陳志運(yùn) 蔣三林

摘要：中國(guó)有豐富的水能資源，水電市場(chǎng)發(fā)達(dá)。上世紀(jì)八九十年代的建成的電站，經(jīng)過(guò)幾十年運(yùn)行，多數(shù)電站機(jī)電設(shè)備陳舊落后、老化損耗嚴(yán)重，且限于當(dāng)時(shí)水電技術(shù)的發(fā)展水平，部分水電站的選型設(shè)計(jì)不盡合理。發(fā)電設(shè)備技術(shù)的快速發(fā)展給水電機(jī)組的改造增容帶來(lái)巨大潛力。本文從水電站水輪機(jī)增效擴(kuò)容的要求出發(fā)，針對(duì)不同的情況采取多種改造方式對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行改造，以期使水輪機(jī)改造達(dá)到先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性和特殊性

1、概述

中國(guó)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(guó)是世界上水力資源豐富的國(guó)家之一，人均占有量為世界人均占有量的55.1%。中國(guó)水電市場(chǎng)經(jīng)過(guò)幾十年的快速發(fā)展，水力資源技術(shù)開(kāi)發(fā)已到60%多。

2、水電站發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中存在的問(wèn)題

但是，大部分建于上世紀(jì)八九十年代的電站，由于各種原因，主要存在以下問(wèn)題：

（1）機(jī)組性能差、技術(shù)參數(shù)落后，制造質(zhì)量差。

（2）水輪發(fā)電機(jī)組性能與電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)匹配不當(dāng)。

（3）水輪發(fā)電機(jī)組與電氣設(shè)備不配套。

（4）多泥沙水電站水輪機(jī)通流部分磨蝕損壞嚴(yán)重。

經(jīng)過(guò)幾十年運(yùn)行，多數(shù)電站機(jī)電設(shè)備陳舊落后、老化損耗嚴(yán)重，且限于當(dāng)時(shí)水電技術(shù)的發(fā)展水平，部分水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)不盡合理。發(fā)電設(shè)備技術(shù)的快速發(fā)展給水電機(jī)組的改造增容帶來(lái)巨大潛力。

3、水輪機(jī)增效擴(kuò)容要求及方式

1、改造要求

水輪機(jī)增效擴(kuò)容要求盡量做到先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟(jì)型和特殊性。所謂先進(jìn)性就是要選用一個(gè)性能先進(jìn)、技術(shù)成熟的轉(zhuǎn)輪;合理性就是要緊密結(jié)合和妥善處理本電站的不可變或不宜變更的制約條件;經(jīng)濟(jì)性就是要在有限的投資情況下，盡量增加年發(fā)電量，提高水電站運(yùn)行效益;特殊性是要針對(duì)電站的泥沙情況采取相應(yīng)的泥沙磨蝕治理措施來(lái)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。通過(guò)全面考慮才能達(dá)到較好的先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性和特殊性。

2、改造方式

水電站因其水力條件的不同進(jìn)行增效擴(kuò)容時(shí)，通常要根據(jù)本電站的具體條件，因地制宜，合理設(shè)計(jì)改造方案，決定改造方式。

1）更新或改造增容方式

當(dāng)電站的水頭、流量與原設(shè)計(jì)變化不大，但設(shè)備陳舊，性能差，可采用更新或改造的增容方式，其預(yù)期目標(biāo)在于提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率。此種情況，在設(shè)計(jì)上可選用該水頭段導(dǎo)葉相對(duì)高度或接近的新轉(zhuǎn)輪，如無(wú)新轉(zhuǎn)輪，則需設(shè)計(jì)新轉(zhuǎn)輪或改進(jìn)通流部件線型與結(jié)構(gòu)。

廣東連山某電站原裝機(jī)3臺(tái)HL240-LJ-160水輪機(jī)，額定水頭21.5m，單機(jī)容量2500kW。經(jīng)20余年運(yùn)行后，存在嚴(yán)重的空蝕和磨損，效率低下，機(jī)組出力低。2015年對(duì)機(jī)組進(jìn)行改造增容，在水輪機(jī)同流部件不變的情況下，只更換一個(gè)高效的新轉(zhuǎn)輪，單機(jī)功率有原來(lái)的2500kW提高到3000kW，單機(jī)容量增加20%。

2）水頭、流量比原設(shè)計(jì)增大，宜采用增容改造方式

水頭、流量比原設(shè)計(jì)增大時(shí)，原水輪機(jī)不在較高效率區(qū)運(yùn)行。在進(jìn)行改造方案分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)電站實(shí)際運(yùn)行水頭和流量的具體條件，適當(dāng)提高水輪機(jī)的額定運(yùn)行水頭，加大額定輸出功率，選用合適的新轉(zhuǎn)輪或設(shè)計(jì)新轉(zhuǎn)輪。在選擇新轉(zhuǎn)輪時(shí)，其額定轉(zhuǎn)速應(yīng)與發(fā)電機(jī)改造相協(xié)調(diào)，但最終目的應(yīng)使水輪機(jī)在較高效率區(qū)運(yùn)行。

