佟公壩水電站增效節能技術改造與實施方案

常小平

(宣城市宣州區水利局，安徽 宣城 242000)

0 引 言

一些河床式低水頭電站經過多年的運行，由于河道變遷等原因，其運行水頭發生明顯變化，機組運行工況較大偏離設計工作點，導致水輪機效率低下。分析電站運行情況并有針對性地實施增效節能技術改造，將大幅提高電站發電效率，產生顯著的經濟效益。

1 工程概況

1.1 佟公壩樞紐

佟公壩水利樞紐位于水陽江干流上游與中游交界處，上游46.9 km處建有港口灣水庫，控制面積1 120 km2，總庫容9.41億m3，下游21.2 km處建有宣城水文站。該水利樞紐為有壩引水灌溉工程，攔河壩壩體形式為曲線型實用堰，平面布置形式為“Ω”形迷宮堰，壩高3 m，壩長330 m，灌區受益面積10萬畝，人口6萬人。

1.2 佟公壩水電站

佟公壩水電站興建于本世紀初，為徑流式水電站，依托佟公壩樞紐形成的落差，利用灌溉富余水量發電。佟公壩上游來水面積3 100 km2，電站總裝機容量4×800 kW，設計最大水頭4.0 m，最小水頭2.5 m，額定水頭3.0 m，設計發電流量135.2 m3/s，年發電量1 120萬kW·h。

佟公壩水電站共安裝4臺水輪發電機組，水輪機型號為GD008—WZ—260φ25°，額定轉速119 r/min；轉輪模型GD008—φ25°，葉片安裝角為25°；發電機型號為SFW800—8/1180，額定轉速750 r/min。水輪機與發電機間采用行星齒輪增速器連接，增速比1∶6.3。

2 電站設計條件與運行現狀

根據《宣城市佟公壩水電站工程初步設計報告》，水電站設計運行水位由佟公壩灌溉樞紐運行條件擬定，佟公壩壩頂高程25.00 m(吳淞高程系，下同)，水電站設計運行水位采用24.50 m。設計尾水位由尾水渠參數及匯入河道處水位分析計算確定，尾水渠設計底寬60 m，縱比降1/3 000，渠首底高程19.50 m(見圖1)。

圖1 尾水渠首H～Q曲線

佟公壩水電站于2004年5月建成發電，運行初期由于運行管理不善等原因，一度發電量不足1 000萬kW·h。2008年后逐步達到設計水平，目前由于發電水頭增加，年發電量可達1 200～1 300萬kW·h。

近年來，水陽江流域水土保持工作不斷加強，加之河道采沙影響，河床下切，發電尾水位顯著降低。經2019年3月實測，電站1～4臺機組滿負荷運行尾水位分別為19.00、19.50、19.90 m和20.30 m，平均下降約1.2 m。電站投入運行初期，機組滿負荷運行時水輪機導葉開度為80%左右，目前機組出力800 kW狀態下導葉開度僅50%。根據電站目前實際運行水頭，按水輪機相似理論計算單位參數查水輪機轉輪模型特性曲線，水輪機運行工況明顯偏離設計工作點，運行效率大幅下降，造成較大的水能資源浪費。經分析認為，電站具備增效潛力，對其進行技術改造將產生顯著的經濟效益和環境效益。

3 設備技改方案

3.1 技改范圍

由于電站運行尾水位下降，發電水頭加大，水能蘊藏量增加，技改首先分析電站增容的合理性及必要性。

電站設計總裝機容量3 200 kW，年均發電量1 120萬kW·h，相應設備年利用小時3 500 h，初步設計總裝機容量相對充裕。另外，目前正在實施的國家重點項目港口灣水庫灌區工程將增加用水量19.8 m3/s，占佟公壩多年平均來水流量的25%，電站可用水量(富余水量)相應減少。

綜合分析認為，電站總裝機容量基本滿足水能開發利用要求，增容必要性不足，本次技改暫不采取增容措施，僅對水輪機及相關輔助設備進行增效節能技術改造。

3.2 技改措施

電站水輪機型號為GD008—WZ—260φ25°，轉速119 r/min，額定水頭3.0 m，流量33.8 m3/s，效率84%，額定功率855 kW(見圖2)。根據實測尾水位數據計算，目前實際運行平均凈水頭4.2 m，導葉開度50%左右即達額定輸出。

