銅街子水電站12號機增容改造水輪機水力開發

趙永智，稅　彪（東方電機股份有限公司，四川 德陽 618000）

銅街子水電站12號機增容改造水輪機水力開發

趙永智，稅彪
（東方電機股份有限公司，四川 德陽 618000）

摘要：根據銅街子水電站12號水輪機組增容改造要求，在僅更換轉輪的情況下，水輪機出力由154MW增容到178．57MW。本文詳細介紹了在水輪機轉輪水力開發過程中的參數選擇，以及在轉輪設計過程中針對銅街子電站水輪機具體水力參數所采取的方法和措施，對部分水輪機全流道數值計算結果和模型試驗結果進行了簡單分析。電站實際運行情況表明，銅街子電站水輪機的綜合水力性能得到較大幅度的提升。

關鍵詞：軸流式水輪機；水輪機增容改造；轉輪；數值計算分析；模型試驗

1引言

銅街子水電站位于四川省樂山市沙灣區的大渡河上，裝機4臺軸流轉槳式水輪發電機組，單機容量150MW，單臺水輪機出力為154MW。電站自1994 年12月全部機組投產投運至今，由于機組出力等原因，水能得不到充分利用，水輪發電機組磨蝕老化問題逐漸顯現。大渡河上游具有不完全年調節能力裝機容量為6×600MW的瀑布溝水電站建成投運后形成53.9億m3的水庫，增強了銅街子水電站庫容的可調節性。為了充分利用上游來水，在保證機組安全穩定運行的前提下，利用現有條件通過增加水輪機的出力從而增加機組容量，最大可能地增加電站的發電量，最終達到提高經濟效益和治理水輪發電機組磨蝕老化等設備缺陷的目的。

根據電站改造要求，在僅更換轉輪（包括轉輪葉片、輪轂體）和內支撐蓋部分流道，以及保持電站水輪機吸出高度不變的條件下，改造后水輪機出力由154MW增容到178.57MW，同時還要滿足水輪機的空蝕和運行穩定性要求。在東方電機有限公司水力開發團隊的共同努力下，成功研制出了滿足電站增容以及電站運行要求的水輪機轉輪并應用于電站，目前已投入商業運行，水輪機各項性能指標均滿足電站增容改造要求。

2電站水輪機基本參數

改造前銅街子水電站水輪機基本水力參數如下：

水輪機型號ZZ440-LH-850

額定出力154MW

同步轉速88.2r/min

水輪機轉輪直徑D18500mm

設計流量574m3/s

最高水頭40.0m

額定水頭31.0m

最低水頭28.0m

轉輪葉片數6

吸出高度-9.2m

蝸殼包角180°（Γ型）

活動導葉分布圓1.159D1

活動導葉高度0.376D1

活動導葉數24

尾水管高度2.09D1（至槳葉中心線4H型）

3水輪機水力開發及流動分析

銅街子水電站水輪機最高運行水頭為40m，轉輪直徑8.5m，改造后水輪機額定出力為178.57MW，屬于高水頭大型軸流轉槳式水輪發電機組。為滿足機組剛強度的要求，水輪機需采用較大的輪轂比，而較大的輪轂比限制了水輪機的過流能力，使得水輪機在大流量情況下效率指標下降較快，增容幅度受到限制，同時增容幅度還受到電站吸出高度的限制，水輪機水力設計難度較大。銅街子水電站12號水輪機增容改造具有以下特點和難點：

（1）水輪機增容幅度大。水輪機額定出力由原來的154MW增容到178.57MW，機組增容幅度達到15.95%，水力開發難度大；

（2）僅更換水輪機轉輪（包括轉輪體）及支持蓋和導流錐處流道，其他流道尺寸不變，水力開發條件限制大；

（3）水輪機安裝高程和轉輪直徑不變，水輪機空化要求高。

從以上幾點可以看出銅街子水電站水輪機增容幅度較大，改造范圍小，給水輪機的水力優化帶來很大難度。要達到增容改造目的，在水輪機轉輪水力優化設計時須對轉輪進行詳細的流動分析計算，找到改善和優化所需的水力性能的水力設計方法和措施，對轉輪各項水力性能的優劣做出合理的分析與判斷。同時，對優化轉輪和全模擬流道裝置進行全面的模型試驗，根據模型試驗結果來判定水力設計是否達到增容改造的目的。由于水輪機改造范圍小，水力優化設計就集中在轉輪的水力開發上。

