HZ-YTJS新型調槳系統的研究與應用

張開學 張龍龍 鄧東紅 周松萍 劉軍

摘?要：受地形、機組空間布置、投資和增容手續審批等因素制約，擴建生態小機組難以實施。目前，國內低水頭水電站受技術條件限制，轉輪直徑1.8 m以下的水輪機組均采用定槳機組，難以實現小流量發電。河南河口二級水電站采用華自科技股份有限公司研制的HZ-YTJS新型調槳系統，將直徑1.0 m定槳機組改為轉槳機組，實現了對原機組改造后小流量發電，解決了生態基流發電問題，經濟效益明顯，屬國內首創。

關鍵詞：生態基流;小流量;水輪機;軸流;定槳;轉槳

中圖分類號：TV734.4?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.05.023

Abstract： Restricted by terrain， unit space layout， investment and approval of capacity expansion formalities， it is difficult to implement expansion of small ecological units. At present， domestic low-water-head hydropower stations are restricted by technical conditions and the fixed paddle units are adopted for all turbine units with a runner diameter less than 1.8 m. It is difficult to achieve small-flow power generation. HZ-YTJS novel paddle adjusting system of HNAC Technology Co.， Ltd. was adopted for Hekou Second-Stage Hydropower Station in Henan. The fixed paddle unit with a diameter of 1.0m was changed as the rotary paddle unit in this system， which realized reconstruction of small-flow power generation on the original unit and solved the issue of power generation with ecological basic flow. It had obvious effects and was domestic initiative.

Key words： ecological basic flow; small flow; hydraulic turbine; axial flow; fixed paddle; rotary paddle

2016年水利部印發《農村水電增效擴容改造河流生態修復指導意見》中強調，河流生態修復應遵循“尊重自然，保護優先”和“以自然修復為主，人工修復為輔”的原則。農村水電站應設置“生態小機組”并長期運行，承擔生態流量泄放任務和基荷發電任務，通過發電下泄確保生態流量，生產運行時保證生態基流下泄的最低要求。生態基流相對水電站設計流量較小，在原機組上利用生態基流發電效率較低，而受地形、機組空間布置、投資和增容手續審批等因素制約，擴建生態小機組難以實施。怎樣既保護河道生態又兼顧企業發電效益，是當前的一項新課題。目前，國內低水頭水電站受技術條件限制，轉輪直徑1.8 m以下的水輪機組均采用定槳機組，難以實現小流量發電[1-5]。HZ-YTJS新型調槳系統在河南河口二級水電站的成功應用為解決這一問題提供了成功案例。

1?河口二級水電站改造的背景

河口二級水電站位于河南省濟源市克井鎮河口村，引沁河口水電站以下2.3 km處，屬于梯級水電開發項目，發電水源主要為引沁河口水電站尾水。河口二級水電站原裝機為3×400 kW軸流定槳式水輪機，水輪機型號為ZD560B-LH-100，發電機型號為SF400-14/1730軸流低壓機組，電站設計水頭11 m，最大水頭12.4 m，最小水頭10.8 m，設計流量13.65 m3/s（3×4.55 m3/s），配有常規調速器，設備投產于2009年。

河口二級水電站以沁河為水源。沁河是黃河三門峽至花園口區間兩大支流之一，發源于山西省長治市沁源縣霍山南麓的二郎神溝，自北向南流經山西省的沁源、安澤、沁水、陽城、高平、晉城和河南省的濟源、沁陽、武陟等縣（市），于武陟縣方陵村匯入黃河。如何科學利用生態基流、保護河流生態，成為流域生態保護和高質量發展的新課題。

近幾年，隨著沁河上游的深度開發，沁河下游河南省境內出現小流量的概率明顯增大。要保證生態基流必須小流量發電，為此引沁河口一級電站增加一臺生態小機組發電，設計流量2 m3/s，發電流量在0.8～2.0 m3/s范圍之內，而下游河口二級電站對該區間流量無法利用，因此計劃新增1臺200 kW小機組，但受地形、機電空間布置、投資、增容審批手續等影響未實施。當上游電站小機組發電時，二級電站無法運行，造成綠色能源浪費。因此，決定對原機組進行改造，即將原定槳機組改造為轉槳機組。

轉槳機組結構復雜，加工難度大，目前主要應用于轉輪直徑1.8 m以上的水輪機，轉槳技術在小直徑水輪機上很少使用。經與華自科技股份有限公司科技人員共同攻關，將原ZD560B轉輪改槳成ZZD471轉輪，效益提升明顯，效果良好，既實現了生態基流發電又提高了整機運行效率，發電效率提高30%，填補了國內小轉輪轉槳技術的空白。

2?HZ-YTJS新型調槳系統技術改造

2.1?HZ-YTJS新型調槳系統簡介

新型調槳系統主要由集電環、槳葉受油及控制系統、槳葉開度傳感器系統和高效轉槳轉輪以及電氣控制柜組成，見圖1。

轉槳控制系統通過建立優化調節的模糊控制數字模型，實現智能調節、自動適應導葉開度及水位和手動自動一體無擾動切換。槳葉受油及控制系統環抱于主軸安裝，實現了集油源、壓力提升、換向控制于一體，安裝簡單、控制可靠。開度傳感器實現了對旋轉體非接觸式測量，同時達到安裝簡便和測量準確的效果。轉槳轉輪系統通過對轉輪參數優化、主軸加工改造和泄水錐改進，實現了轉槳轉輪系統性能的提升。

