小型水電站技術(shù)改造中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

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　摘要：列舉了小型水電站機(jī)組運(yùn)行中存在的問(wèn)題，根據(jù)技改工作實(shí)踐，提出了做好水電站的技術(shù)改造工作必須注意的幾個(gè)問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)要做好技術(shù)改造設(shè)計(jì)，機(jī)組增容改造時(shí)一定要重視輸水系統(tǒng)的核算，并抓住水輪機(jī)的改造。

　　關(guān)鍵詞：小型水電站水輪機(jī)技術(shù)改造設(shè)計(jì)調(diào)研報(bào)告綜述

　　1、前言

　　我國(guó)農(nóng)村小水電資源豐富，可開(kāi)發(fā)量達(dá)71870MW，分布在全國(guó)1500多個(gè)縣（市）。到2001年底，已建成農(nóng)村水電站4萬(wàn)余座，裝機(jī)容量達(dá)28790MW，占全國(guó)農(nóng)村水電資源可開(kāi)發(fā)量的40％，其中運(yùn)行30年以上的小水電站的裝機(jī)容量1530MW，運(yùn)行20年以上的小水電站裝機(jī)容量7570MW，分別占已建成的小水電站總裝機(jī)容量的5.3％和26.3％。這些小水電站的特點(diǎn)是：裝機(jī)容量?。ù蠖嘣?00kW～3000kW以下），臺(tái)數(shù)多，技術(shù)落后，效率低，制造質(zhì)量差，安全生產(chǎn)隱患多。有的已經(jīng)改造或停運(yùn)，有的正在改造，更多的則急需進(jìn)行技術(shù)改造。

　　為了宏觀指導(dǎo)小型水電站的技術(shù)改造工作，包括立項(xiàng)，改造設(shè)計(jì)（咨詢），施工，驗(yàn)收和管理，使之更加科學(xué)化、規(guī)范化，水利部于1997年發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL193－97《小型水電站技術(shù)改造規(guī)程》。近幾年來(lái)，各地在小型水電站技術(shù)改造工作中取得了一定成績(jī)，但還存在一些問(wèn)題?，F(xiàn)就筆者在規(guī)程編寫(xiě)調(diào)研和實(shí)際工作中遇到的一些問(wèn)題談一些體會(huì)。

　　2、認(rèn)真總結(jié)，摸清問(wèn)題

　　許多小型水電站經(jīng)過(guò)10年、20年甚至30年的運(yùn)行，積累了許多運(yùn)行檢修方面的寶貴資料，但是由于人員的變動(dòng)等多方面的原因，許多圖紙（設(shè)計(jì)及設(shè)備）殘缺不齊，甚至機(jī)組上的標(biāo)牌都已丟失，因此，技術(shù)改造前原始資料（包括水文、工程設(shè)計(jì)、設(shè)備及機(jī)組運(yùn)行檢修記錄等）的收集、分析總結(jié)十分重要，這是做好技術(shù)改造工作的前提。

　　早期建成的小型水電站，機(jī)組運(yùn)行中常常遇到以下問(wèn)題：

　　2.1水輪機(jī)主要性能參數(shù)（N、H、Q）與電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)不匹配

　　1）70年代以前建成的一些小型水電站，由于當(dāng)時(shí)、當(dāng)?shù)氐目陀^條件，存在“有窩找機(jī)”或“有機(jī)找窩”現(xiàn)象，致使機(jī)組參數(shù)與電站實(shí)際參數(shù)不符。

　　2）我國(guó)早期編制的水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪型譜中可供各水頭段選用的轉(zhuǎn)輪型號(hào)少，不少小型水電站只能“套用”相近轉(zhuǎn)輪，因而機(jī)組偏離電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)。

　　3）對(duì)小型水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)，有的地方管理部門不太重視，有的設(shè)計(jì)單位也不夠認(rèn)真或水平不夠，因而使一些水電站的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑或額定水頭或額定轉(zhuǎn)速選擇不當(dāng)，造成機(jī)組性能參數(shù)與電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)不匹配。

　　4）有些小型水電站建成后，其實(shí)際的來(lái)水量或水頭等水文數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)資料不符或者缺少必要的水文資料，以致選用的水輪機(jī)性能參數(shù)與電站實(shí)際運(yùn)行參數(shù)不適應(yīng)。