3.1水輪機轉輪幾何參數選擇

軸流轉槳式水輪機轉輪幾何參數的選擇對水輪機的能量性能、空化性能以及水輪機的過流能力都有較大的影響。針對銅街子增容改造水力開發條件限制大、水輪機增容幅度大、改造范圍小的特點，需要對水輪機轉輪幾何參數進行仔細分析和選擇。

3.1.1轉輪葉片數

原銅街子水電站水輪機轉輪為 ZZ440(即ZZ587），葉片數Z為6個，相應的為了有足夠的空間容納轉輪葉片操作機構，轉輪的輪轂比為0.5。銅街子水電站水輪機增容幅度大，6個葉片和0.5輪轂比制約了水輪機的過流能力，從而影響水輪機增容幅度。

已投運或正在建設的軸流轉漿式電站的實際情況表明，槳葉數為5片的轉輪完全可以應用到25～40m水頭范圍，并根據水頭的高低配以不同的輪轂比，若設計得當，完全能夠滿足強度、空化和穩定性的要求。銅街子電站最大水頭Hmax=40m，轉輪采用5葉片是完全可以滿足電站水輪機的剛強度要求，同時有利于提高水輪機的水力性能。

與6葉片轉輪相比，5葉片轉輪過流能力增加，高效率區更加寬廣，水輪機可獲得較大的增容幅度。同時，5葉片轉輪在設計得當時，仍可以獲得較高的空化性能，使得優化設計的轉輪滿足銅街子水電站水輪機增容改造后水輪機的空化要求。根據銅街子水電站提供的電站運行水位記錄，在水輪機滿負荷及高負荷運行時，其尾水位均高出最低尾水位（433m）3～5m，相應電站吸出高度Hs增加3～5m，水輪機在額定工況運行時有較高的空化安全裕度。水輪機增容后，額定工況下水輪機的流量將增加，電站尾水位也將高于增容前的尾水位，水輪機的吸出高度增加，空化安全裕量Kσ也會隨之相應地增大，水輪機的空化安全可以得到進一步保證。根據實際設計經驗、模型試驗以及銅街子電站的實際運行情況，選用5葉片轉輪完全可以滿足水輪機的增容和長期安全穩定運行要求。

通過以上分析，選定銅街子電站水輪機轉輪的葉片數為5個。

3.1.2轉輪輪轂比

輪轂比是軸流式水輪機的一個重要的幾何參數，其大小對水輪機的水力性能有重要的影響，從而對轉輪的運行區域產生較大的影響。減小輪轂比可使最優效率增加，改善空化性能。另一方面，輪轂比的減小也受到了電站最高使用水頭的限制。軸流轉槳式水輪機轉輪過流量和轉輪輪轂比以及其他幾何參數的關系式如下：

由上式可以看出，輪轂比Q的大小直接決定著水輪機過流通道的寬度，改變高效區的單位流量和單位轉速。隨著設計、加工制造水平的提高以及新型材料的應用，從技術手段上可以很好地解決水輪機的空化和剛強度問題，軸流式水電站水輪機轉輪輪轂比Q有逐漸減小的趨勢，但也受電站最高使用水頭的限制。銅街子水電站水輪機原有轉輪的輪轂比Q=0.5，相對較大，限制了水輪機的過流能力，同時也限制了水輪機的增容能力。針對銅街子水電站的具體情況，可以適當減小轉輪輪轂比以提高水輪機的過流能力，同時也可以增加轉輪葉片的過流面積，達到改善水輪機轉輪空化的目的。通過仔細的對比分析以及設計制造經驗，最終選擇銅街子水電站增容改造后水輪機轉輪的輪轂比Q=0.46。

綜上所述，對于銅街子水電站，在保證水輪機安全穩定運行的前提下，水輪機轉輪的參數如表1。3.2水輪機轉輪水力設計

表1改造前后轉輪參數

由于銅街子水電站的同步轉速、轉輪直徑都不改變，水輪機出力確定后，水輪機的運行區域就基本確定，最優單位轉速和最優單位流量的選擇要根據電站的加權因子分布進行合理的調整，以保證電站有較高的加權平均效率，獲得較大的經濟效益。

