探究水轮机优化改造的方案

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1.水轮机增容改造结构优化设计

新方案除在水力方面研发D443a新转轮外，结构设计方面，进一步充分认识大渡河泥沙磨蚀的危害性，力求通过合理的结构设计，避免磨蚀破坏的发生；降低压力脉动、提高机组运行稳定性；同时兼顾电厂改造实施的经济性，尽量减小埋入部分土建改造及配套部件改造的工作量。2005年底，国电大渡河公司与东电签订了#7机组的改造合同（因、机的问题，推迟了一年执行）。后因电厂设备状况及机组检修周期安排，东方电机为#7机所作的优化设计方案率先在#2机上实施。#7水轮机改造优化设计思路针对水轮机顶盖磨蚀穿孔低负荷区强压力脉动及较强的噪音问题，东方电机在对多个改进方案进行充分比较论证的基础上，重新制定了#7水轮机增容改造优化设计方案。

2.水力设计方面

水力设计新开发的D443a转轮，能量特性与GE公司的F634基本相当，转轮模型最高效率达92.69%，各水头下均能达到合同规定的保证出力要求；D443a空化性能略优于F634转轮；压力脉动性能较F634有较大改善；飞逸特性满足合同保证值。水轮机结构优化设计方面，#7水轮机改造设计参数#7水轮机改造与、水轮机改造设计参数对比。#7机改造结构优化设计总体结构。#7水轮机改造结构优化设计要点。转轮上冠、止漏环结构参数优化为克服水轮机磨蚀破坏，#7机改造取消了原GE公司转轮嵌套止漏环结构，不单独加设止漏环，以保持转轮上冠上平面的光滑平整，并选择合理的转轮上冠、止漏环结构参数，主要采取了以下优化措施：将转轮止漏环高度由原GE的H加高到1.73H，止漏环间隙由原GE的~1.225调为1.33～1.66，致使通过止漏环缝隙的水流沿程损失增加,流速系数减小，使转轮止漏环出口的流速降低，通过转轮止漏环进入转轮上冠的漏水量减小，同时止漏环间隙的略放大有利于降低机组自激振动发生的几率。转轮上冠上端面与顶盖之间距离由原GE公司的H1加宽到1.55H1，转轮止漏环上方的顶盖上环板采用S135不锈钢钢板并改善顶盖上环板及固定止漏环的焊缝结构，以增强其抗磨蚀能力。转轮上冠加设引水挡板并浇注混凝土，减小转轮上冠的空腔，改善转轮上冠水流的流态，降低含泥沙水流对顶盖上环板的冲蚀磨损破坏。设计合理的转轮泄水孔数，使转轮泄水孔泄水面积与止漏环缝隙面积之比K与老702转轮相当。#7机新方案设计、GE公司及设计、原HL702设计对比计算结果采用三阀联用的主轴中心孔补气系统现在较大型的混流式水轮机大多采用主轴中心孔补气方式，即水轮机在部分负荷运行时，为了保证机组稳定运行，要求向水轮机转轮底部补入空气。实践证明，大轴中心孔补气量在0.1～0.15％Qr范围内，尾水管压力脉动下降2～3%。东电成熟的补气方式在一些电站的实际运行中，取得了很好的效果，提高了机组运行的稳定性。#7水轮机增容改造中，在总结以往机组成功经验的基础上增设了主轴中心孔补气系统，并充分认识电站运行尾水位过高(最大吸出高度可达-20m)的特点，首次采用了三阀联用的自然补气系统，即补气阀主体部分从上至下包括弹簧式补气阀、浮球式空气阀、对夹式蝶阀三部分。三阀的作用为：(1)最下部的对夹式蝶阀主要可用于现场实测有无补气或补气量的大小对压力脉动的影响，同时也是尾水位过高时的双保险。(2)中间的浮球式空气阀，当水位较低时，浮球在自身重力作用下使浮球阀处于常开状态，从而保证向中心孔补充的空气以最小的阻力进入。尾水位过高时，不锈钢空心浮球在浮力的作用下向上浮起，将封水口密封，从而防止尾水溢出。(3)最上面的弹簧式补气阀，在尾水出现真空度时与弹簧力形成压差而打开阀门补入空气。由于该弹簧式补气阀不同于传统结构，并由于其下面设立浮球式阀的缘故，当尾水位不稳定、出现晃动时，不会频繁出现以往弹簧式补气阀存在的撞击敲打声，它同时兼有补气、密封水、消振的多重功能。

3.埋入部分的结构优化

电站#7水轮机改造，由于新D443a转轮出水边较原GE转轮出水边下延近200mm，故使老机组的基础环不能满足要求。我们考虑尽量减小土建改造的工作量，重新设计了基础环增改段。电站施工时只需将老基础环割去多余的法兰段，原尾水管里衬割去372mm，基础环增改段机坑内组圆后分别与割去部分段的原基础环及尾水管里衬补偿段焊接相连，做到既优化又经济。导水机构的部分优化根据D443a模型转轮的试验结果，真机为满足出力要求，导叶转角需增大到43°（原GE方案为42°）。我们作了多个结构方案反复布置计算，在接力器及控制环均不更换的情况下，保证导叶全关时由控制环传递到导叶上的操作力矩为原GE结构的99.2%，满足机组出力及导水机构受力及强度要求。4机组运行情况2008年4月，电站#2机组完成增容改造并投入运行。#2水轮机采用合理的结构优化设计并新开发D443a－F13转轮解决了GEHydro的F634－13转轮存在的水力不稳定问题；转轮止漏环处合理的结构并转轮上冠引水挡板结构的联合作用，有效地解决了顶盖上环板穿孔及转轮止漏环磨蚀破坏问题；三阀联用的主轴中心孔补气系统，使低负荷区运行的强压力脉动及较强的噪音问题有较好的改善，使机组运行稳定性大大加强，同时解除了电站因尾水位过高可能造成的安全运行隐患。#2机组的投运，效果明显，业主满意。事实证明，#2水轮机增容改造的新方案是成功的。2008年12月，#2水轮机增容改造经竣工验收鉴定为：机组额定出力由100MW增加到110W，达到了改善设备健康水平、提高机组运行可靠性和增加出力的目的。这进一步对#2水轮机增容改造的结构优化设计新方案给予了肯定，我们也更有信心将该成功方案用于后续机组的改造。鉴于水电站#2机组增容改造的成功，业主将后续机组的改造一并交付东方电机实施。2010年12月，#7水轮机增容改造通过了竣工验收鉴定；2011年12月，#4、#6水轮机增容改造也通过了竣工验收鉴定；2012年4月底，最后一台#3水轮机将顺利完成改造并投运。

4结语

经过几年的摸索总结，我们认为，水轮机出现的问题以及国外公司对水轮机的修复方案之所以未见成效，说明国外公司的、水轮机改造结构设计方案存在一定的局限性。针对、水轮机出现的问题，在作#7水轮机增容改造结构优化新方案时，采取了一系列优化改进措施，从其实际运行取得的良好成果以及进一步将其运用于、水轮机修配的效果来看，#7水轮机的新结构优化方案，有效地解决了顶盖上环板穿孔及转轮止漏环磨蚀破坏问题，较好地解决了低负荷区运行的稳定性问题，同时解除了因尾水位过高可能造成的安全运行隐患，是适合电站运行条件的、满足业主改造增容目的要求的合理有效方案。同时，通过#7水轮机新结构优化方案的设计，以及、水轮机修配的经历，深深地体会到，真机结构设计的全面综合考虑，是对机组长期稳定安全运行的不可低估的重要保证。

吴晓莉曾明富李新威单位：三峡电力有限责任公司