劉建波，董云豐，毛軍麗、付萬珊，武金輝

（海委引灤工程管理局大黑汀水庫管理處，河北 唐山064300）

1 概況

1.1 基本情況

大黑汀水電站包括渠首電站和河床電站，其中渠首電站位于引灤總干渠渠首，安裝天津發(fā)電設(shè)備廠生產(chǎn)的4 臺（1～4 號機(jī)組）單機(jī)容量為3 200 kW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，向天津、唐山兩大城市供水時發(fā)電。水輪機(jī)型號為ZZ560-LH-250，發(fā)電機(jī)型號為TS425-32/32。2014 年通過電站增效擴(kuò)容改造工程，將2 號和4 號機(jī)組由軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組更新改造為軸流定槳式機(jī)組，更新了新型軸流定槳式轉(zhuǎn)輪，機(jī)組容量由3 200 kW 增容至3 500 kW。

1號機(jī)組是天津發(fā)電設(shè)備廠1975年制造的產(chǎn)品。

水輪機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)：型號ZZ560-LH-250，額定出力3 370 kW，設(shè)計水頭11 m，最大水頭14 m，最小水頭6 m，額定流量37 m3/s，額定轉(zhuǎn)速187.5 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速437 r/min。

發(fā)電機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)：型號TS425/32-32，額定功率3 200 kW，額定電壓6 300 V，額定電流366.6 A，額定頻率50 Hz，功率因數(shù)0.8，額定勵磁電壓100 V，額定勵磁電流447 A，額定轉(zhuǎn)速187.5 r/min。

1.2 1 號機(jī)組存在的主要缺陷

2019 年5 月12 日20：35，1 號機(jī)組在運(yùn)行過程中，出現(xiàn)滑環(huán)處甩油現(xiàn)象，20：45 機(jī)組停機(jī)。檢查后綜合分析確認(rèn)，發(fā)電機(jī)組的主軸內(nèi)操作油管路發(fā)生嚴(yán)重串油現(xiàn)象，機(jī)組已無法正常運(yùn)行。

2 1 號水輪機(jī)轉(zhuǎn)槳改定槳改造方案

當(dāng)時正值供水發(fā)電期間，機(jī)組停運(yùn)可能造成棄水，損失經(jīng)濟(jì)效益。正常檢修相當(dāng)于機(jī)組擴(kuò)修，費(fèi)工費(fèi)時，錯過放水發(fā)電時機(jī)。經(jīng)綜合研究決定對機(jī)組進(jìn)行搶修處理。

電站采取在不擴(kuò)修的情況下，現(xiàn)場機(jī)坑內(nèi)將轉(zhuǎn)輪由轉(zhuǎn)槳改為定槳運(yùn)行，即斷開了轉(zhuǎn)輪槳葉操作油源，又解決了轉(zhuǎn)輪漏油問題。具體做法：將槳葉和轉(zhuǎn)輪體焊死，同時對調(diào)速器和測速裝置進(jìn)行相應(yīng)改造，在原轉(zhuǎn)輪的基礎(chǔ)上進(jìn)行現(xiàn)場實施，盡快恢復(fù)機(jī)組正常運(yùn)行。

3 轉(zhuǎn)槳改定槳建議的合理性基礎(chǔ)

此前2 號、4 號機(jī)組已經(jīng)由軸流轉(zhuǎn)槳改為軸流定槳，額定水頭12.5 m，運(yùn)行穩(wěn)定。根據(jù)統(tǒng)計分析，大黑汀水庫春、秋供水期，庫水位在130.0～132.5 m區(qū)間概率較大，在11 m 水頭下，設(shè)計1 號機(jī)組軸流定槳轉(zhuǎn)輪槳葉角度，可以滿足渠電機(jī)組在不同水頭下正常運(yùn)行。

由于大黑汀水庫是由上游潘家口水庫進(jìn)行水位調(diào)節(jié)，供水期間水庫水位變化不大。電站可以由1臺軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組和3 臺軸流定槳機(jī)組組合運(yùn)行。運(yùn)行時將定槳機(jī)組和轉(zhuǎn)槳機(jī)組優(yōu)化組合，合理運(yùn)用，可以收到較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 轉(zhuǎn)槳改定槳槳葉角度技術(shù)分析

4.1 分析采用的基本計算公式

我們采用水輪機(jī)通用的計算公式如下：

4.2 水輪機(jī)額定工況的計算確定

目前2 號、4 號機(jī)組轉(zhuǎn)輪型號為ZDJP502-LH-250，額定水頭12.5 m，最大水頭14.5 m。

根據(jù)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的運(yùn)行模式，在不同水頭H及過流量Q情況下，水輪機(jī)應(yīng)按照某一給定的最優(yōu)規(guī)律曲線運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪葉片的安放角β與活動導(dǎo)葉的開度α隨工況變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)，是實現(xiàn)這一運(yùn)行規(guī)律的必要條件和手段。