廣東惠州某電站原裝機(jī)容量為2臺(tái)12000kW機(jī)組，水輪機(jī)型號(hào)HL123-LJ-225，水頭37.6m，轉(zhuǎn)速187.5r/min，經(jīng)近30年運(yùn)行，機(jī)組已嚴(yán)重老化，長(zhǎng)期帶病運(yùn)行。后因水庫(kù)為了提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，將正常蓄水位提高1m，相應(yīng)發(fā)電水頭提高到38.6m。在這種條件下，經(jīng)多次論證，最終由主機(jī)廠家為其重新設(shè)計(jì)A978轉(zhuǎn)輪，最終選用了新型號(hào)為HLA978-LJ-230的轉(zhuǎn)輪，水頭38.6m，轉(zhuǎn)速187.5r/min，水輪機(jī)效率為93.3%。該電站兩臺(tái)機(jī)組經(jīng)改造后，總裝機(jī)容量為30000kW，比原裝機(jī)增容25%。經(jīng)多年運(yùn)行，電站增加的經(jīng)濟(jì)效益顯著，表明電站增容是成功的。

3）利用生態(tài)流量增設(shè)小機(jī)組。

水電開(kāi)發(fā)對(duì)優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要作用，但是，其對(duì)河流生態(tài)環(huán)境的不利影響也日益凸顯，特別是電站蓄水和運(yùn)行使壩下河段減脫水引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題十分突出。2006年1月，原國(guó)家環(huán)?？偩诸C布了《水電水利建設(shè)項(xiàng)目河道生態(tài)用水、低溫水和過(guò)魚(yú)設(shè)施環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)指南（試行）》（以下簡(jiǎn)稱《指南》），明確了對(duì)于會(huì)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(tài)流量及采取相應(yīng)的生態(tài)流量泄放保障措施。因此，為了改善下游的生態(tài)環(huán)境，部分電站需增設(shè)生態(tài)放水設(shè)備。部分生態(tài)流量較大的電站，可經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，設(shè)置生態(tài)電站，利用生態(tài)流量，提高電站的經(jīng)濟(jì)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(yán)重，為保護(hù)壩址下游灣段的生態(tài)環(huán)境，擬在原攔河壩處建立生態(tài)電站。生態(tài)電站設(shè)置水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組的引用流量為生態(tài)流量26m³/s。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，選擇GZ006-WZ-250轉(zhuǎn)輪，設(shè)計(jì)水頭為9.3m，額定轉(zhuǎn)速200r/min，利用生態(tài)流量可為電站增加發(fā)電量1800多萬(wàn)kWh。經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4）多泥沙電站，采用抗磨蝕措施結(jié)合的改造方式。

在選取改造方案時(shí)應(yīng)根據(jù)水輪機(jī)的過(guò)機(jī)流量，泥沙的直徑和礦物質(zhì)成分等條件，選用單位轉(zhuǎn)速相近或略低，模型空化系數(shù)適當(dāng)降低，模型效率較高的新型轉(zhuǎn)輪，并合理加大導(dǎo)葉分布圓相對(duì)直徑，調(diào)整導(dǎo)葉型線，降低和均化導(dǎo)葉區(qū)流速;同時(shí)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、材料和涂層等方面采取抗磨蝕措施，保證水輪機(jī)的安全運(yùn)行，延長(zhǎng)使用壽命，最終達(dá)到更新改造或改造增容的目的。如云南某電站，原裝機(jī)2臺(tái)6000kW機(jī)組，原水輪機(jī)型號(hào)HL110-LJ-100，水輪機(jī)過(guò)沙12.5m³/s，經(jīng)改造后，采用HLA920-LJ-110型轉(zhuǎn)輪并改進(jìn)導(dǎo)葉后，機(jī)組功率達(dá)到7500kW，增容25%。

4、綜述

上面敘述了水電站進(jìn)行水輪機(jī)改造的幾種方式，以上幾種方式都是常見(jiàn)并可行的，改造中可根據(jù)實(shí)際情況區(qū)別對(duì)待。但在改造中水輪機(jī)輸水系統(tǒng)必須認(rèn)真考慮，慎重對(duì)待。對(duì)于一機(jī)一管或一機(jī)多管的引水式壓力輸水系統(tǒng)都應(yīng)當(dāng)從水力和調(diào)節(jié)保證參數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行核算.總之，水輪機(jī)輸水系統(tǒng)的最大過(guò)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(jī)改造增容的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)認(rèn)真研究，合理處理，否則，因設(shè)計(jì)失誤，會(huì)造成工程的安全問(wèn)題，影響工程的經(jīng)濟(jì)效益。

（作者單位：1.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司;2.云南聯(lián)合電力開(kāi)發(fā)有限公司）