圖2 GD008—φ25°轉輪特性曲線

根據水輪機相似理論計算，水輪機轉輪初步設計工況單位轉速179 r/min，單位流量2.85 m3/s，效率84%；技術改造前實際運行工況單位轉速151 r/min，單位流量2.02 m3/s，效率約73%。

針對本電站具體情況，水輪機技術改造的核心是改變轉輪葉片安裝角，同時通過改變增速器增速比調整水輪機轉速，使水輪機在現狀水頭下高效運行，以增加電站發電量。

3.2.1 技改參數

(1)水輪機葉輪特性參數

GD008—WZ—260φ25°水輪機轉輪模型為定槳式轉輪，欲改變其葉片安裝角，性能參數只能參照GZ008轉槳式轉輪模型綜合特性曲線(見圖3)。依據實測尾水位及設計發電水位數據，擬定水輪機技改參數為額定水頭4.2 m，額定功率855 kW。在擬定的額定參數工況條件下，通過相似理論換算，選擇葉輪最佳工作點，是水輪機增效節能技改的技術核心。查圖3，滿足出力要求的最高效率理論上可達88.8%，單位流量1.69 m3/s，單位轉速180 r/min，葉片安裝角10°，由出力公式、相似理論計算，水輪機額定流量23.4 m3/s，額定轉速142 r/min。

圖3 GZ008轉輪綜合特性曲線

(2)推力軸承復核

由于設計水頭增加，技改后葉輪水推力將由156 kN增大到218 kN，原推力軸承不能滿足技改后工況運行要求，須更換推力軸承；或者優化推力軸承運行參數，提升軸承承載力。

水輪機推力軸承為平面滑動推力瓦結構，系流體動力潤滑軸承，其承載力為：

F=ηωCp/ψ2=η2πnCp/ψ2

式中，F為承載力；η為潤滑油粘度；n為轉速；Cp為承載量系數；ψ為相對間隙。

提高轉速可增大軸承承載力。技改前水輪機轉速119 r/min，技改后轉速166 r/min，可滿足推力軸承承載力要求。由出力公式、相似理論計算，該工況點單位流量1.71 m3/s，單位轉速211 r/min；查圖3得，對應葉片安裝角8°，效率87.7%。

(3)增速器參數

技改前水輪機轉速119 r/min，增速器增速比1∶6.3。因水輪機轉速改變，為匹配發電機同步轉速，須改變增速器增速比。發電機額定轉速為750 r/min，對應水輪機轉速166 r/min，增速器增速比為1∶4.5。

(4)抗氣蝕性能復核

由于尾水位下降，葉片安裝角度調整以及轉速改變，致使葉輪氣蝕余量發生變化，須對水輪機技改后抗氣蝕條件進行復核。抗氣蝕性能復核是根據水輪機的安裝高程復核水輪機的吸出高度，與葉輪氣蝕系數、大氣壓力、氣溫和設計水頭有關。根據GD008轉輪氣蝕系數及相關工作參數計算，最大吸出高度為2.8 m。查電站竣工圖資料,水輪機安裝高程為19.60 m，對應現狀最低運行尾水位,吸出高度為0.7 m，本技改方案抗氣蝕性能完全滿足要求。

3.2.2 技改措施

佟公壩水電站為軸伸貫流定槳式水輪機，轉輪葉片與輪轂之間為電焊連接，推力軸承為獨立軸承箱結構，水輪機與發電機間由增速器連接。此類水輪發電不增容技改措施一般為更換葉輪、推力軸承及增速器。

(1)技改措施分析

葉輪改造是本次增效節能技改的核心。技改參數分析顯示，葉輪葉片安裝角可選擇10°或8°，前者效率更高，后者對推力軸承工況有利。

軸伸貫流式水輪機推力軸承及軸承箱為獨立結構，預埋件澆筑在廠房電機層混凝土結構內，總體結構價格較高，安裝調試施工難度較大；并且二次澆注混凝土周期長，技改設備購置、安裝費用高且施工期發電損失大。根據前文中的分析計算，選擇水輪機額定轉速166 r/min，可以不更換推力軸承。該方案葉片安裝角8°，效率較安裝角10°略低，年均少發電約18萬kW·h；但可減少推力軸承設備采購、安裝費及施工期發電損失共110萬元。經經濟技術方案比選，確定不更換推力軸承；與該方案匹配的增速器增速比為1∶4.5。