在電站水輪機(jī)實際運(yùn)行中，調(diào)速機(jī)構(gòu)對轉(zhuǎn)輪葉片的安放角β和活動導(dǎo)葉開度α均是按最大值的百分比來顯示（即相對開度）。為了能相對比較準(zhǔn)確的確定水輪機(jī)額定工況（H=11 m、Nr=3 370 kW）條件下，轉(zhuǎn)輪葉片的安放角βr值，我們根據(jù)ZZ560-46水輪機(jī)模型綜合特性曲線進(jìn)行計算，可得到表1 能量數(shù)據(jù)。

從圖1 可以查得，在電站設(shè)計額定水頭Hr=11 m（額定點單位轉(zhuǎn)速nr11=141.33 r/min）、水輪機(jī)發(fā)額定出力Nr=3 370 kW 情況下，水輪機(jī)額定點效率為ηrh=85.55%（本計算中暫不進(jìn)行效率修正），計算額定點流量為Qr=36.58 m3/s（額定點單位流量Qr11=1.765 m3/s），從而查得額定工況點水輪機(jī)槳葉實際位置度為βr≈14°，此時活動導(dǎo)葉的絕對開口為Tr≈170 mm（模型與真機(jī)活動導(dǎo)葉數(shù)均為24 片），根據(jù)圖紙查出，電站實際活動導(dǎo)葉的最大絕對開口為217 mm。依此推算：額定工況對應(yīng)儀表顯示100%的活動導(dǎo)葉開度αr≈80%。則：

額定工況槳葉實際位置度為βr≈+14°；

額定工況活動導(dǎo)葉相對開度為αr≈80%。

表1 額定水頭Hr=11 m 時能量指標(biāo)計算

圖1 H=11 m 水輪機(jī)能量曲線

4.3 根據(jù)2 號機(jī)組真機(jī)試驗槳葉角度校核計算角度

2011 年12 月13 日由汀管處、北京中水科工程總公司、天津發(fā)電設(shè)備總廠科技開發(fā)中心聯(lián)合進(jìn)行的2 號機(jī)組轉(zhuǎn)槳改定槳真機(jī)試驗結(jié)果，進(jìn)一步驗證了理論計算確定的槳葉角度為14°（H=11 m）時，機(jī)組運(yùn)行出力和運(yùn)行工況是比較合適的。

2011 年12 月13 日上午開始正式試驗，試驗時電站上游水位為131.43 m，下游水位為119.1 m，毛水頭約H毛=12.33 m，在試驗過程中毛水頭H毛在12.0～12.5 m之間變化。根據(jù)大黑汀機(jī)組過流通道損失計算，機(jī)組在額定工況發(fā)電時，計算工作水頭約為Hg=10.9～11.2 m 范圍，為方便我們?nèi)」ぷ魉^Hg=11 m 做比較分析，按2 號機(jī)組現(xiàn)設(shè)定的協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)行，機(jī)組帶負(fù)荷至3 200 kW 時，槳葉開度βr≈14°（與計算結(jié)果基本吻合），根據(jù)此結(jié)果確定試驗漿葉β≈15.5°、14°、13.5°、12°這4 個角度下進(jìn)行定槳試驗，能量試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同槳葉角度能量試驗數(shù)據(jù)

定槳啟動導(dǎo)葉開度α≈33～35°范圍，機(jī)組改為定槳運(yùn)行后，機(jī)組啟動開度會相應(yīng)增大2%～3%左右。

機(jī)組定槳運(yùn)行時導(dǎo)葉開度50%范圍附近有不穩(wěn)定工況出現(xiàn)，在55%～60%時消失。

5 轉(zhuǎn)槳改定槳現(xiàn)場實施工藝措施

5.1 改定槳轉(zhuǎn)輪葉片角度的定位分析

本次轉(zhuǎn)槳改定槳的基本要求是保持現(xiàn)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)以及葉片不變，在原有軸流轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪基礎(chǔ)上進(jìn)行。

根據(jù)水力計算分析以及現(xiàn)場試驗確定的轉(zhuǎn)槳改定槳葉片角度，該角度的定位是根據(jù)改造前試驗測量的接力器活塞位置與采用測量工具來確定葉片的這一角度。然后采用U 型定位塊將葉片和轉(zhuǎn)輪體焊接在一起的方法固定（見圖2 中“1”），使葉片在設(shè)計給定的角度下定槳運(yùn)行。

