水電站水輪機轉輪的增效擴容改造技術

李勇軍 四川雅電發電有限責任公司

一、引言

目前，我國發電站的能力已經與日益增長的用電量需求不相適應，如果發電站技術以及發電能力不能跟上時代發展的需要，不僅影響到人們的生活質量，而且也會阻礙社會經濟的快速發展。現階段，火力發電站增在向清潔發電技術轉型，而大部分建設時期較早的水電站也存在諸多的問題。這些建設時期較早的水電站，受當時技術條件和資金條件的限制，不僅投入建設規模小，而且技術相對落后，如今逐漸暴露出設備老舊、水輪機組容量低、發電效率下降等問題，亟須技術迭代、擴容增效。水力發電屬于清潔的發電技術，但受到地理條件限制，增設新的水電站遠不如對老舊水電站升級改造劃算。對老舊水電站升級改造既可以促進節能減排，保護河流生態環境，同時，也可以消除老舊水電站的安全隱患，為此，針對老舊水電站水輪機轉輪的擴容增效升級改造已經成為目前水電站改造項目的重要內容。

二、水電站水輪機存在的主要問題

水輪機組是水利工程發電的核心設備，水電站發電主要靠水輪機組的轉輪轉動，由流水帶動的機械能最終轉化為動能。水輪機組的設計容量、安全性能直接影響著水電站的發電效率，現對我國老舊水電站水輪機組中主要存在的問題分析如下，以便針對性地進行擴容改造。

（一）水輪機設計參數落后，發電效率及安全性能較差

目前，我國大多數水電站存在設計參數落后的問題，尤其在20 世紀90 年代以前建造的水電站，現在發電能力和發電效率出現嚴重下降趨勢，已經遠遠不能適應時代發展的需求。主要原因在于，受當時設計條件與發電技術的限制，我國自主研發能力較弱，水電站設計技術主要依靠國外技術支持，且受限于經濟發展的落后以及當時低水平用電量的現狀，在設計水輪機組容量參數等方面相對保守，例如在早期一批建設的水電站中選用的HL160、HL220、HL240 等型號的水輪機組，均為前蘇聯或美國淘汰的技術，當時設計理念和設計技術均比較落后，加之我國早期設計的水電站裝機容量相對較小，設計參數沒有超前意識，導致現在水輪機組運行時發電效率很低，運行過程中的水力穩定性也較差，在新時代發展背景下，難以撐起現代社會發展用電的需求，需要進行擴容增效改造。

（二）水輪機選用材質較差，設備遭侵蝕和老化嚴重

受到水力發電站水輪機組工作環境的影響，水輪機組材料選用上需要針對性設計。這是因為，長期處于水下環境運行，受到泥沙、空蝕等惡劣的工作條件影響，導致水輪機組磨損、腐蝕等問題頻繁出現[1]。早期的水輪機組材料設計選型時沒有考慮到這些破壞因素的影響，通常選用諸如ZG30、ZG35等型號的碳鋼材料，這些材料抗磨損、抗腐蝕能力不高，長期在水下運行作業時很容易受到破壞，導致設備遭侵蝕老化嚴重。目前，大多數老舊型號的水輪機組出現腐蝕或磨損破壞后，需要進行修復措施，通過補焊、補強等措施進行修復時，由于基礎材料較差，補焊后熱處理條件不足，很容易導致水輪機轉輪葉片變形問題，且補焊后再次開裂現象也頻繁出現。以上問題頻繁出現，不僅發電效率低下、過流能力及發電穩定性嚴重不足，而且反復修補費時費力，鑒于此，及時更換新材料新工藝制造的水輪組，對水輪機組轉輪徹底更新升級才是最優的改造方案。

