重庆水轮机厂有限责任公司 重庆 402283
摘要：牛栏口水电站实际投产以来，水头、流量、出力较为稳定，其转桨式水轮机受油器串油严重、油泵故障频繁、运行中产生大量的油雾，经常引起非计划停运。为此,电站要求对水轮机转轮由转浆式改为定浆式，重庆水轮机厂经过技术论证、现场试验，通过少量改动实现了水轮机转桨改定桨运行，去掉受油器，使机组长期稳定运行。
关键词：水电站；水轮机；转桨；定桨
1 前言
牛栏口水电站位于重庆市石柱县境内龙河干流河段，坝址距石柱县城约16km。水库正常蓄水位517.0m,死水位515.0m，为径流式水电站。工程以发电为主，具有防洪、养殖、旅游等功能。电站主要由大坝、引水系统和地面式发电厂房三大部分组成。电站装机二台,总装机容量20MW。多年平均发电量:6279×104kWh。水轮机采用ZZ450-LH-225型轴流转桨式水轮机，立轴、混凝土蜗壳，Г形平顶断面，包角225度，弯肘型尾水管，与发电机直连，俯视顺时针旋转。发电机型号为SF10-18/3900。调速器油压装置型号HYZ-2.5-4.0.额定压力4.0MPa。
1.1 电站水轮机目前存在的问题
（1）牛栏口电站转桨式水轮机运行时，桨叶开腔与关腔串油严重，检修维护量大，曾经引起非计划停运，对整机的安全运行产生很大的威胁。
（2）受油器操作油管摆度大，受油器密封经常损坏漏油和甩油;溅油盆自流排油不畅，导致油外溢到发电机定转子上，使设备既不清洁又影响安全运行，降低机组运行的可靠性。
（3）受油器两腔串油，油压装置油泵起动频繁，耗电量大。
（4）运行中在受油器的上支座内观察到大量的油雾产生，漫至整个发电机层，严重影响其它电气设备的安全运行。
（5） 桨叶接力器活塞严重窜油。
1.2 转轮转桨改定桨的目的
牛栏口电站两台转桨式水轮机受油器两腔串油，油压装置油泵起动频繁, 受油器和油泵电机故障率高,溢油时有发生，油雾严重，严重影响水轮发电机组正常运行,电站年发电量降低。为此电站希望将水轮机转轮由转桨式改为定桨式，减少非计划停运，减少油泵启动次数，保证机组长时间可靠运行。
2 电站水轮机转轮由转桨改定桨技术分析
2.1原水轮机主要技术参数
2.2 水轮机转轮由转桨改定桨分析
（1）转桨与定桨优缺点
轴流转桨式水轮机桨叶由装在转轮体内的操作接力器控制，优点是可按水头和负荷变化作相应调整，可根据不同水头、流量按照最优规律运行，转轮的叶片安放角与活动导叶的开度协联，能在35～100%额定负荷范围内稳定运行，开停机平稳，在整个运行范围内效率较高。缺点是结构复杂，维护量大，易出现漏油、油雾及油泵启动频繁等问题。适用于水头、流量及负荷变化较大的电站。
轴流定桨式水轮机桨叶开度不能改变，优点是结构简单、安装方便、维护量小，不会出现漏油、油雾及油压装置启动频繁等问题。缺点是运行范围相对较窄，能在75～100%额定负荷范围内稳定运行，开停机没有转桨式平稳；偏离工况点效率下降很快。适用于水头、流量及负荷变化较小的电站。
由以上特点可以看出牛栏口电站选型为转桨式水轮机是充分考虑了电站水头变化范围较大（27.5m～39m）的特点的。而是否可以将转桨改为定桨则应由电站实际运行情况确定。
（2）牛栏口电站实际运行情况
牛栏口电站实际投产以来，水头变化并不大，近三年上游大坝水位在515.05～517之间，下游水位在477.37-479.37，毛水头在36.09～38.91m之间，单机组出力在5.0～9.6M之间，但大部分时间运行在7.5MW以上，特别是双机运行时大部分时间机组出力之和在15MW以上。这就为机组转桨改为定桨创造了条件。首先水头变化范围不大，绝对值不到3m，其次机组出力范围可满足GB/T15468-2006《水轮机基本技术条件》中规定的定桨式水轮机稳定运行范围为75～100%的规定。
（3）牛栏口电站转桨改定桨便利性
