高壩洲電廠機組型式改造探討

摘 要：針對高壩洲電廠機組在運行過程中出現的問題，對高壩洲電廠機組由軸流轉槳型式改造為軸流定槳型式的必要性進行了分析，重點論述了機組型式改造的利弊，可供機組型式改造參考。

關鍵詞：高壩洲電廠；機組型式；軸流轉槳；軸流定槳；改造

1 概述

高壩洲電廠位于湖北省宜都市高壩洲鎮，電廠共安裝3臺軸流轉槳式水輪發電機組，單機容量90MW，機組設備由東方電機股份有限公司制造。

高壩洲電廠機組的運行水頭范圍為22.3-40m，較好的使用機型主要是軸流式水輪機。原水輪機設計對ZZD32B、ZZA315、HLA551、HLPO45四種型號的水輪機進行了裝機3臺、4臺共8種組合方案的真機技術經濟比較，最終得出ZZD32B型號3臺機的方案為最優，即滿足高壩洲電廠要求的性能參數水平，機組和電站廠房造價低，水輪機效率較高。1996年清江公司采用招標方式，最終采用了東電引進的ZZD231-LH-580型水輪機，該機型是對ZZD32B轉輪型號優化選擇后得出的，機型的選擇上沒有問題。

但上述設計僅考慮了軸流轉槳與混流式水輪機進行比較，并未對軸流轉槳式與定槳式水輪機機型進行比較。高壩洲電廠機組經10余年運行，槳葉操作機構運行出現諸多問題，如曾發生過槳葉密封損壞，機組操作透平油泄漏，調速器油源進水事故，以及受油器浮動環密封破損造成機組操作油大量滲漏而緊急停機的事故，機組檢修維護工作量逐年增加，故對機組由轉槳式機型改造為定槳式機型進行探討。

2 機組型式改造的必要性及有利因素

2.1 改造技術上可行

從需改造的設備方面，需對機組槳葉部分、調速器機械液壓部分及調速器運行程序進行相應改造。機組槳葉操作機構可采取固定處理或拆除處理，固定轉輪葉片安放角度，對調速器主配壓閥槳葉操作油管進行拆除，對槳葉操作油路進行封堵，調速器運行程序改為單調機組運行。此項改造在技術上是可以得到保證的，并有成功的經驗可以借鑒。

2.2 運行及維護檢修方便

定槳式水輪機由于其結構簡單，調試簡捷，可大大節省調試時間。也由于其結構簡單，比轉槳式水輪機少一套操作機構，減少了檢修維護工作量，運行費用較省。

2.3 減少機組運行事故威脅、減輕環境污染

軸流轉槳式轉輪常因轉槳密封機構的磨損或其它故障而漏油，造成水源污染，高壩洲電廠曾發生過槳葉密封損壞，機組操作透平油泄漏，調速器油源進水事件，以及受油器浮動環密封破損造成機組操作油大量滲漏而緊急停機的事故，而改為定槳式水輪機則可避免上述情況發生。

2.4 減少機組用油量，降低調速器油壓裝置油泵工作負荷

機組槳葉操作機構的拆除直接減少了機組透平油用量，而操作油源使用量的大幅減少也降低了調速器油壓裝置油泵工作負荷，油泵頻繁啟動次數減少，設備損壞可能性減小，廠用電電量降低。

3 機組型式改造需考慮的不利因素

3.1 水輪機效率降低

軸流轉槳水輪機槳葉由裝在轉輪體內的操作接力器控制，可按水頭和負荷變化作相應調整，可根據不同水頭、流量按照最優協聯曲線運行，具有調節性能好、運行范圍寬廣以及適應性強、效率高等優點。而定槳式水輪機轉輪槳葉不能轉動，其葉片開口固定，葉片進出口安放角固定，不像轉槳式轉輪可適應大范圍的流量及水流角度變化。表現在水力性能上，其高效運行區要窄得多，適用范圍較小，這就給定槳式轉輪的選擇及運行以很大的局限。無疑將高壩洲電廠轉槳式機組改為定槳，水輪機效率將會有所降低。而進行槳葉的固定還需進行專項試驗和研究，以尋求槳葉最優固定角度，盡可能加大水輪機運行效率。

