1.梧州水利电力设计院 广西梧州 543003；2.梧州学院 广西梧州 543000
摘要：本文通过对中小型水电站的实际运行状况进行分析，然后对水轮机进行技术改造，同时引进空化特性优良、能量指标先进、运行稳定性好的水轮机，能够显著地提高水轮机的运行效率，保证中小型水电站的运行经济性、合理性以及先进性，提高水电站的综合效益。
关键词：小型水电站；水轮机；改造研究；实践
1 我国中小型水电站水轮机现状
1.1 运行效率
低水轮机的运行效率是水轮机性能的重要指标，关系到水能资源的利用程度。我国有一大批轴流式机组水轮机转轮系国内50、60年代产品，由于投产时间较长，机组效率出现明显下降，加上本身效率较低，与现在国内外先进转轮的效率相比，差距较大，造成了可利用水力资源的巨大浪费。
1.2 运行稳定性较差
随着比转速和单机容量的增大，水轮机结构越来越复杂，机组尺寸增大，导叶相对高度增高，相对刚度减弱，加上老电站水轮机设计参数和实际运行参数的不匹配，导致机组运行工况有时欠佳，致使机组运行中出现的不稳定现象越来越多，甚至波及到电站的建筑物，由此引发的问题也日益突出。
1.3 叶片裂纹
水轮机转轮中的裂纹现象，在世界各地普遍存在。轴流式水轮机的叶片属悬臂结构，转轮刚度较差，运行中叶片受力条件不好，叶片根部更容易发生裂纹破坏。转轮裂纹严重影响电站的安全运行和经济效益，引起人们的极大关注，各水电站及研究机构都在积极探索裂纹产生的原因，寻求根本的解决方法。
1.4 空蚀磨损严重
通常又将水轮机空蚀与磨损联合破坏称为水机空蚀磨损破坏，简称磨蚀。在我国己投产的水电站中，有相当一部分电站由于空蚀磨损破坏，导致机组效率下降、出力减小、振动加剧，不仅威胁水电站的安全运行，而且严重威胁电网的安全运行。
2 中小型水电站水轮机运行中存在的问题
2.1 水轮机选型问题
中小型水电站早期建设中可供选择水轮机的型号相对较少，并且一些中小型水电站的管理人员也不重视水轮机的设计参数是否满足水电站的实际运行水平，这就导致一些水电站的额定转速或者水头选择不当、水轮机转轮直径不合适等，导致水轮机的性能参数和水电站的实际运行参数不相匹配，导致水轮机在实际运行过程中出现噪声较大、振动较大、耗水量多、运行效率低、发电损失大等问题，严重地影响了水轮机的使用寿命。
2.2 发电机和水轮机不配套
一些中小型水电站的水轮机输出功率超过了发电机的额定容量，导致形成了“大马拉小车”的现象，这样既增加了发电机的压力，也抑制了水轮机组的出力，影响水轮机和发电机的使用寿命，还有一些中小型水电站水轮机的出力小于发电机的额定容量，导致形成“小马拉大车”的现象，既增加了运行损耗，又浪费了设备容量。
3 小型水电站水轮机的技术改造方法
由于水电站建设投资大，一般不能将其推倒重建。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此，若有针对性地对水电站水轮机进行改造，投资小、工期短、见效快，可大大提高水电站的经济效益和社会效益。随着我国水电事业的蓬勃发展，在现有的技术条件下，对小型水轮机进行技术改造已具备了一定的基础。笔者在实践中摸索总结出以下几种改造方法。
3.1 水轮机改造的方式
3.1.1 直接更换新型号转轮的改造方式
换机改造是目前小型水轮机改造的主要方法之一。前面已经提到，受历史条件的限制，过去的水轮机转轮不管水力性能还是空蚀性能都较差，又很少有专门为小型水电站研发的转轮。随着多年水电事业的发展，现在国内外有很多优秀转轮，这些转轮不管是在能量指标上还是抗空蚀性能上都远远优越于过去的转轮，直接用这些优秀的转轮来取代原来的转轮可以收到很好的改造效果。
3.1.2 流道优化设计的改造方式
上述换机改造方式有一个前提，要求新转轮要与被改造的水轮机流道一致。这对已运行数年的老机组不一定是适宜的，特别是对小型水轮机更为突出。因此，以流动理论为基础，根据水电站和机组的具体情况，采取优化设计过流通道几何参数与创新设计转轮、导水机构相配合的改造方式，可显著提高水轮机组水力效率和改善抗空蚀性能及机组运行的稳定性。
3.1.3 转轮局部修复改造方式
如果需要改造的水轮机空蚀与磨蚀损坏较轻微，仅要求增加一定出力，也可以采用对转轮进行局部修复与改造的方式，如对空蚀与磨蚀严重的地方修复打磨，以保证转轮叶片型线，或切割叶片出水边以增加水轮机过流量，加大机组出力。这种方式，改造投资少，改造周期短，可在枯水期完成电站的改造。转轮局部修复改造对运行时间不是很长，只是因空蚀和磨蚀造成的转轮性能下降有很重要的现实意义。
3.2 水轮机改造的技术途径
在过去，水轮机改造一般都要等到改造完成、新机组投入运行后才能检验改造的好坏，并得出具体改造后的性能指标。而近些年来，计算流体力学有了很大的发展，也取得了丰富的成果。特别是20世纪90年代后，集成的商用CFD流体计算软件得到广泛应用，并使得对一些较复杂的旋转机械内部流场数值模拟成为可能。因此，在水轮机改造时，我们可以先设计出转轮及水轮机流道的模型，利用UG等软件对设计模型进行三维几何建模，再基于数值试验进行全流道三维流场数值模拟及性能预测，分析计算结果，不断优化转轮模型，直到设计结果满足设计要求为止。此数值计算方法还可对多种模型进行对比分析，得到较好的设计方案。这样即缩短了水轮机改造的研发周期，也降低了改造的风险。计算流体力学的发展为水轮机改造提供了有力的技术支持，在流体机械过流部件优化设计中采用数值试验方法取代模型试验是确定、研制设计方案的有效技术途径，它在新产品开发和过流部件改造设计中有极其重要的实际意义。
4 结论
水能是一种清洁、可再生能源，水能资源的开发对于振兴地方经济、提高人们生活质量水平具有非常重要的作用。中小型水电站是我国水电建设的重要组成部分，但是由于当时设备制造工艺水平以及设计水平的限制，再加上运行人员的技术水平相对较低，中小型水电站经过多年的运行，出现了许多安全隐患，为了保证中小型水电站能够安全、稳定地运行，亟需对水轮机进行技术改造。
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[3]张剑辉.基于小型水电站水轮机选型设计要点的探讨[J].城乡建设，2010（20）.
论文作者:刘昌林1,冯静2
论文发表刊物:《基层建设》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/1
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