　　以上4種情況中的任何一種都會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)處于非最優(yōu)工況區(qū)運(yùn)行，造成機(jī)組運(yùn)行效率低，耗水量多，振動(dòng)及噪聲大，發(fā)電損失多，甚至水輪機(jī)使用壽命大大縮短。

　　2.2水輪機(jī)性能落后，技術(shù)陳舊，制造質(zhì)量差

　　我國(guó)1964年頒布的水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪系列型譜中的ZZ600、ZZ460、ZZ587、HL365、HL123、HL702、HL638等型號(hào)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪有的至今仍在服役。這些轉(zhuǎn)輪相當(dāng)于國(guó)外上世紀(jì)30年代～40年代的技術(shù)水平，其主要性能指標(biāo)（單位流量Q11，單位轉(zhuǎn)速n11及模型效率ηm都比較低。

　　有些小型水電站的水輪機(jī)加工質(zhì)量差，缺陷多，久修不愈，長(zhǎng)期帶病運(yùn)行，出力不足，安全可靠性差。水輪機(jī)處在低效率、常發(fā)病條件下運(yùn)行是不安全、不

　　經(jīng)濟(jì)的。

　　2.3多泥沙河流上的水輪機(jī)磨蝕破壞嚴(yán)重

　　據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)小型水電站中，約有1／3的水輪機(jī)存在空蝕和泥沙磨損問(wèn)題，有些水輪機(jī)的大修間隔不到一年，導(dǎo)水葉和水輪機(jī)進(jìn)水閥嚴(yán)重漏水，有的甚至難以正常開(kāi)、停機(jī)。有的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生嚴(yán)重裂紋或斷裂，不能保證安全運(yùn)行。

　　2.4水輪發(fā)電機(jī)絕緣老化，推力軸承燒瓦

　　有些小型水電站的水輪發(fā)電機(jī)因運(yùn)行年代長(zhǎng)，定子、轉(zhuǎn)子的絕緣已嚴(yán)重老化，容易引發(fā)接地故障，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。由于制造或安裝質(zhì)量較差，水輪發(fā)電機(jī)的推力軸承可靠性低，常導(dǎo)致燒瓦事故。

　　2.5水輪機(jī)與電氣設(shè)備不配套

　　有些小型水電站水輪機(jī)的輸出功率大于發(fā)電機(jī)或主變壓器的額定容量，形成“大馬拉小車”，使水電站的設(shè)計(jì)出力受到限制，發(fā)電時(shí)出現(xiàn)不正常的棄水現(xiàn)象。也有的水電站發(fā)電機(jī)容量大于水輪機(jī)出力，形成“小馬拉大車”，既浪費(fèi)了設(shè)備容量，也增大了運(yùn)行損耗。因此，小型水電站在進(jìn)行技術(shù)改造前，必須查清存在哪些問(wèn)題，包括實(shí)際運(yùn)行時(shí)的水頭、來(lái)水量、棄水量、機(jī)電設(shè)備狀況、水工建筑物及金屬結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀況等，只有徹底摸清問(wèn)題，才能有針對(duì)性地進(jìn)行技術(shù)改造，取得實(shí)實(shí)在在的改造成果。 3優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益

　　為了做好小型水電站的技術(shù)改造，一定要委托有資質(zhì)的單位進(jìn)行技術(shù)咨詢并做到優(yōu)化設(shè)計(jì)，還要請(qǐng)專家對(duì)改造設(shè)計(jì)方案進(jìn)行審查，因?yàn)橐粋€(gè)好的設(shè)計(jì)方案，可以出水平出效益，反之，不重視設(shè)計(jì)，容易出庇漏而造成不必要的返工和經(jīng)濟(jì)損失。例如，浙江橫錦水庫(kù)一級(jí)水電站，裝機(jī)容量2×3000kW，擬增容至2×4000kW，委托中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢渤海公司承擔(dān)技術(shù)咨詢，優(yōu)選了主機(jī)設(shè)備和制造廠家，不僅采用了國(guó)內(nèi)最新技術(shù)產(chǎn)品，而且為業(yè)主節(jié)省了機(jī)組設(shè)備投資108.2萬(wàn)元，占合同總價(jià)的15.7％。