2.2?技術改造方案

2.2.1?轉輪改造

水輪機轉輪技術更新，采用D471-100轉輪葉片。通常慣例，ZD560的升級型號為JP502，而JP502的升級替代型號為D471-100，其效率提高5%，空蝕性能、水推力和穩定性都有優化。新的轉輪直徑與原轉輪相同，不需要對機組轉輪室進行改造，對原轉輪進行現場堆焊修復、打磨、清潔。

2.2.2?定槳改轉槳

原水輪機結構為軸流定槳結構，通過改進成液壓轉槳的方式，在水輪機軸和發電機軸連接位置增加HZ-YTJS新型調槳裝置，轉輪結構在輪轂內部設置接力器，通過水輪機軸的中心通孔將可控壓力油引入接力器，實現機組的自動轉槳功能。新的轉槳轉輪可以在發電功率為100～530 kW范圍內高效穩定運行，在發電功率為100～150 kW運行時效率不低于70%，在發電功率為150～200 kW運行時效率不低于80%，在發電功率為200～300 kW運行時效率不低于85%，在發電功率為300～530 kW運行時效率不低于90%，比原定槳轉輪的穩定運行范圍（發電功率為300～410 kW）寬闊得多，不僅能合理利用上游增加的水量，而且在平水期能提高水能利用率。由于原機組設計余量較大，因此轉槳的改造不需要改變土建，只需要更換水輪機軸、轉輪和增設槳葉控制系統，以及更換水導軸承及主軸密封。

2.2.3?發電機增容

由于原發電機機座較大，發電機軸承承載能力足夠，因此在原400 kW的機組上加長并更換定子線圈即可滿足500 kW的發電功率，并可短期達到550 kW。對發電機絕緣材料進行更換，并對其他部位進行維護，同時增加測溫和油位監測點，提高自動化運行水平。改造后的發電機外形沒有改變，不需要土建施工配合。

2.3?HZ-YTJS新型調槳系統特點

該系統主要具備以下特點：①16 MPa高油壓，具有調節力大、調節平穩的優點;②油源內置、用油量少，相比傳統槳葉調節系統結構上沒有旋轉動態密封點，可以做到零泄漏、無污染;③安全可靠，油泵通過特殊的機械結構驅動，取消了油壓電動機，降低了漏電風險;④效率范圍大，適應負荷變化能力強，發電水頭范圍擴大到設計凈水頭的0.5～1.2倍，出力范圍擴大到額定出力的25%～100%，處于生態流量時仍然可以發電;⑤投入成本少，相比常規擴容方式成本大大降低;⑥改造時間短，120 d內完成設計、生產加工、安裝調試，其中停機影響發電時間不超過20 d;⑦維護成本低，產品故障點少、安全可靠，常規維護僅需對剎車片、壓力油等易耗易損件進行檢查維護。

2.4?改造方案對比

方案一為原有2臺水輪機定槳改轉槳，方案二為新增1臺200 kW機組，按技術改造要求，改造方案對比見表1。

按技術改造要求，改造成本對比見表2。

方案比較表明，方案一具有如下優點：①改造成本低;②兩臺水輪機的轉輪更新后，效率相應提升，并可實現超發，綜合效率提升30%左右，電站能夠取得更大收益;③無土建工程，可簡化行政審批手續，項目改造周期短。

3?改造效果

3.1?改造前后數據對比

現場實測數據對比見圖2。經過現場實測數據對比得到：改造前，當上游一級電站小機組發電功率為1 600 kW（滿負荷）、發電引水流量為2.0 m3/s時，下游二級電站發電功率為130 kW，改造后下游二級電站發電功率為200 kW，較改造前增加發電功率70 kW;改造前，當上游一級電站發電功率為1 200 kW、發電引水流量為1.5 m3/s時，下游二級電站發電功率為70 kW，改造后下游二級電站發電功率為150 kW，較改造前增加發電功率80 kW;改造前，當上游一級電站發電功率為1 000 kW、發電引水流量為1.2 m3/s時，下游二級電站停止發電，改造后下游二級電站發電功率為90 kW。

3.2?改造前后效果對比

（1）實現生態基流發電。通過試驗，改造后電站最小發電流量為0.8 m3/s，上游發電功率為600 kW時對應下游發電功率為50 kW。

（2）轉輪效率提升。轉輪效率提升，空載開度減小，空載頻率更加穩定，并網速度更快。原有轉輪葉片角度設定為10°，機組在額定負載時機組效率較高。當偏離額定負載時，流量與葉片角度不匹配，機組效率下降，水輪機無效耗水量大。新轉輪采用液壓調槳轉輪，葉片可調角度范圍為-12°～12°，能根據當前的流量選擇相匹配的角度運行，維持機組在高效區運行。機組在空載和低負荷狀態下同樣能維持高效率運行，耗水量減少，發電效益明顯得到提升。

（3）發電機效率提升。原容量400 kW的發電機最高發電功率只能達到420 kW，經改造后可達到550 kW，在豐水季節的效益得到進一步發揮。原轉輪按發電機400 kW容量設計，葉片角度固定在10°左右，可過流量受限，而新轉輪的葉片角度最大可調整到12°，過流量隨之加大，發電機可提高發電效率30%左右。

3.3?改造前后效益對比

河南河口二級電站改造前多年平均發電量500萬kW·h，改造后年平均發電量提高30%，年發電量達650萬kW·h，新增發電效益48萬元，兩年以內可收回成本，無土建投資，施工期短，經濟效益明顯。

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【責任編輯?張華巖】