大化水电站水轮机的增容改造

大化水电站水轮机的增容改造聂启蓉
广西电力工业勘察设计研究院　南宁　530023

1　增容改造的必要性
大化水电站一期工程安装4台ZZ440-LH-850型轴流转桨式水轮机，额定出力103 MW，电站装机容量400 MW。自1983年12月至1985年6月4台机组相继投运以来，水轮机转轮暴露出较多的质量缺陷：
(1)初期运行时，4台机的转轮叶片均出现了贯穿性裂纹，被迫切割叶片出水边，改变叶片的固有频率。虽然叶片裂纹问题基本解决，但水轮机效率降低。根据铁门水电站(与本电站同型转轮，采用相同的处理方法)的有关资料，此处理使水轮机的效率降低约2%～2.5%。
(2)在运行水头高于额定水头和出力大于50%额定出力时，桨叶在开启方向卡阻。按某科研单位现场试验分析，其原因为轮毂体刚度不够。
(3)桨叶密封不能可靠地阻止转轮轮毂腔内的油向外泄漏和河水进入轮毂腔内。下游百龙滩水电站投产后，本电站下游水位抬高近10 m，轮毂体进水的危险增大。
(4)由于受当时不锈钢供应条件的限制，大化电站第一台出厂机组(电站2号机)的桨叶为ZG20SiMn。运行至今，叶片表面均有不同程度的磨损和空蚀。1996年3月扩大性检修时，测量了6个叶片的下沉量，平均下沉0.8 mm，最大下沉量为1.48 mm。由于叶片下沉，叶片上部密封间隙加大，进一步恶化了桨叶密封性能，2号机一年中约漏油13 m³之多。
显然，上述质量缺陷已严重地危及机组的安全运行。每年为处理机组缺陷不仅耗资费时，而且造成了不少电能损失。虽经电厂和有关部门的艰苦努力对缺陷进行了逐项处理，但检修处理只能延缓缺陷引起的设备损坏发展速度和减少部分经济损失，不能从根本上解决设备质量问题，机组等效可用系数逐年下降，到1996年已降至89%，远低于部颁标准要求的95%；转轮缺陷已到了非彻底解决不可的程度。为提高机组运行的可靠性，减少经济损失，提高水轮机的效率，增加电厂的发电量，必须更换转轮。

2　增容改造的可行性
ZZ440转轮是我国六十年代引用的原苏联的转轮，水力性能偏低。优选性能优良的转轮，是结合消除转轮缺陷实现水轮机增容改造的关键。随着科学技术的发展，我国已有了一批可替代ZZ440的转轮，详见表1。从表1可知，可供替换转轮的叶片数和轮毂比减少，在限制工况下，效率和单位流量分别提高5.9%～8.4%和3%～11.6%，但空化系数有增有减。一般而言，转轮叶片数和轮毂比减少，水轮机的效率提高，过流量增大，但空化系数加大，要求转轮的淹没深度增加。更换转轮，保留原流道可能会使新转轮的效率降低。据有关资料分析，由于流道差异引起的转轮效率下降值约为0.5%～1.5%。根据以上数据分析，在保留原流道不变的条件下，选用5叶片的转轮，通过提高转轮效率，增加水轮机过流量，使机组增容15%左右是完全可能的。主轴外径Φ1.5 m，虽因出力提高扭矩将增加，但原主轴设计裕度较大，增容15%后应力也在允许范围内。由于5叶片转轮的水推力系数比6叶片的小，加之电站最大水头因岩滩水电站的建成已由39.5 m降至29.12 m，故轴向水推力减少，而增容后转轮部分的重量基本不变或略为减少，故推力轴承的运行条件比原设计有所改善，导轴承的应力也基本不变。因此，选用效率高、过流量大的新转轮不仅可实现水轮机增容，而且水轮机的结构强度也不会有问题。此外，由于原ZZ440转轮的安装高程较低，现下游水位又抬高了近10 m，所以电站的装置空化系数较大，是完全能满足空蚀要求的。

表1　旧转轮与国内外可供替代的转轮的性能参数

项　目单位旧转轮可　供　替　代　的　转　轮 ZZ440-46 ZZ500-46 D231-35 A623U-35 F24-35 5KN35 K160/5 K310740-50 适用水头范围H m 36(40) 30 40 40 32 40 30 40 转轮叶片数Z₁6 5 5 6 5 5 5 5 轮毂比