　　小型水電站的技術(shù)改造，必須貫徹“四性”原則，即先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性和特殊性。應(yīng)該針對(duì)各個(gè)水電站的具體情況，因地制宜，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。所謂先進(jìn)性就是要擇優(yōu)選用一個(gè)性能先進(jìn)、技術(shù)成熟的好轉(zhuǎn)輪和配套性能先進(jìn)、運(yùn)行可靠的水輪發(fā)電機(jī)及其輔助設(shè)備；合理性就是要緊密結(jié)合和妥善處理本電站的不可變更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，提高水電站的經(jīng)濟(jì)效益；特殊性就是特殊問(wèn)題用特殊辦法處理。例如，針對(duì)多泥沙河流上運(yùn)行的水輪機(jī)，既要改善其運(yùn)行特性，又要采取抗泥沙磨損的綜合治理措施，延長(zhǎng)水輪機(jī)的使用壽命，只有全面考慮才能較好地達(dá)到先進(jìn)性、合理性和經(jīng)濟(jì)性。多數(shù)小型水電站的技術(shù)改造以水輪發(fā)電機(jī)組的改造為主。在技術(shù)改造設(shè)計(jì)中，一般采取以下幾種方式：

　　1）對(duì)于水頭、流量與原設(shè)計(jì)變化不大，而水輪機(jī)設(shè)備陳舊、性能落后的水電站，可采用更新改造或增容改造方式。選用該水頭段導(dǎo)水葉相對(duì)高度bO相同或相近的新型轉(zhuǎn)輪，如無(wú)合適的新型轉(zhuǎn)輪，則應(yīng)重新（或改型）設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪，或者改進(jìn)過(guò)流部件型線與結(jié)構(gòu)。其目的在于提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率，增容，增加年發(fā)電量。例如，北京西郊門頭溝軍莊水電站，裝有6臺(tái)ZD760－LM－100型機(jī)組，單機(jī)額定出力125kW，實(shí)發(fā)100kW，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的三葉片轉(zhuǎn)輪后，單機(jī)出力提高到180kW，比原設(shè)計(jì)提高44％，比改造前提高80％。

　　2）對(duì)于水頭、流量比原設(shè)計(jì)減少了的水電站，宜采取減容改造方式。即根據(jù)水電站的實(shí)際運(yùn)行水頭和流量，降低水輪機(jī)的額定水頭，減小額定輸出功率，選用合適的新型轉(zhuǎn)輪或重新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪，其目的是將水輪機(jī)調(diào)整到最優(yōu)或較優(yōu)工況區(qū)運(yùn)行，以提高其運(yùn)行效率，增加年發(fā)電量。例如，山西省靈邱縣北泉水電站，裝機(jī)2×1250kW，水輪機(jī)型號(hào)為HL702－WJ－71（H＝42m，Q＝3.62m³/s），枯水期實(shí)際電站平均流量?jī)H2.3m³/s，一臺(tái)機(jī)也只能帶400kW～600kW，因此，專門為枯水期配制了一個(gè)轉(zhuǎn)輪，額定出力800kW，投運(yùn)后出力反而比改造前增加200kW，多發(fā)電效益十分明顯；又如江西省新余市江口水電站，原設(shè)計(jì)水輪機(jī)型號(hào)為ZD587－LH－330（H＝19.5m，Q＝54.7m³/s，N＝8800kW），電站實(shí)際運(yùn)行水頭僅17m，機(jī)組只能發(fā)7800kW，水輪機(jī)型號(hào)改用ZD105－LH－330后，單機(jī)出力提高到9000kW，增容15％。

　　3）對(duì)于水頭、流量比原設(shè)計(jì)增大了的水電站，應(yīng)采取增容改造方式。應(yīng)根據(jù)電站實(shí)際運(yùn)行水頭和流量增大的具體條件，提高水輪機(jī)的額定水頭，加大額定輸出功率，選用合適的新型轉(zhuǎn)輪或者重新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪，其額定轉(zhuǎn)速應(yīng)結(jié)合水輪發(fā)電機(jī)的改造方式確定，最終應(yīng)使水輪機(jī)在較高效率區(qū)運(yùn)行。這樣既加大了