針對銅街子水電站水輪機增容幅度大，空化和穩定性要求高的情況，在銅街子水電站水輪機轉輪設計時主要采取了以下水力優化措施：

（1）選擇合理的設計參數；

（2）適當減小轉輪輪轂比和減少轉輪葉片數，增大轉輪的過流能力；

（3）葉片設計時，調整翼型的型線，提高轉輪效率；

（4）調整轉輪葉片進口形狀以適應原有導葉的出口流態；

（5）調整轉輪葉片出口形狀以使得轉輪出口流速分布均勻，適應原有的尾水管，改善尾水管內的流態，提高尾水管的能量回收效率和水力穩定性；

（6）在減少轉輪葉片數的情況下，適當增加翼型的弦長，提高轉輪的葉柵稠密度，減小葉片的單位負荷，使得水輪機的空化性能得以提高；

（7）通過全流道數值計算，判斷所設計開發的轉輪對原流道的適應性，提高水力開發的準確性。

從全流道數值計算結果看（銅街子水輪機全流道見圖1），蝸殼內流線分布較為均勻；受180°包角蝸殼的影響，活動導葉進口沿圓周方向平均液流角分布變化較大，但活動導葉出口平均液流角和流量分布較均勻，為轉輪提供了較好的進口條件。蝸殼及導水機構流態如圖2。

圖1銅街子水輪機全流道

圖2 蝸殼及導水機構流態

從轉輪流動分析結果看，最終優化設計的水輪機轉輪很好地適應了銅街子電站原有導水機構的出口流態，葉片正、背面壓力分布均勻，轉輪具有較高的能量特性。轉輪流態見圖3。

從尾水管的流動分析結果看，在設計工況點，尾水管內流線分布較為均勻，沒有明顯可見的回流及空腔，支墩頭部沒有明顯的沖角，這說明所設計轉輪的出口流態很好的適應了尾水管。

圖3轉輪流態

流動分析表明，最終設計得到的水輪機轉輪很好地適應銅街子電站的水輪機流道，水輪機將具有較高的能量特性。

4水輪機模型試驗

最終優化設計出的水輪機模型轉輪進行了全面的水力性能模型試驗，并通過了業主和相關專家共同見證下的水力模型驗收試驗。模型驗收試驗在東方電機DF-60水力機械通用試驗臺上進行。水輪機模型驗收試驗結果表明：東方電機針對銅街子電站具體水力參數進行的水輪機轉輪水力開發取得滿意的成果，開發的水輪機轉輪各項性能指標都滿足增容改造的要求。銅街子電站增容改造前、后水輪機在各主要運行水頭下的相對效率比較如圖5～圖7，水輪機主要參數對比如表2。

圖5 Hmax=40m原型水輪效率比較

圖6Hmin=28m原型水輪效率比較

圖7Hr=31m原型水輪效率比較

銅街子水電站增容改造后水輪機在各水頭下的最大出力見表3：

模型試驗結果及與改造前后水輪機的水輪機水力性能比較表明，本次為銅街子電站12號機增容改造開發設計的水輪機轉輪具有以下特點：

（1）水輪機轉輪綜合水力參數水平得到大幅提升；

（2）水輪機轉輪具有較高的效率水平。在最優工況點，水輪機轉輪模型最高效率大幅提高約4.0%；在額定工況點，在使用流量增大10.3%的條件下，水輪機原型效率提高約4.4%；

表2銅街子水電站水輪機改造前后參數對比

表3水輪機出力

（3）水輪機轉輪具有較大的出力裕量，協聯狀態時水輪機在各水頭下隨著槳葉角度和導葉開度的增加，出力呈上升趨勢，在模型試驗的最大槳葉角度12°時仍未下降；水輪機完全可以從154MW增容到178.58MW；

（4）在水輪機安裝高程不變、吸出高度Hs為-9.2m和流量增大10.3%的條件下，水輪機轉輪各保證出力工況點均具有足夠的空化安全裕量；

（5）在主要運行水頭范圍內，水輪機具有良好的水力穩定性。

5結語

銅街子12號機增容改造范圍小，水力開發條件苛刻，通過共同努力，東方電機為銅街子電站12號機增容改造開發的水輪機轉輪已成功投入商業運行。自投運以來，水輪機運行平穩，水輪機組單機額定出力有原來的150MW成功增容到175MW，各項性能指標都達到了增容改造要求。銅街子電站增容改造采用“1+3”模式，由于12號機增容改造的成功，東方電機已獲得其他3臺水輪機組的增容改造合同，同時為選用ZZ440轉輪的老電站改造提供了成功的案例和技術支持。

參考文獻：

[1]趙永智.萬安電站5號軸流式水輪機水力開發[J].東方電機，2005(2).

中圖分類號：TV734.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）04-0005-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.04.002

收稿日期：2014-09-19

作者簡介：趙永智（1965-），男，高級工程師，從事水輪機水力開發工作。