牛栏口电站上游为藤子沟电站，且两电站均属一个公司，这给水力及电力调度带来了方便。能保证牛栏口电站水轮发电机组所带负荷及上游水位波动不大。
（4）其它电站转桨改定桨成功案例
据调查了解，电站将转桨式改为定桨式运行的成功例子：黑龙江依兰晨光电厂将原来ZZ600-LH-300改为定桨式运行多年，效果良好；重庆城口县白果坪水电站将原来ZZ660b-LH-305改为定桨式运行两年来，效果良好。
（5）牛栏口电站转桨改定桨可行性
由以上分析和运行记录可以看出牛栏口电站多数时间其上游水位为515～517m之间, 下游水位在477.37-479.37m之间，毛水头在36.09～38.91m之间，单机组出力绝大部分时间运行在7.5MW以上，因此水头、负荷较为稳定，可以满足定桨式水轮发电机机组运行条件。通过控制水头和负荷，使定桨式机组尽量在高效率区运行。
2.3 牛栏口水电站水轮机转轮由转桨改定桨后参数
重新按额定水头、额定流量情况下做一个满足额定10.363MW出力的定桨式转轮，其转轮桨叶角度根据ZD450综合特性曲线满足额定出力要求，结合电站长期实际运行记录，转轮桨叶安装角度确定为8o左右，最终桨叶安装角度由现场试验确定。
（1）机组转桨改定桨后各水头下水轮机最大出力如下表
（4）各项振动数据
机组在各种运行工况下（包括甩负荷），机组各部件不产生共振和有害变形。机组运行在出力75-100%额定负荷范围内各项振动数据不会超过国标GB/T8564-2003中对应于250～375r/min的立式机组振动允许值。
（5）汽蚀性能
由于转轮改造前后汽蚀系数相同，因此转轮改造前后汽蚀情况变化不大;轴流式水轮机汽蚀均发生在转轮室的圆周上，汽蚀量不会有大的改变;由于转轮叶片固定,轮毂比小(新作定桨转轮),较转桨式转轮的过流能力有所提高, 汽蚀性能有所改善。
（6）调节品质
根据其他电站经验，定桨运行并不引起调节品质的变坏，如将水轮机桨叶固定到8度不动，进行机组100%甩负荷试验，最大转速上升率和最大压力上升与改造前应基本一至，均应在国标充许范围内。
2.4 转桨改定桨效益分析
（1）减少维护工作量，撤消受油器等桨叶操作机构，减少了检修和调度工作量，减轻了大量的劳动强度。
（2）提高了安全可靠性，由于受油器浮动轴瓦磨损，受油器轴磨损，轴承摆度增大，受油器配压阀套磨损，有时须进行强迫停运来更换盘根和进行受油器维护，避免了由此而降低机组可靠性系数的可能性。
（3）节能降耗明显，油耗大幅减少，调速器压力油槽的油压正常保持在3.8～4.0MPa之间，油泵在油压下降至3.8MPa时起泵，至4.0MPa时停泵，即间歇运行方式保持油压，油泵泵油频率大幅下降；经过定桨改造后,由于调速器压力油仅供水轮机接力器用，因此调速器用油量将大大减少。厂用电也会下降。
（4）另外，撤消了受油器，油耗大幅减少，降低了电站运行为维护成本；同时，调速器油温不再过高，油质得到保证，延长了调速器使用寿命，。
（5）转轮漏油量没有了，减少维护工作量，提高了机组运行可靠性，机组多发电，电站的经济效益得到提高，同时降低了污染，社会效益明显。
2.5 水轮机转轮由转桨改定桨后缺点
运行范围变窄，牛栏口电站转桨运行时其运行范围为3627KW～13583KW,改为定桨式运行时运行范围为7772KW～13583KW. 以上为理论分析结果，在许多电站实际运行中，轴流定桨式水轮机是可以低于75%额定出力运行的，应通过实验最终来确定，电站应充分考虑转桨改定桨后，空载开度明显加大。因桨叶开度大，和导叶不协联。转桨运行时空载开度一般在百分之十几，定桨运行时空载开度在百分之二十以上，有些甚至接近百分之四十。转桨改定桨后，开关机过程出现明显的变化，振摆明显加大。这是轴流定桨式水轮机的共性，开关机过程为机组的过渡过程，通过开机时间优化，振摆可得到改善。
2.6 水轮机转轮由转桨改定桨结论
