LSW水電站水輪機增效擴容改造技術研究

劉振龍，安 剛

(1.新疆額爾齊河斯流域開發建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概 述

LSW水電站位于新疆北部，采用壩后引水式開發，裝機容量為4×8 MW。電站實際運行水頭比原機組額定水頭高的時間較多，實際運行條件與機組不匹配，導致原機組經常需要超負荷發電，影響機組安全運行及壽命，有增效擴容潛力。目前電站部分機電設備老化，可靠性降低，水輪機、發電機運行年份較久，電站效率較低，存在安全隱患。

(1)電站水能利用

從電站運行多年的實際情況看，電站若要保持高水位運行則棄水時間較多。上游近年已建大型水庫的調節作用，可以長期保持正常水位發電，運行水頭比原水輪機額定工況水頭運行高的時間較多，水輪機和發電機經常存在超負荷發電現象，導致機組損耗較大、效率低、運行不安全。電站水能利用和裝機容量都尚有增大的空間。

(2)機組運行效率評價

電站裝有4臺水輪發電機組，型號為HLFN70—LJ—160，機組額定容量8 MW。近年來，由于機組水輪機氣蝕嚴重，且存在超發、設備老化等因素，機組效率下降。目前，在額定工況時，機組滿發出力時效率水平已低于88%，單位電能耗水率增大。由于機組效率低，嚴重影響了電站經濟效益的發揮。

(3)電站增效擴容的可行性評價

從充分利用水能和機組運行效率提高方面來說，進行增效擴容是可行的。電站實施增效擴容改造可增加發電效益，提高生產效率，消除安全隱患，非常有益于企業本身。同時，對于流域水能資源的充分利用、促進當地社會經濟發展和節能環保也十分有利。

2 水輪機改造基本原則

(1)嚴格執行《小型水電站技術改造規程》，從實際出發，在不改變水庫水位、發電引水系統、水輪機安裝高程、機墩、水輪機蝸殼、座環和尾水管混凝土部分及埋件的前提下，優先選用能量指標先進、空化性能特性優良、運行穩定性好，并有改造成功實例的水輪機轉輪，在優先增效的基礎上進行擴容。

(2)由于本電站屬于改造工程，機組流道、尾水管、蝸殼、座環等結構已確定。原機組的轉輪直徑為1.6 m，為保證流道及其埋件與改造后相匹配，本次更新改造新機組的轉輪直徑仍然保持在1.6 m左右，據此進行機組選型設計。

3 水輪機選型分析

電站屬低水頭段中小型容量機組，目前國內在滿足轉輪直徑為1.6 m左右時可用于該水頭段的轉輪中，工況較好的轉輪主要有A551、A904a、A551C、JF3636，各轉輪的模型參數如下所示(見表1)。

表1 模型轉輪基本參數

從表1中4個轉輪的模型參數可以得知，均在模型轉輪最大使用水頭范圍之內。分別對4個轉輪進行選型計算，其初選方案如下所示(見表2)。

表2 電站初選方案水輪機主要參數比較

從表2可以看出，A551轉輪與A904a轉輪在額定點滿負荷時氣蝕情況最好，但其轉速為333.3 r/min，與電站原機組轉速375 r/min不一致；同時轉輪直徑也偏離原機組轉輪直徑1.6 m較大。此次改造的基本原則是流道及其座環、尾水管等埋件不變動，轉輪直徑增加會造成轉輪與座環、尾水管等基礎埋件干涉。

因此，本項目不推薦采用A551及A904a這兩個轉輪。

相對而言，A551C和JF3636轉輪在各項水力參數上均能滿足電站增效擴容的要求。下面就以上兩種方案機型的其他主要水力參數進行比較，以便更好地選出最適用于本電站的機型。

首先，A551C轉輪模型最優效率為93.55%，JF3636轉輪模型最優效率為93.78%，JF3636轉輪比A551C轉輪模型最優效率高0.23%。但A551C轉輪額定工況效率為93.13%，JF3636轉輪額定工況效率為93.01%，A551C轉輪比JF3636轉輪高0.12%。兩者各有優劣，都能滿足電站增效擴容的實際需求。

其次，就氣蝕性能來說，兩者數據基本接近，都優于原電站的設計吸出高度，都能滿足電站安裝高程不變的需求。

再次，A551C和JF3636轉輪的導葉高度比分別為0.304、0.365，真機導葉高度分別為486.4、565.75，可以看出A551C轉輪的真機導葉高度更接近改造前機組的實際導葉高度496 mm，流道相對來說過渡更平滑，水力損失更小。

綜上所述，推薦采用A551C轉輪，改造前后水輪機初選參數對比如下所示(見表3)。

表3 水輪機初選參數對比

4 水輪機改造說明

(1)蝸殼、座環、尾水管等埋設部件仍保留使用。為滿足現有轉輪與原有流道的匹配性，需要對尾水錐管進行一定程度上的修復。原水機中心線至尾水管進口高度尺寸為690 mm，尾水管進口直徑φ1 618.8 mm,A551C轉輪中心至轉輪底平面高度尺寸為700 mm，轉輪出口直徑φ1 705 mm。為保證轉輪出口與尾水管的匹配性，需要在電站配割原有尾水管，再焊接如圖1尺寸φ1 705×145 mm的尾水套環(見圖1)。

圖1 尾水管進口段改造裝配示意

(2)更換轉輪，整體采用不銹鋼材料。

(3)更換水輪機主軸、水導軸承。

(4)活動導葉需要根據轉輪重新設計更換，采用不銹鋼材料。導水機構全部重新設計更換改造，活動導葉各軸套采用鋼背自潤滑復合材料軸套。頂蓋、底環重新設計制造。

(5)原主軸密封裝置設置在主軸通過頂蓋的部位，結構不合理，漏水量大，檢修困難，需要結合頂蓋的改造重新設計制造。

(6)原水輪機補氣裝置設置結構不合理，轉輪氣蝕嚴重，需要結合水輪發電機結構重新設計制造。

(7)應根據電站原有機坑的尺寸，重新設計制造導葉接力器。

(8)應根據電站的調速器系統、自動化和油氣系統配置進行改造。

(9)水輪機的設備零部件需要根據機組拆除后的實際情況進行更新或者翻新處理。

5 結 語

針對電站的具體運行狀況,進行因地制宜分析及合理化改造研究,是水輪機增效擴容改造需解決的關鍵課題。合理的設計方案也為后續施工、運行、維護奠定了堅實的基礎，使電站增效擴容取得良好的經濟效益和社會效益。