3.2 機組運行安全性受到影響

根據相關資料，軸流轉槳式機組改作定槳運行主要基于以下2種情況：

（1）洪水期間，水庫大量棄水，恰好此時轉輪葉片操作機構損壞，若停機檢修，造成電能損失，因而在轉輪葉片法蘭處作臨時焊接固定，將轉輪葉片固定在某一角度作定槳運行。

（2）機組某些部件制造質量欠佳，機組不能在導葉和轉輪葉片協聯情況下運行，即協聯失效，被迫改為定槳運行。如廣西大化電站，曾以手動調槳方式運行。調速器的導葉和轉輪葉片的協聯不穩定，可能造成失控現象，水輪機轉輪葉片可能突然自動關閉，發電機推力軸承瓦溫過高，為了避免推力瓦溫過高，只能放棄水輪機在高效率的協聯關系下運行，手動調節將轉輪葉片開度適當增大，以降低轉輪水推力，使發電機推力瓦溫降低到允許范圍內運行。

高壩洲電站出現棄水情況較少，而目前機組運行還較為穩定，導葉與槳葉協聯也較理想，機組效率較高，故不滿足上述條件。而考慮到機組運行的安全性就必須認識到軸流轉槳與軸流定槳運行時水輪機產生飛逸轉速的差異不同。

水輪機在運行中因機組故障突然甩負荷，調速器失靈造成導葉不能關閉，軸流轉槳式水輪機在導葉和轉輪葉片保持協聯情況下產生飛逸轉速，因導葉開度增大的同時，轉輪葉片開度也增大，飛逸轉速比較低。而水輪機作軸流定槳運行時，在比較小的葉片角，如葉片角在O0和-50時，水輪機產生飛逸轉速時的撞擊損失和渦流損失要在比較高的轉速才到最大值，水流功率與機組能量損失才相平衡，故飛逸轉速遠比導水葉與輪葉協聯情況的飛逸轉速要大。高壩洲電廠機組如要考慮將轉槳改為定槳運行需要制造廠家對機組飛逸轉速進行重新計算校核，以保證機組即使產生飛逸轉速時不會對機組造成大的損害。而水輪發電機組的零部件的制造是按飛逸轉速進行校核的，一般保證機組在設計飛逸轉速下運行不超過2分鐘。按軸流轉槳式飛逸轉速設計的發電機轉子，改為軸流定槳運行時產生的飛逸轉速更大，超過發電機轉子的設計強度，即使產生飛逸轉速機率很小，但是一旦發生，可能使發電機轉子甩出，使發電機定子線圈全部燒損。

3.3 需要對槳葉及操作機構、調速器相關設備進行改造

如進行改造，需要考慮定槳轉輪葉片能夠適應的水頭變化范圍，是否對轉輪的重新選型更換，或者采用不更換轉輪體，根據計算和通過機組試驗確定轉輪葉片運行的最優運行角度（效率高、穩定工況、不振動、無氣蝕等），固定原操作接力器活塞，將轉輪5個葉片焊接牢固，槳葉固定在最優工況點運行，轉輪改造完成后，對機組受油器進行相應改造處理，另還需對調速器槳葉操作機構及調速器液壓系統進行改造處理，更改調速器運行程序等。以上部分改造的實施有一定的難度，且需要一定的經費支持。

3.4 需要對電網調度運行方式進行重新論證

水輪機需避開機組振動區運行，轉槳改為定槳后，機組出力范圍需重新進行試驗確定。原設計資料顯示，高壩洲電站為上游隔河巖電站的反調節水庫，為保證下游河道通航，電站最少應下泄120m3/s流量，相當于發4萬千瓦基荷，電站又需滿足電網系統調峰要求，如進行改造，需對上述問題進行進一步研究。

4 結束語

以上是對高壩洲電廠機組型式由轉槳機組改造為定槳機組的必要性分析，對改造需要考慮的各個方面進行了論述，對改造的有利和不利因素進行了探討。考慮到機組運行效率、運行安全、以及技術經濟方面的要求，建議不作機組型式改造，如確需改造，需進一步權衡利弊，以得出最佳結論。

參考文獻

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