　　單機(jī)容量又提高了水輪機(jī)的運(yùn)行效率，電站年發(fā)電量也有較大增加。例如，廣西靖西縣坡卅一級(jí)水電站，裝機(jī)2×500kW，原設(shè)計(jì)水輪機(jī)型號(hào)為HL300－WJ－50（H＝35m，Q＝4m³/s），而電站實(shí)際運(yùn)行水頭達(dá)40m，故將水輪機(jī)型號(hào)更換成HL240－WJ－50，每臺(tái)機(jī)的出力提高90kW，增容18％；又如浙江省諸暨市石壁水庫(kù)電站，裝機(jī)容量1460kW（2×630＋1×200），電站結(jié)合保壩工程，將土壩加高7.5m，增設(shè)溢洪道，提高了運(yùn)行水頭，故將原HL123－WJ－71型水輪機(jī)改為HL123－WJ－74型（轉(zhuǎn)輪直徑增加3cm），單機(jī)容量由630kW增加到800kW，增容27％，對(duì)水輪機(jī)尾水管和后蓋板也進(jìn)行了技術(shù)處理，還更換了發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子繞組并提高了絕緣等。

　　以上1）、3）兩種情況，當(dāng)水輪機(jī)功率確定之后，都需要為其配套相應(yīng)功率的水輪發(fā)電機(jī)。對(duì)輔助設(shè)備也要進(jìn)行核算，以決定是否更換。

　　4）對(duì)于多泥沙水電站，應(yīng)考慮泥沙磨損問(wèn)題，應(yīng)采用與抗磨措施相結(jié)合的改造方式。改造設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)水輪機(jī)的過(guò)機(jī)含沙量，泥沙中值粒徑d50及泥沙礦物成份等條件，選用單位轉(zhuǎn)速n11相近或略低，單位流量Q11適當(dāng)減小，模型空化系數(shù)σm適當(dāng)降低，模型效率ηm較高的新型轉(zhuǎn)輪；并合理加大導(dǎo)水葉分布圖相對(duì)直徑DO，改進(jìn)導(dǎo)水葉型線，降低和勻化導(dǎo)葉區(qū)流速；同時(shí)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝、材料和保護(hù)涂層等方面采取抗磨措施，以保證水輪機(jī)的安全運(yùn)行，延長(zhǎng)其使用壽命，最終達(dá)到更新改造或增容改造的目的。例如云南元江縣中河底一級(jí)水電站，裝機(jī)容量4×1000kW，水輪機(jī)型號(hào)HL220－WJ－50，Hr＝60m，Qr＝2.23m³/s，實(shí)測(cè)最大過(guò)機(jī)含沙量174kg/m³，泥沙中值粒徑d50＝0.45mm，石英含量高，水輪機(jī)過(guò)流部件磨損十分嚴(yán)重，且發(fā)不到額定出力，大修周期不到一年。技術(shù)改造措施：（1）按枯水期和渾水期不同泥沙條件分別設(shè)計(jì)制造2個(gè)HL220改進(jìn)型轉(zhuǎn)輪；（2）改進(jìn)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)并采取多種抗磨措施（包括采用優(yōu)質(zhì)材料）；（3）開(kāi)發(fā)了尾水能量回收裝置，回收利用2m尾水跌水落差。經(jīng)改造后的1號(hào)機(jī)，出力由原不到1000kW增加到1150kW以上，大修周期延長(zhǎng)到3年，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

　　除以上4種情況外，對(duì)“大馬拉小車”的水電站，可以單獨(dú)改造水輪發(fā)電機(jī)，為提高絕緣等級(jí)或改進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)增容，必要時(shí)可重新設(shè)計(jì)制造新的水輪發(fā)電機(jī)。主變?nèi)萘坎蛔憧蓳Q用新變壓器，舊變壓器仍可用于其他水電站。至于“小馬拉大車”的水電站，若水輪機(jī)采取改型亦無(wú)增容的可能，則暫按現(xiàn)狀運(yùn)行，待日后再更新。