圖2 定槳葉片角度焊接固定示意圖

5.2 焊接材料

大黑汀電站轉(zhuǎn)輪葉片的材料為ZG1Cr13 鑄鋼，轉(zhuǎn)輪體的材料為ZG25Ⅱ鑄鋼，由于ZG1Cr13 屬于馬氏體型不銹鋼可焊性差，故在U 型定位塊與轉(zhuǎn)輪體和葉片焊接時分別采用兩種焊條進(jìn)行焊接。U 型定位塊與轉(zhuǎn)輪體的焊接，采用的是E5516 焊條。U 型定位塊與葉片焊接，焊條采用E1-30-9 不銹鋼焊條。

5.3 改定槳葉片角度定位的技術(shù)措施

轉(zhuǎn)輪葉片角度確定：將槳葉角度調(diào)至按試驗確定的角度（在槳葉上用千斤頂動作槳葉至槳葉開度14°），然后采用專用測量工具或組合樣板，準(zhǔn)確調(diào)整槳葉角度至設(shè)計確定的角度。

首先將不同直徑圓鋼塞焊于槳葉進(jìn)水邊與轉(zhuǎn)輪體之間的空隙，然后沿槳葉周邊把焊接U 型定位塊與轉(zhuǎn)輪體焊接在一起，把槳葉與U 型定位塊焊接在一起。

5.4 調(diào)速器及測速裝置改造

（1）調(diào)速器改造

為了保證機(jī)組轉(zhuǎn)輪由轉(zhuǎn)槳運(yùn)行改成定漿運(yùn)行，還要適當(dāng)對調(diào)速器進(jìn)行改造。將雙調(diào)節(jié)調(diào)速器改為單調(diào)節(jié)調(diào)速器，改造部位如下：

液壓隨動系統(tǒng)中切斷配壓閥殼體內(nèi)漿葉受油器油路，改造部位：漿葉主配壓閥襯套、輔助活塞等。

（2）測速裝置改造

操作油管油路切斷后，受油器軸瓦無油潤滑，需要拆除軸瓦。為了防止小軸擺度超標(biāo)，拆除永磁機(jī)花鍵，永磁機(jī)無法提供測速信號，需要在小軸上安裝1 套齒盤測速裝置，用來測量機(jī)組轉(zhuǎn)速，將測速信號送入LCU，實現(xiàn)機(jī)組實時監(jiān)控。

6 實施效果及經(jīng)濟(jì)效益分析

2019 年9 月6 日17：30，1號機(jī)組開始往天津供水發(fā)電，9 月9 日16：00 停機(jī)，9 月16 日上午9：00開機(jī)，2019 年10 月10 日10：00 結(jié)束，期間累計運(yùn)行27 d，累計發(fā)電158 萬kW·h。1 號機(jī)組結(jié)合往天津供水進(jìn)行帶負(fù)荷發(fā)電，在供水期間機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，各項參數(shù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)正常。1 號機(jī)組運(yùn)行參數(shù)如下：有功：3 100 kW；無功：1 300 kW；勵磁電流：390 A；壩前水位：131.92 m；尾水位：119.1 m；導(dǎo)葉開度：90%。

1 號機(jī)組轉(zhuǎn)槳改定漿現(xiàn)場實施投資共3.6 萬元，2019 年9 月6 日至2020 年4 月28 日，已安全運(yùn)行966 h，累計并網(wǎng)發(fā)電270 萬kW·h，按現(xiàn)行的電價（0.42元/kW·h），共創(chuàng)收113.4萬元，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)語

運(yùn)行實踐證明：大黑汀水電站1 號機(jī)組轉(zhuǎn)槳改定漿是成功的，機(jī)組穩(wěn)定性、效率、出力等均達(dá)到了改造的預(yù)期效果。1 號機(jī)組轉(zhuǎn)槳改定槳成功實施，即解決了操作油管串腔問題，又解決了轉(zhuǎn)輪多年漏油問題，短時間內(nèi)恢復(fù)了機(jī)組運(yùn)行，投資少，見效快，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

（1）對城市生活供水水質(zhì)要求越來越高，而軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)常因轉(zhuǎn)槳密封機(jī)構(gòu)的磨損或其他故障而漏油，易造成水源污染，對水輪機(jī)進(jìn)行軸流轉(zhuǎn)漿改定槳改造是解決漏油問題、清除油污染的有效方法。

（2）對于原設(shè)計電站由多臺單一軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，根據(jù)實際運(yùn)行工況，通過機(jī)組改造為由軸流定槳式和軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組混合運(yùn)行方式，可以優(yōu)化電站的運(yùn)行方式，提高效率，減少電站的運(yùn)行維護(hù)成本。