(2)技改方案實施

需要改造的部件為葉輪與增速器兩部分，經與水輪機制造廠溝通，更換葉輪造價高、工期長。結合本電站現場技術條件和經濟狀況，為進一步節約費用且縮短工期，最終采取現場直接更改葉片安裝角的實施方案。水輪機葉輪共有3片葉片，葉片、輪轂分別為不銹鋼、碳鋼材質，兩者之間為電焊連接。施工時先將欲調整的葉片旋轉至向上位置，在葉片外緣中心(葉片軸線位置)焊接1個轉軸，利用套管和支架將轉軸固定在水輪機導水喉管上；然后用等離子切割機將葉片與輪轂之間的電焊切開。根據葉片幾何尺寸計算調整角度參數，并精確定位后，再用二氧化碳保護焊機將葉片與輪轂焊接牢固，將焊點表面打磨光滑、葉片外圓修整平順，完成1片葉片角度調整。用同樣的方法分別調整另外2片葉片，即完成葉輪技改。

增速器改造，施工難點是安裝調試。經與原設備制造廠溝通，確定的設備技改方案為：重新設計、制造內部齒輪和軸承，通過更新傳動零件參數改變增速比，外殼和相關連接部件仍用原件。此方案下設備外觀尺寸和安裝參數維持不變，安裝調試過程極大簡化。

4 技改后實際運行效果

先對1、2號機組進行技改，經與未改造的3、4號機組對比運行，改造后機組效率顯著提高。依據運行工況分別查GD008—φ25°、GZ008轉輪特性曲線，技改前水輪機效率約73%，技改后達88%。經現場實測，當進水口水位為24.2 m時，1、2號機組1、2臺滿負荷運行尾水位分別為18.90、19.35 m；3、4號機組1、2臺滿負荷運行時尾水位分別為19.00、19.50 m。在電站上游基本沒有來水的情況下，利用壩前蓄水量發電，壩前水位24.5 m時，1、2號機組2臺滿負荷運行1.5 h實測壩前水位降低0.26 m；同樣情況3、4號機組運行降低0.31 m。

查尾水渠現狀H～Q曲線，技改后1、2號機組實際單機流量為23 m3/s左右，未技改的3、4號機實際單機流量為28 m3/s左右；技改前后機組運行實測壩前水位的下降速度，也印證了機組流量的變化。技改后機組效率提升20%。

經1、2號機組技改完成后1年多的運行觀測，效果完全達到設計要求，運行正常可靠，檢查葉輪、推力軸承，未發現氣蝕、不正常磨損等現象。隨后，對3、4號機組進行了技術改造，技術參數和施工方案與1、2號機組相同。

佟公壩水電站技改前、后發電引用流量分別為112 m3/s與92 m3/s，單位電能耗水量分別為126 m3/kW·h和104 m3/kW·h，年均灌溉富余水量20.4億m3，水量利用率略有降低。技改前、后電站水量利用率分別為77%和75%，但發電量顯著增加，相應年均發電量分別為1 247萬kW·h和1 471萬kW·h。

佟公壩水電站節能增效技改工程葉輪改造人工費和材料費每臺13萬元，增速器材料購買和安裝費12.5萬元，包括其他費用，總計每臺費用28萬元，4臺機組合計112萬元，年均增加發電量224萬kW·h，技改產生的經濟效益十分顯著。

5 結 語

水輪發電機組技術改造涉及水工結構、水能轉換、機械動力傳遞、電機電氣等多專業，技術復雜施工要求高。每座水電站的實際情況不盡相同，技改方案的擬定應充分考慮電站的結構特點、現場條件和施工水平。

佟公壩水電站水輪機增效節能技改方案充分考慮了推力軸承工作條件，同時對增速器進行了最為經濟可行的配套改造，并仔細復核了推力軸承的溫升和水輪機安裝高程；核心措施為調整轉輪葉片安裝角度，以優化水輪機工作點、提高運行效率。改造過程中采用現場加工取代返廠制造的方式，具有造價低、工期短的優勢；但需要注意的是該方案施工技術要求高、重復性差。

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