绿水河二级站#4机水轮机提效增容改造研究及应用

【摘 要】2014年中国华电集团公司提出，对老旧电厂特别是机组存在安全隐患的机组进行提效增容改造，绿水河电厂通过对二级站#4机水轮机运行现状进行了分析研究，确定改造目标和方案。经过改造，机组额定容量增加13%，效率提高7%以上，此外改造大幅提高了水轮机运行稳定性，延长了检修周期，改造效果较好。

【关键词】水轮机 提效增容 改造 绿水河

云南省绿水河电站位于个旧市蛮耗镇，二级电站装机容量为57.5MW，设计年发电量3.3亿kW・h。绿水河二级站#4机组水轮机为重庆水轮机厂制造，由于气蚀及泥沙磨损较为严重，目前转轮每个汛期基本都要进行大修处理，运行多年来水轮机存在较多安全隐患。因此根据集团公司提效计划的要求，有必要对机组开展提效增容改造研究，特别是对转轮升级改造，提高机组的安全经济运行水平，延长检修周期。

1 设备概况

#4机组水轮机型号HL006-LJ-140，发电机型号：TSL-260/116-8，为立式金属蜗壳混流式发电机组，尾水管锥体、弯肘段及出口扩散段组成。水轮机活动导叶16片，顶盖经过改造，为实心体，由48颗M48×210的螺栓固定，顶盖密封采用φ8mm的橡皮密封。尾水管锥体部分管壁厚度10mm，管径由0.95m渐变到1.301m，肘部外弧最大壁厚25mm。出口段高由0.65m渐变到1.3m，宽3m。尾水出口设有尾水闸门，闸门尺寸3×2.5m（宽×高）。调速器型号为WDK-100，由长江控制设备研究所生产。

2 水轮机存在的问题

二级电站#4水轮机机投运至今已运行40年，期间一直未进行过改造更新目前水轮机转轮及其过流部件存在以下主要问题：

（1）水轮发电机组是上个世纪60年代的产品，受技术等条件限制，从结构到转轮的水力性能都相对落后。（2）由于绿水河泥沙含量比较大，而且机组转速高，转轮、导叶磨蚀、空蚀情况较为严重，基本个汛期过后都要进行大修处理。（3）水轮机效率低下，根据效率试验显示水轮机最高效率为84.88%，低于87%的设计值，目前的设计制造水平，混流式水轮机效率完全可以达到92%以上。（4）水轮机导叶磨损严重，漏水量较大，导水性能严重降低，影响水轮机的效率。

3 改造目标

（1）提高水轮机运行稳定性。提高水轮机的运行稳定性，尤其是在高水头额定负荷附近的运行稳定性，减小振动及降低噪音，提升水轮机过流部件的抗汽蚀、抗磨蚀能力，延长机组检修周期。（2）水轮机效率有较大幅度提高。水轮机技术改造后，效率有较大幅度的提高，与原型号HL006-LJ-140转轮相比，新转轮最大效率提高约7%以上。（3）适当的增大出力。#4水轮机原额定出力为15MW，技术更新改造后，额定出力17MW，最大出力预计可达18MW左右，增大出力幅度约为20%。

4 改造方案分析

4.1 水轮机选型研究

绿水河二级水电站水头在 295～331m之间，属高水头混流式电站，泥沙含量较大；#4机转轮叶片数为17片，导叶为16片，在某些特性情况下可能引起动静态干涉，影响机组的稳定性，且绿水河二级水电站在枯水季节时，水轮机常运行在低负荷段，因此，不能选用过流能力太大的转轮。为提高转轮的整体刚度和强度，提高转轮的使用寿命，高水头多泥沙电站，宜采用长短叶片结构的转轮，其特点是流道水力性能好，可避免或减少流道中产生回流，叶片受压面积增加，单位面积负荷减轻，叶片正、背面压差减小，因此，不仅效率高，而且空化性能和运行稳定性也得到改善。因此，在条件允许的情况下，尽量选用长短叶片型转轮，一般的长短叶片型转轮有15张长叶片，15张短叶片，可有效避免动静态干涉等现象。适当对转轮叶片出水边进行加厚处理，可使转轮维持到汛期后进行修补，同时进行适当倒圆，避免产生卡门涡。可适当增加导叶高度，降低导叶处的流速，以减轻导水机构的磨损。

4.2 结构加强设计

（1）导叶结构设计：导叶采用 AOD 超低碳精炼ZG06Cr16Ni5Mo材质，导叶叶型增加抗磨蚀裙边，并采用全方位CNC数控加工。导叶端面和正面的表面粗糙度为Ra1.6，外侧面为 Ra3.2，表面经过硬化处理，硬度不低于280HB，以提高抗磨蚀能力。导叶数增加至20个，并适当调整导叶分布圆直径，尽量与水轮机模型吻合，提高水轮机的综合效率。（2）转轮结构及密封：正确选择水轮机止漏环的位置，避免泥沙颗粒聚积在止漏环的进口和出口，并防止在离心力的作用下，使泥沙颗粒堆积量增加，使上下止漏环磨损。转轮上冠采用梳齿密封，下环采用阶梯式密封，上冠、下环密封处在同一径向位置上，使上、下水力平衡。（3）抗磨板及其厚度：顶盖、底环与导叶上、下端面的对应部位设置抗磨板，材质为S13-5，并具有足够的宽度和厚度。（4）尾水锥管修型：原尾水锥管上段经常发生磨蚀，每次检修都需花费大量的时间进行处理。同时，为配合新转轮出口尺寸，将原尾水锥全部更换，并采用S13-5不锈钢材质。

5 改造后运行水平对比分析

本次改造工程2016年3月8日-3月30完成，改造后机组运行状况得到了明显的提高，主要表现指标如下：

（1）出力及效率：效率试验表明单机额定出力可达到17MW，超发可达18MW以上，增大出力幅度约为20%；改造后额定点效率达到91%，最大效率92%，最大提高了7%以上。（2）稳定性：稳定性试验表明（振动摆度、瓦温）均正常（3）抗磨蚀性：通过对机组导水机构、转轮及尾水管的检查，机组运行两个月来，过流部件未见明显的汽蚀和磨蚀痕迹，新技术和材料有效提升水轮机过流部件的抗磨蚀能力，可延长水轮机的检修周期。

6 结语

绿水河二级发电站#4机通过水轮机改造后，整台机组的健康状况得到彻底改善，确保了发电机组的安全、稳定运行，提高了设备的可靠性和稳定性，从而提高了发供电质量，因此，本工程的改造工作效果明显、经济可观。

参考文献：

[1] 王国海，陶星明.水轮机增容改造与新技术的应用[J].大电机技术，2001（S1）.

[2] 长金全，兰舟.云南绿水河二级电站4号水轮机增容技术改造效果分析[J].中国水能及电气化，2013（5）：40-45.