓15m，尾管進口真空度為3.1m 水柱。

根據《小型水力發電站設計規范》（GB50071-2002）規范要求，水輪機蝸殼最大允許壓力上升率不得大于70%，機組額定出力甩全負荷時，最大轉速上升率不宜大于50%，本計算結果均滿足規范要求。

5 結論

龍鳳水庫電站水輪機增容改造是在保持原有流道及部分參數不變的情況下，通過采用先進的結構設計，提高了水輪機效率及過流量，增加了水輪機出力。經過計算分析后確定的增容改造方案，不僅是可行的，而且是穩妥可靠的。該電站通過改造，使機組消除了安全運行隱患，到達增容增效安全穩定運行的目的。

[1]GB50071-2002小型水力發電站設計規范.北京.中國計劃出版社，2003.

[2]SL179-2011小型水電站初步設計報告編制規程.北京.中國水利水電出版社，2011.

[3]SL179-2011小型水電站初步設計報告編制規程.北京.中國水利水電出版社，2011.