水輪機常見問題及增效擴容淺析

陳志運 蔣三林

摘要：中國有豐富的水能資源，水電市場發達。上世紀八九十年代的建成的電站，經過幾十年運行，多數電站機電設備陳舊落后、老化損耗嚴重，且限于當時水電技術的發展水平，部分水電站的選型設計不盡合理。發電設備技術的快速發展給水電機組的改造增容帶來巨大潛力。本文從水電站水輪機增效擴容的要求出發，針對不同的情況采取多種改造方式對水輪機進行改造，以期使水輪機改造達到先進性、合理性、經濟性和特殊性

1、概述

中國有眾多河流，地理和氣候特性形成了豐富的水能資源，因此，我國是世界上水力資源豐富的國家之一，人均占有量為世界人均占有量的55.1%。中國水電市場經過幾十年的快速發展，水力資源技術開發已到60%多。

2、水電站發電機組運行中存在的問題

但是，大部分建于上世紀八九十年代的電站，由于各種原因，主要存在以下問題：

（1）機組性能差、技術參數落后，制造質量差。

（2）水輪發電機組性能與電站實際運行參數匹配不當。

（3）水輪發電機組與電氣設備不配套。

（4）多泥沙水電站水輪機通流部分磨蝕損壞嚴重。

經過幾十年運行，多數電站機電設備陳舊落后、老化損耗嚴重，且限于當時水電技術的發展水平，部分水輪機的選型設計不盡合理。發電設備技術的快速發展給水電機組的改造增容帶來巨大潛力。

3、水輪機增效擴容要求及方式

1、改造要求

水輪機增效擴容要求盡量做到先進性、合理性、經濟型和特殊性。所謂先進性就是要選用一個性能先進、技術成熟的轉輪;合理性就是要緊密結合和妥善處理本電站的不可變或不宜變更的制約條件;經濟性就是要在有限的投資情況下，盡量增加年發電量，提高水電站運行效益;特殊性是要針對電站的泥沙情況采取相應的泥沙磨蝕治理措施來延長設備的使用壽命。通過全面考慮才能達到較好的先進性、合理性、經濟性和特殊性。

2、改造方式

水電站因其水力條件的不同進行增效擴容時，通常要根據本電站的具體條件，因地制宜，合理設計改造方案，決定改造方式。

1）更新或改造增容方式

當電站的水頭、流量與原設計變化不大，但設備陳舊，性能差，可采用更新或改造的增容方式，其預期目標在于提高水輪機的運行效率。此種情況，在設計上可選用該水頭段導葉相對高度或接近的新轉輪，如無新轉輪，則需設計新轉輪或改進通流部件線型與結構。

廣東連山某電站原裝機3臺HL240-LJ-160水輪機，額定水頭21.5m，單機容量2500kW。經20余年運行后，存在嚴重的空蝕和磨損，效率低下，機組出力低。2015年對機組進行改造增容，在水輪機同流部件不變的情況下，只更換一個高效的新轉輪，單機功率有原來的2500kW提高到3000kW，單機容量增加20%。

2）水頭、流量比原設計增大，宜采用增容改造方式

水頭、流量比原設計增大時，原水輪機不在較高效率區運行。在進行改造方案分析時，應根據電站實際運行水頭和流量的具體條件，適當提高水輪機的額定運行水頭，加大額定輸出功率，選用合適的新轉輪或設計新轉輪。在選擇新轉輪時，其額定轉速應與發電機改造相協調，但最終目的應使水輪機在較高效率區運行。

廣東惠州某電站原裝機容量為2臺12000kW機組，水輪機型號HL123-LJ-225，水頭37.6m，轉速187.5r/min，經近30年運行，機組已嚴重老化，長期帶病運行。后因水庫為了提高防洪標準，將正常蓄水位提高1m，相應發電水頭提高到38.6m。在這種條件下，經多次論證，最終由主機廠家為其重新設計A978轉輪，最終選用了新型號為HLA978-LJ-230的轉輪，水頭38.6m，轉速187.5r/min，水輪機效率為93.3%。該電站兩臺機組經改造后，總裝機容量為30000kW，比原裝機增容25%。經多年運行，電站增加的經濟效益顯著，表明電站增容是成功的。

3）利用生態流量增設小機組。

水電開發對優化我國能源結構、促進經濟發展起到了重要作用，但是，其對河流生態環境的不利影響也日益凸顯，特別是電站蓄水和運行使壩下河段減脫水引發的環境問題十分突出。2006年1月，原國家環保總局頒布了《水電水利建設項目河道生態用水、低溫水和過魚設施環境影響評價技術指南（試行）》（以下簡稱《指南》），明確了對于會造成下游河道減脫水的水利水電工程，必須下泄一定的生態流量及采取相應的生態流量泄放保障措施。因此，為了改善下游的生態環境，部分電站需增設生態放水設備。部分生態流量較大的電站，可經技術經濟比較后，設置生態電站，利用生態流量，提高電站的經濟效益。

湖南某電站，原為引水式燈泡貫流電站。大壩下游至電站下游尾水段脫流嚴重，為保護壩址下游灣段的生態環境，擬在原攔河壩處建立生態電站。生態電站設置水輪發電機組，機組的引用流量為生態流量26m³/s。經技術經濟比較后，選擇GZ006-WZ-250轉輪，設計水頭為9.3m，額定轉速200r/min，利用生態流量可為電站增加發電量1800多萬kWh。經濟效益顯著。

4）多泥沙電站，采用抗磨蝕措施結合的改造方式。

在選取改造方案時應根據水輪機的過機流量，泥沙的直徑和礦物質成分等條件，選用單位轉速相近或略低，模型空化系數適當降低，模型效率較高的新型轉輪，并合理加大導葉分布圓相對直徑，調整導葉型線，降低和均化導葉區流速;同時從結構設計、制造工藝、材料和涂層等方面采取抗磨蝕措施，保證水輪機的安全運行，延長使用壽命，最終達到更新改造或改造增容的目的。如云南某電站，原裝機2臺6000kW機組，原水輪機型號HL110-LJ-100，水輪機過沙12.5m³/s，經改造后，采用HLA920-LJ-110型轉輪并改進導葉后，機組功率達到7500kW，增容25%。

4、綜述

上面敘述了水電站進行水輪機改造的幾種方式，以上幾種方式都是常見并可行的，改造中可根據實際情況區別對待。但在改造中水輪機輸水系統必須認真考慮，慎重對待。對于一機一管或一機多管的引水式壓力輸水系統都應當從水力和調節保證參數兩個方面進行核算.總之，水輪機輸水系統的最大過流量和水頭損失及其所能承受的最大水壓力，是制約水輪機改造增容的重要環節，應認真研究，合理處理，否則，因設計失誤，會造成工程的安全問題，影響工程的經濟效益。

（作者單位：1.中水珠江規劃勘測設計有限公司;2.云南聯合電力開發有限公司）