水轮机更新改造

云南保山腊寨水电站水轮机
最大水头 额定水头 最小水头 转轮型号
312 额定功率 额定转速 额定流量 安装高程 吸出高度
80.50m 59.0m 53.36m HLA743-LJ-
41.1MW 200r/min 76.93m3/s 1018.88m -1.15m
图7. A743-37.2（nr＝200r／min； D1＝3.12m ）运行范围
图2
刘家峡1#机导水机构上部装配
图3
1#机导水机构下部装配
图4
3#机水轮机总图
图5
5#机水轮机总装图
照片1
5#机底环钢芯超高分子量聚乙稀抗磨板
渔子溪水电站增容改造
渔子溪电站装有4台机组，单机出力40MW，原 水轮机型号为HL100-LJ-210，额定水头270m，70年 代初投入运行。
电站要求开发新转轮和新导叶，改善机组的稳 定性，提高抗磨蚀性能，同时使机组出力增加到 45MW。
1#水轮机选用希科制造的HLS60-574转 轮，水力设计为美国伏伊特公司，机组 容量由225MW提高到265MW。
3#水轮机选用LMZ的PO115–580转轮。 机组容量由225MW提高到265MW。
5#水轮机选用法国阿尔斯通公司的 HL226–589.5转轮，机组容量由260MW提 高到320MW。
迷宫损失 圆盘损失
内部机械损失
转轮损失
尾水管损失
单
位
活动导叶损失
单
峰
位Leabharlann Baidu
值
水
效
固定导叶损失
力
率
损
蜗壳损失
失
图1
混流式水轮机模型效率或水力损失与比转速的关系
低比速水轮机转轮密封损失、机械损失、圆盘 损失占较大成份；
高比速水轮机蜗壳、尾水管损失占较大成份。 当吸出高度有一定裕度时，各种比速水轮机都
4·提高电站安全性； 5·环境、社会和管理因素； 6·降低运行和维护成本； 7·其他：如政府规章制度规定；水文条件改变；
市场条件变化。
更新改造的最佳时机
更新改造的最佳时机是在机组出现频 繁的和严重的问题之前，例如发电机绕组 故障、转轮重大裂缝、空蚀和磨蚀破坏、 轴承故障、以及/或设备由于基础或下部 结构移动、扭曲所造成的基准问题。一旦 发电设备进入这种状态，就意味着在几年 前就应该进行更新改造的论证。
哈 电 以 A351 为 基 础 ， 将 导 叶 高 度 从 A45 的 b0=0.1 D1改为b0=0.12D1，开发出A542转轮。在全模 拟的模型装置上进行了试验。
A542 转 轮 采 用 长 短 叶 片 ， 效 率 比 HL100 提 高 1.9%，空化性能和压力脉动性能也好于老转轮。
新丰江、新安江水电站增容改造
1、各种参数水平的提高（如流量，效率）受到原通道 不能改变的限制。
2、由于原机组同步转速限制，使增加流量的同 时不能使单位转速增加或增加过多，给参数 匹配带来困难。
3、新转轮设计周期短，同时要考虑改型方案对 强度、空蚀、稳定性能等方面的影响
混流式水轮机模型效率或水力损失与比转速的 关系 (见图1) ：
软涂层经不起硬物冲击、刮伤，对过流部件不 能起到长期保护作用。
1#机组改造后的 经济分析
容量由50MM增加到60MW，机组效率由不到 89%提高到94%以上，实现浑水发电，提高了 机组安全运行可靠性。
按照年利用小时数4000h，综合电价0.18元 /kWh计算，容量增加l0MW，每年可增加收入 720万元。效率提高5%，按电站年发电量10 亿kWh计算，增加发电量790万kWh，年增发 电收入142万元。机组改造总投入5000万元( 含德国赠款)，折旧按照20年分摊，每年折 旧增加250万元。
水轮机更新改造
Hydraulic turbines Rehabilitation and performance improvement
刘光宁
2012年04月15日
目录
一、概述 二、电站增容改造实例 三、麻子河四级、波罗电站增容改造 四、红山嘴、喀什水轮机抗磨蚀技术改造 五、关于CFD、模型试验、真机试验 六、划分稳定运行区的原则 七、结语
