基于转轮换型的水轮机增容改造
敏政
甘肃工业大学 流体机械与流体动力系， 甘肃 兰州 730050
曲库电站位于青海省同仁县隆务河流域上游，于1981年投运．隆务河多年平均流量15．14m3／s，电站引水渠过流能力达到8m3／s，而实际引用流量仅6．5m3／s，存在大量弃水．1＃机组额定出力2000kW，发电机额定出力却高达2 500 kW，水能资源和机组现状提供了增容改造的必要性．笔者曾于1995年对该台机组水轮机进行过成功改造，通过进出水边切割及叶片修型手段，使机组出力达到2500kW［1］．随着新型谱转轮的普及应用，使增容改造在不改变现有通流部件的前提下通过更换转轮也有可能实现．
1＃机组有关参数：水轮机型号为HL160-WJ-84；调速器型号为YT-1000；发电机额定功率为2500kW；机组转速为600r／min；水头为65m；流量为3．81m3／s；导叶分布圆直径D＝1020mm；导叶数Z0为16．
1 D06A转轮与HL160转轮的性能比较
机组导叶相对高度是0．244，单位转速62．5，额定出力时单位流量0．67，新转轮限制单位流量期望值是0．835．对新旧型谱［2］参数进行对比，初选D06A转轮，二者性能参数对比见表1．
表1 两种转轮性能参数对比表
型号
推荐水
头H／m
模型转轮
直径D1／cm
流道尺寸
最优工况
限制工况
导叶最大相对开
度 max／mm
 0
Z1
 0
Z0
n′10
qV，10′
qV，1
η
σ
D06A
110～150
40
0．225
17
1．16
24
69．0
0．69
0．83
90．5
0．053
26
HL160
45～120
46
0．224
17
1．13
24
67．5
0．58
0．67
89．0
0．063
24
D06A-84转轮与HL-84转轮流道高度仅相差0．84mm，可视为二者流道高度一致．
1．1 机组预期最大出力
D06A转轮的过流能力远大于HL160转轮．查其综合特性曲线，在单位转速62．5时，qV，1′达到0．825，模型效率ηm为0．87．设发电机效率保持在2000kW时的值不变，整机出力可达到2420kW，增幅在20%左右，可使发电机容量得到比较充分的利用．
1．2 空化系数比较
一般来说，空化系数随比转速的增加而增加．D06A转轮与HL160转轮相比，过流能力大为提高，空化系数却下降很多，体现了D06A转轮的优越性能．
1.3 效率特性比较
根据D06A转轮和HL160转轮模型综合特性曲线可得出qV，1′与模型效率ηm相应数据见表2．
表2 n1′＝62．5时模型效率ηm对应的单位流量qV，1′值
型号
qV，1′
0．835
0．80
0．75
0．67／0．70
0．65
0．60
0．55
0．50
0．45
0．40
0．35
0．30
HL160
88．5
89．0
90．0
90．0
89．0
87．0
84．0
80．0
77．0
D06A
87．0
88．0
89．5
90．0
90．0
90．0
88．5
87．0
84．0
81．5
78．0
74．0
由表2可见，在qV，1′＜0．6的运行区域，D06A转轮的ηm比HL160转轮的ηm要小2％，但1＃机组和另外两台机组合理分配负荷，完全可避免在此小流量区域运行；在0．6＜qV，1′＜0．67的范围，即HL160转轮从最优单位流量到限制单位流量范围，处在D06A转轮的最优单位流量附近，ηm较前者高出0．15％；0．670＜qV，1′＜0．825的范围，即增容流量区，处于D06A转轮的最优单位流量到限制单位流量段，其效率在87％～90％之间．也就是说，除增容带来的发电量外，更换转轮还能额外获得水力效率提高所带来的发电量．
1.4 转轮流道特性比较
将改造前后转轮剖面图绘在一起，如图1所示．
图1 流道对比图
D06A转轮下环锥角是6°10′，与HL160转轮的6°30′相差不大，下环外径尺寸可不改变；D06A转轮的上冠流道曲线比HL160转轮抬高了很多，使上冠部分变得较薄．从强度角度考虑，对上冠外部形状做了如图1所示的改变，使其厚度增加；随上冠型线的改变，上冠中心铸造空腔也应变化；泄水孔出口在D06A转轮叶片流道出水边之后，泄水孔位置和角度均不需发生变化．
综上所述，D06A转轮的能量特性和空化特性均优于HL160转轮，且与HL160转轮的互换性很好．用D06A-84转轮替换HL160-84转轮，可使机组出力从2000kW增至2420kW．
2 导水机构的改造
几何相似导叶相对开度位置可表达为
据模型参数推算出该机导水机构设计最大开度为65．74mm，而更换D06A转轮后要求最大开度达到82mm．现场实测表明导水机构开度增至82mm，导叶出水边仍然不会与叶片进水边相碰．
参考HL160-WJ-84导水机构行程-开度曲线S-a图和实测结果，确定了改造后控制环耳环的最大行程Smax．接力器行程或者说调整轴转臂的最大转角45°是不可更改的，Smax取决于调整轴转臂销孔的旋转半径R，其值越大则Smax越大．它们的关系可表达为
 （3）
式中，θ为调整轴转臂转角．
据此制造新尺寸的调速轴转臂，并与调速轴重新配钻键孔．
3 调速器计算
更换转轮后流量增幅较大，必须验证原配调速器的调速功．中小型调速器调速功可按下式［3］计算：
 （4）
中小型混流式水轮机调速功估算公式很多，各公式结果相差也较悬殊，用该公式算出来的结果有点偏大，尽管如此Wt最大值也只有8500J，小于YT-1000调速器在2．35MPa油压下的额定调速功9712J．可见，增容不会受调速器容量限制．
另一方面，流量大幅增加使机组甩负荷时，转速上升率β和压力上升率ξ发生变化．调保计算结果如下：
按原关机时间4 s计算，β为38%，ξ为52％，压力上升值超标；
当关机时间改为5 s时，β为48％，ξ为45%，二指标均在允许范围．
4 增容改造效益
改造后机组最高出力达到2400kW．运行1年3个月，累计增发电量200万kWh，电价按0．2元／kWh计，增容改造直接经济效益达40万元，全部增容改造费用仅12万元，不到5个月便收回全部成本．
5 结论
1) 用D06A转轮替代HL160，增容幅度可达20%，空化性能同时也能大幅提高．
2） 中小型机组导叶最大开度的改变可通过更换销孔旋转半径不同的调速轴转臂来实现．
3） 增容幅度较大时，应通过调保计算重选关机时间．
基金项目： 甘肃省科技攻关项目(GK944-1-100）
参考文献：
［1］ 敏 政，唐建波．HL160-WJ-84型水轮机的增容改造技术 ［J］．甘肃工业大学学报，1996，22(1)：58-62．
［2］ 水电站机电设计手册编写组．水电站机电设计手册：水力机械分册 ［M］．北京：水利电力出版社，1989．22．
［3］ 郑莉媛，朱爱菁．水轮机调节 ［M］．北京：机械工业出版社，1988．186-187．
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