（三）水輪機設計和選型差，不能處于最優模式運行

與火力發電不同，水力發電需要依靠水的流速落差帶動水輪機轉輪運行，從而實現發電。因此，水力發電站選型設計需要依據河流流量、水電站水頭等地質條件進行針對性設計，通過分析研究河流水域條件，從而確定水電站裝機容量，在設計選型時規劃相適應的水輪機組數量，才能保證水電站運行時處于高效率、最優化的運行模式。此外，我國目前的水電站水輪機組主要采用的混流式水輪機轉輪葉片，該形式設計定型以后，位置是固定死的，不能隨時調整葉片角度，因此，設計選型時必須根據選型水流角度計算好水輪葉片與水流狀態相匹配的角度，即確保水輪機轉輪處于最優的工作區域，否則水輪機組工作效率就會大打折扣。這是因為，當水輪機組轉輪葉片角度與水流狀態不適應時，水流在繞流葉片時會產生渦流，導致葉片受渦流震動影響而出現穩定性較差的問題。早期水電站設計時并沒有依據不同的選址特點對水文地質條件進行分析研究，通常是根據其他水電站設計形式套用設計相近的水輪機組，導致轉輪葉片角度與水流角度不適用，從而出現選型設計不當的問題，嚴重影響水電站的發電效率[2]。

三、水電站水輪機轉輪改造技術分析

已經運行的水電站，在進行擴容增效改造時，需要根據水電站設計建設條件、地質環境影響因素等多方面限制條件考慮，權衡利弊，并做出最優的改造方案。為此，針對水電站水輪機轉輪改造時必須遵循基本的方法步驟，掌握改造技術要點，以達到擴容增效的實際目的。

（一）研究實際工況，分析影響因素

針對某老舊發電站進行水輪機組轉輪擴容增效改造時，必須及時了解該水電站的實際運行情況，全面分析水電站運行情況、水文地質情況等影響因素，對水電站水輪機組運行狀態、影響因素等進行全面了解，出具研究報告，為查找問題、制定改造策略提供參考依據。為此，必須對水電站的運行情況進行全面巡檢排查，包括原水輪機轉輪設計參數、設計結構、設計選用材質等以及水電站水輪機組的運行方式、運行特點等，同時，對當地水電站土建情況、電站所處河流水流流速和水量變化等情況。越是了解全面、透徹，對于后期改造升級方法的制定就越有利。為此，改造技術人員必須做好前期的勘驗工作，對水電站的實際工況進行全面了解，對水電站設計圖紙、設計變更情況、運行過程中存在的問題等都要了解仔細，必要時進行實地測量，對比與圖紙設計存在的差異，務必做好前期準備工作。

（二）查找存在問題，明確改造條件

有了上述前期充分完善的準備工作，根據出具的調研分析報告，對水電站運行中存在的問題進行分析總結，查找當前水輪機組存在的實際問題，并明確符合實際工況的改造條件。水輪機組轉輪問題影響因素很多，主要包括設計參數、材質、葉片結構、水流條件等，工作人員必須確定水電站改造急需解決的實際問題，并明確實際具備的改造條件，從而對癥下藥，制定合理的改造方案，確保改造技術實施過程的順利。當查找問題原因以后，工作人員必須進一步分析改造的限制條件，確保問題能夠通過改造順利解決。為此，首先，要對水輪機組結構、尺寸問題進行分析，分析更改結構尺寸的可行性或必要性；其次，依據項目水流情況和水量變化情況，對發電機組容量問題進行分析，考慮擴容增效的可行性；再次，對葉片、轉輪主軸結構強度進行分析，考慮更換葉片或主軸型號、材質的必要性[3]。

（三）制定最優方案，確保改造成功

水輪機組改造的最優方案要根據該水電站現有存在問題及改造條件而定，通過綜合分析，制定改造費用小、改造周期短、擴容增效效果顯著的最優方案。為此，首先，通過上述兩處技術要點，對水輪機組運行水質、水頭、流速、流量等基礎條件進行全面分析，經過計算、驗算、校核等確定該水電站水輪機設計最優工況點所需的單位轉速和流量，并進行轉輪改造所需的水力設計等，以此確定需要改造的邊界條件；其次，對上述設計。驗算分析所得的設計邊界條件進行反復修正計算，確定最優設計參數，直至達到最優設計目的；再次，根據實際改造所需邊界條件以及需要達到的設計參數，對水輪機組狀況進行分析，根據存在的實際問題逐一改造修復，如升級設計參數、改進葉片或轉輪主軸型號和材質等，必要時對水輪機組重新進行選型設計，確保水輪機組擴容改造升級成功。

四、結束語

水電站水輪機組擴容增效改造是一項利國利民的重大工程，面對當前社會對電力能源的巨大需求，政府必須重視老舊水電站改造升級問題，通過分析存在的實際問題和改造條件，合理確定擴容增效改造方案，從而提高老舊水電站的發電能力和發電效率。