照片2 尾水管里衬撕毁
照片3 尾水管里衬撕毁
照片4 尾水管里衬撕毁
图8. A743-37.2（nr＝214.3r／min；D1＝3.05m）运行范围
图9. A1015-37.2（nr＝200r／min； D1＝3.10m ）运行范围
三门峡水电站
三门峡水电站原设计装8台150MW混流式水轮 机，1963年底低水头试发电后，由于泥沙严 重淤积，水位不能上升，机组被迫拆迁到丹 江口水电站。后经改造，1973～1978年安装 了5台转桨式水轮机，单机容量50MW。1994～ 1997年扩大电站装机，安装了2台混流式水轮 机，单机容量75MW。
（2）活动导叶：导叶数不变，采用碳钢焊接结构，上 、下端部为不锈钢板，端面总间隙1.5～2.5mm，立面 密封采用不锈钢堆焊。
（3）转轮室：为降低活动导叶下部脱流，转轮室设计 为全球型，直径由原来的6000mm改变为6100mm。并 采用底环与转轮室上部为一体的结构，下部为不锈钢 球型结构，与上部为止口配合。
增容改造后
各台机组出力有较大幅度增加。1#～4#
机分别增加出力13.3% ～ 15.6%，5#机增 加出力23%。。
各台机组最优效率有不同程度的提高： 1#机为3.01个百分点，5#机为3.25个百 分点，2#、3#、4#机与改造前相当。
水轮机过流部件抗磨蚀性能有所提高。 机组稳定性有所改善。
可以通过更换转轮实现增容改造。
二、电站增容改造实例
刘家峡水轮机改造
刘家峡多年平均过机含沙量3.13kg/m3，汛期 多年平均过机含沙量30 ～ 50kg/m3，最大过机 含沙量为614kg/m3。水轮机磨蚀严重。从1988 年开始，电站先后用了15年时间对五台机组进 行增容改造，于2002年初全部竣工，共计投入 资金近5亿元，净增出力190MW。增容改造提高 了水轮机的效率，提高了水轮机的抗磨蚀性能 ，改善了机组的稳定性，增强了设备的健康水 平。
我国还有数量巨大的小型水电机组，采 用的基本上都是老型谱中非常落后的转轮。即 使是80年代以后投运的大型水电机组，由于受 研制水平的限制，虽然当时先进，但经过多年 运行后，也出现了一些问题，提出了改造要求， 以提高运行质量，增加出力。因此，我国水电 站改造市场的前景是十分广阔的。
改造项目通常在水力设计中会遇到三个方面的限制和 困难 ，即：
一、概 述
概述
水轮机的可靠运行时间一般在30～50年 之间，它取决于机组的型式、设计、制造 质量、维护程度和其他相关因素。
更新改造的决定因素
更新改造的主要原因一般包括下述一个或多 个：
1.提高可靠性和可用性； 2.修复性能和延长使用寿命； 3.性能改进： 提高效率； 增大功率； 减少空蚀； 扩大运行范围；
更新改造的主要特点：
（1）转轮：叶片由原来的8片减为7片；转轮直径 6.1m，轮毂比0.53，叶片上不设吊装孔，叶片与转轮 室间隙为4.0mm。叶片出水边夹角由常规的45°加大 到48.5°。叶片材质由原来的20SiMn，改为三种不锈 钢材料（Cr13Ni4、Cr13Ni5，Cr16Ni5）。叶片根部 厚度由268mm加大到309mm。叶片与枢轴结合部增加应 力释放凹口，减少内部应力，原叶片凹口半径15mm， 改造后加工成半径26mm的半圆凹口。
枫树坝水电站水轮机增容改造
枫树坝水电站始建于1971年，装机2X80MW。水轮 机型号HL710-LJ-410（HL220 改型），额定水头60m 。发电机型号SF80-44/8540。 1973、1974年投产。 机组由原天津发电设备总厂生产。经过三十多年运行， 机组严重老化，运行可靠性下降。
根据电站参数，哈尔滨大电机研究所采用CFD优 化和模型试验，研制出A835a转轮。枫树坝改造机组 于2004年6月30日投入商业运行。随后许多HL220 型
增加成本和增加发电收入相抵，每年净增加 收入712万元。
葛洲坝水电厂
葛洲坝电厂装机21台。大江l4台，装机容量1750MW；二江7台， 装机容量965MW，总装机容量2715MW。