由于牛栏口电站容量不大,在电网中担任基荷运行，实际运行工况简单，运行记录可以看出牛栏口电站多数时间其上游水位为515～517m之间, 下游水位在477.37-479.37m之间，毛水头在36.09～38.91m之间，单机组出力绝大部分时间运行在7.5MW以上，因此水头、负荷较为稳定，可以满足定桨式水轮发电机机组运行条件。通过控制水头和负荷，使定桨式机组尽量在高效率区运行。把转桨式水轮机改为定桨式水轮机运行,总体出力没有受到影响,不仅减少了大量的检修维护工作,而且提高了机组的安全性、节能降耗明显。因此，转改定是可行的，也是具有较好经济效益的。同时考虑到今后电站水文及负荷变化，降低电站改造风险，应采用可逆式改造。
3 水轮机转轮由转桨改定桨具体方法
水轮机转轮由转桨改定桨具体方法主要有更换新转轮和在现有转轮固定叶片两种办法：
3.1 更换新转轮
转轮体按定桨式轮毂比制作，减小轮毂外径，将桨叶直接焊接在转轮体上，优点是结构简单；缺点是费用较高，改造周期相对较长，为不可逆式改造，将来电站水头、流量、负荷变化较大时，不能适应新变化。
3.2 现有转轮固定叶片
在现有转轮基础上固定叶片是指不更换转轮体，在原操作机构上采取措施将桨叶固定。优点是不动机组流道尺寸及结构，可以通过现场实验来确定桨叶安放角度，对机组效率及稳定运行情况可以通过现场试验提前得知，对电站来说风险小；是可逆式改造，将来电站水头、流量、负荷变化较大时，只需做很小改动就可恢复转桨式运行，能适应新变化。在电站易实施,改造成本低,工期较短。综上所述，采用了第二种方法即现有转轮固定叶片的方法。
3.3 现场试验
（1）试验内容：在现有水头条件下，将机组以协联关系正常开机并带至能带至的最大负荷后，将桨叶固定在7o、8o、9o、10o，调速器桨叶与导叶不协联运行，调节机组导叶开度，使机组出力达到10000kw，记录各数据。在现有水头条件下，将桨叶固定在7o、8o、9o、10o，调速器桨叶与导叶不协联运行，调节机组导叶开度，检测机组稳定运行的低负荷值。在现有水头条件下，将桨叶固定在由上述条件确定的桨叶角度下开机、停机另一台机按以上步骤做相同实验。
两台机同时按定桨方式运行测定机组出力。
（2）试验结论如下:1.牛栏口电站转桨改定桨后，单机、双机出力均比现有协联关系下转桨运行出力大。2.桨叶安放角为7°、8°、9°、10°均能满足单机出力10000kw要求。但明显安放角为7°、8°时机组稳定性要好于9°、10°，稳定运行范围要宽一些，安放角为9°、10°时，出力7500kw机组运行稳定性较差，特别是2号机，故可以排除此两个角度。3.综合以上各数据，我们认为机组桨叶安放角确定在7°到8°之间是比较合理，考虑电站水机更具超发的潜能，我们建议转轮桨叶安放角确定为8°。各项数据在规范范围内，可以满足7500KW-10000KW之间稳定运行。4.机组由转改定后，机组稳定运行范围变窄。但任然满足牛栏口水电站运行要求。
4 电站改造后情况
电站于2017年1月对1号机组实施了转桨改定桨改造，现运行情况良好，出力稳定，各项指标满足规范要求，未出现非计划停运。
5 结束语
通过牛栏口电站转桨改定桨运行结果可以得出结论，对于水头、流量、出力变化不大的转桨式水轮机，改造为定桨式水轮机运行后，运行稳定可靠，减少故障发生，提高经济效益。
参考文献：
[1]单文培.水轮发电机纽及辅助设备运行与维修[M].北京：北京大学出版社，2006，7.
[2]陈锡芳.水轮发电机结构运行监测与维修[M].北京：中国水利水电出版社，2008，6.
[3]谢云敏.水轮发电机组辅助设备及自动化运行与维修[M].北京：中国水利水电出版社，2005，8.
论文作者:罗定旗,唐长秋
论文发表刊物:《防护工程》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/18
标签：电站论文; 水轮机论文; 转轮论文; 机组论文; 桨叶论文; 水头论文; 牛栏论文; 《防护工程》2017年第16期论文;