　　4、要重視輸水系統(tǒng)的核算

　　在小型水電站增容改造中，有一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)需要慎重對(duì)待，即水輪機(jī)輸水系統(tǒng)。尤其是一管多機(jī)的引水式壓力輸水系統(tǒng)，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。水力核算即是對(duì)水輪機(jī)輸水系統(tǒng)的過(guò)流量和水頭損失的數(shù)值關(guān)系進(jìn)行核算，并繪制水頭損失與流量關(guān)系曲線Δh＝f（Q），以分析選定最大允許的水輪機(jī)額定水頭和設(shè)計(jì)引用流量。

　　調(diào)節(jié)保證核算就是從機(jī)組運(yùn)行特性和輸水系統(tǒng)水力特性兩方面來(lái)核算機(jī)組運(yùn)行的過(guò)渡過(guò)程中可能發(fā)生的最大水壓力和最大轉(zhuǎn)速升高值，并檢查前者是否在水輪機(jī)輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)水壓力的范圍內(nèi)，以研究和確定采取加固補(bǔ)強(qiáng)措施的合理性和可能性。

　　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)增容的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不可忽視。否則，會(huì)影響技術(shù)改造的經(jīng)濟(jì)效益和安全運(yùn)行。例如，廣東大隆洞水電站，水頭8m～25m，原裝有1臺(tái)軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)（德國(guó)進(jìn)口）。水輪機(jī)型號(hào)MK141/L，額定水頭20m，額定流量12m³/s。發(fā)電機(jī)型號(hào)為SM14/220－32，額定功率2000kW.電站為利用洪水期的棄水增加年發(fā)電量，于1980年在原壓力引水總管上接分岔管，并在原廠房左岸擴(kuò)建2臺(tái)800kW軸流定漿式水輪發(fā)電機(jī)組（水輪機(jī)型號(hào)ZD661－LH－120，Hr＝12.9m，Qr＝8m³/s）。技術(shù)改造后曾多次在洪水期做試驗(yàn)，在額定水頭下，單機(jī)運(yùn)行時(shí)均可達(dá)到額定功率。但在3臺(tái)機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)水葉開(kāi)度100％時(shí)，原2000kW機(jī)只能發(fā)1150kW，新裝的1號(hào)機(jī)只能發(fā)600kW，而2號(hào)機(jī)只能發(fā)550kW，3臺(tái)機(jī)總共才能發(fā)2300kW，比原1臺(tái)機(jī)時(shí)只多發(fā)300kW，比增擴(kuò)的2臺(tái)機(jī)（1600kW）少1300kW很明顯，由于該電站原輸水系統(tǒng)最大過(guò)流能力Qmax和水頭損失Δhmax的限制，因而造成洪水期3臺(tái)機(jī)出力受阻，這個(gè)教訓(xùn)值得其他水電站參考吸取。

　　5、增容改造必須分清主次

　　由于水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)是兩個(gè)不同范疇的對(duì)象，其技術(shù)發(fā)展階段不同；也由于水輪機(jī)在水輪發(fā)電機(jī)組中處于原動(dòng)機(jī)的地位，故水輪機(jī)運(yùn)行效率高低影響顯著；水輪機(jī)的選型技術(shù)難度較大，影響參數(shù)也多，在水電站實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題也比較多，這是符合客觀規(guī)律的。因此，要求在小型水電站的增容改造中，必須分清主次，首先要抓住水輪機(jī)的改造，從而帶動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)和整個(gè)水電站機(jī)電設(shè)備及水工金屬結(jié)構(gòu)的技術(shù)改造，這是應(yīng)當(dāng)遵循的原則。

　　6、一定要重視竣工驗(yàn)收

　　為了檢驗(yàn)小水電機(jī)組增容改造成果，對(duì)單機(jī)容量5MW及以上的水輪機(jī)，應(yīng)作技改前后性能對(duì)比測(cè)試；為保證技改工程質(zhì)量，一定要做機(jī)組起動(dòng)驗(yàn)收，起動(dòng)驗(yàn)收合格后才能進(jìn)行試生產(chǎn)運(yùn)行；只有經(jīng)過(guò)試生產(chǎn)運(yùn)行合格并且遺留問(wèn)題都已處理完畢，才能最終進(jìn)行改造工程的竣工驗(yàn)收，確保長(zhǎng)期高效安全運(yùn)行。