原轴流转桨式水轮机主要参数：
水轮机型号
安装高程（导叶中心高程）
275.2m
吸出高度 Hs
－2.8 m
转轮直径 D1 转轮叶片数 Z1 活动导叶数Z0 尾水管高度 h v
6.0 m 8 24 14.44 m
1997年4月，三门峡枢纽管理局与德国福伊特公司签 订过流部件抗磨蚀试验合同。将转轮室该为全球形结 构，并相应改造转轮、导叶等部件。
三门峡原轴流转桨式水轮机主要参数：
水轮机型号
ZZ010－LJ－600
最大水头Hmax
52m
最小水头 Hmin
15.0m
额定水头 Hr
30.0m
额定出力 Pr
51.6MW
额定流量 Qr
198 m3/s
额定转速 nr 额定比转速 nS 比速系数 K
100r／min 324mkw 1775
4. 5#机叶片采用同种材料的钢板热弯成型， 五轴数控铣床加工。
5. 1#机的设计水头H0≥102m；5#的设计水头 H0≥105m。
6. 提高顶盖的刚强度。
7. 顶盖上抗磨板采用不锈钢板。底环下抗磨 板采用钢芯超高分子量聚乙烯。
8. 3#机转轮叶片数Z1 增加至16片，对稳定性 和减轻磨蚀有利。但3#机的设计水头H0=98 m ，较1#机和5#机要低，这可能是改造后的3#机 低水头稳定性能较好，但超过105m水头时，顶 盖垂直振动严重超标的主要原因。
（4）转轮体：为提高水轮机过流能力，轮毂比由原来 的0.55降为0.53。转轮体直径为3233mm，转轮装配（ 转轮体加叶片）直径为6092mm。
（5）抗泥沙磨损防护措施：抗磨涂层有软涂 层和硬涂层两种。软涂层用的是聚氨脂，硬涂 层用的是超音速火焰喷涂碳化钨粉末。
硬涂层经过3个汛期、4年运行，具有较好的抗 磨蚀性能，对1#机的防护是成功的。但硬涂层 在运行中破损后，在现场不具备修复条件。
水轮机的电站如柘溪、风滩、安砂、紧水滩、碧 口等都用A835系列转轮进行了改造。
白盆珠机组增容改造
最大水头：45.00m；最小水头：27.40m； 额定水头：37.60m；安装高程：32.62m； 单机容量：12500kw；装机台数：2台； 单机引用流量：38.40 m3／s； 原水轮机型号：PO123-LJ-225； 额定转速：187.5r／min； 活动导叶16个，导叶分布圆直径2650mm， 要求额定功率增至15000kw。
由于转轮直径增大，至使导叶长度超常规设 计。导叶尾部下端出现高紊流和迴流，影响 转轮下环叶片进口处的流态，使水轮机不能 稳定运行。
后选用HLA978-LJ-240；加大导叶分布圆 (由 原2650mm增加到2780mm) ；导叶数由原来的 16个增加为24个 。改造获得成功。
图6. 导叶长度超常规设计
我国水电站改造市场十分广阔
据不完全统计，我国目前正在运行的大 中型水电站（以混流式单机1万kW，轴流式 单机6000kW以上计），有80多座是在1981年 前投运的。这些机组随着服役年限的增加， 以及对水电机组承担调峰所提出的新要求， 都需要用新技术进行更新改造，以提高机组 运行的可靠性，延长使用寿命，并增加出力 以产生更多的经济效益。
新丰江、新安江水电站单机容量72.5MW，水轮机 型号HL180-LJ-410，50年代末由哈电制造，额定水头 73m。
电站要求更换转轮，使机组出力由72.5MW提高到 90MW，增容24.1%，同时要求新转轮的最高效率不低 于93%。
经过CFD优化，全模拟试验。 A724a （用于新丰
江）、A788（用于新安江） 。
1#、3#、5#机改造的特点：
1. 在蜗壳、座环、尾水管等埋设部件不变的 条件下，加大了转轮的公称直径D1 。减小了 下环锥角。
2. 全不锈钢焊结结构转轮。叶片粗糙度：高 流速区小于Ra1.6，低流速区小于Ra3.2。
3. 1#、5#机通过CFD优化固定导叶、活动导 叶、转轮的型线。固定导叶修形。导叶端面 和正面的粗糙度Ral.6，外侧面为Ra3.2。表 面经过硬化处理，硬度不低于HB280，以提高 抗磨蚀能力。