中小型水电站水轮机转轮改型设计的必要性和可行性

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1、中小型水电站水轮机转轮改型设计的必要性和可行性　　建国以来，我国水电建设取得了巨大成就，据统计我国常规水电装机容量已达到7700×104kW，其中，中小型水电站×104余座，拥有机组7×104余台，总装机容量达2020×104kW，有近一半为50～60年代制造的设备[1].由于当时条件限制，这些电站的水轮机多数是应用前苏联40～50年代的技术，制造技术落后，效率较低，过流能力差，总的能量指标偏低。加上大部分国产机组生产于特殊年代，不按电厂各种条件而硬性套用定型图纸，或仅按模型试验的特定角度硬性规定设计，致使原来水力效率不高的转轮又偏离了高效率区。还有性能指标较低，如高

2、效区狭小、振动区范围大、空化性能差等，对机组的安全稳定运行产生了严重的影响，很大程度上降低了电站设备的运行管理水平和效益。　　另外，由于大部分电站已运行了三四十年，机组设备在性能和结构方面都已陈旧、事故增多、检修频繁。长期运行已使过流部件磨损，特别是转轮、导叶等部件由于空蚀和磨损，叶型遭到破坏，间隙增加而使效率下降。根据国外有关资料介绍，效率下降约为2％。特别是有些电站或由于当年是套用机组，或由于电站参数发生变化，使机组长期在低效率下运行，浪费能源，亟待早日解决。与此形成鲜明对比的是，近年来，随着国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，电力负荷峰谷差愈来愈大，增大中小

3、型电厂在电网系统中的调峰、调频能力也愈显重要。而电力系统越来越多地要求水电机组特别是中小型水电机组担负调峰、调频和事故备用任务，这样就增加了机组启动、停机次数，致使水轮机部件动载荷增加，运行条件变得苛刻，对那些设备陈旧的老电站，担负这样任务显然力不从心。同时，近几年大电网对地方电网实行峰谷差价和峰电超计划加价政策，让电网中调节性能较好的水电站实行顶峰发电，多发电必将会显著提高地方电网的负荷率和经济效益。　　水轮机转轮改型的必要性　　从我国水电事业的发展现状来看，大批水电站存在的主要问题及产生的严重后果主要是长期以来水轮机转轮的设计制造与使用条件相脱节，主要表现在下面几

4、个方面[2]：　　水轮机转轮效率低。水轮机效率是水轮机性能的重要指标，据统计从50年代至今，水轮机效率每10年提高一个百分点，我国有一大批机组水轮机转轮系国内50、60年代产品，与90年代国内外先进转轮相比，差距很大，真机效率约低2％～5％以上。造成可利用能源的巨大浪费。　　水轮机与水轮发电机选型不合理。“六五”以前安装的水轮发电机组，由于设计条件限制，有些电站选择水轮机与发电机偏于保守，使水能不能充分利用，有些电站选择水轮机与发电机容量匹配不当，从而大大限制了机组出力。　　水轮机运行可靠性差。水轮机受当时设计、制造水平限制，水轮机抗空化、抗磨损、抗振动性能差，经几十

5、年运行，一些机组空化、磨损、振动严重，运行条件恶劣、事故隐患不断增加。严重影响水轮机的可靠运行。　　自然条件的变化。近年来随着经济的发展，有些电站的上游大力发展耗水量较大的农业企业，工农业用水量突飞猛进。另外，随着人们生活质量的提高，生活用水、环境用水、生态用水等过去设计电站时忽略的部分消耗也一天比一天增多。这样部分水轮发电机组经几十年投运，上、下游水位已发生较大变化，原有转轮运行已大大偏离设计工况，甚至无法正常运行。　　综上所述，80年代以前建设的一大批电站，由于机电设备落后，技术老化，机组设计水平低，制造工艺差，技术参数低。以及部件老化机组出力受阻和自然条件的变化

6、，已不能充分利用已开发的水力资源，从而造成水力资源的再度浪费。再加上电网调峰的迫切需要。如何提高已开发的水力资源的经济效益和社会效益成为许多老水电厂面临的重大课题。　　众所周知，水轮机转轮水电站的核心设备。水轮机的水力性能、振动与空化主要取决于转轮性能，转轮性能的优劣对合理开发利用水能、保证电网可靠性方面有着巨大影响。因此，对老的水轮机转轮的更新改造势在必行。通过对水轮机转轮的改型，可提高机组效率，增加电站容量，改善机组运行的安全稳定性。　　水轮机转轮改型的可行性　　首先，从经济的角度分析，开发新电站投资大、周期长，而进行水轮机转轮的增容改造由于不需要再建大坝等水工建

7、筑物，故投资很少，见效很快，经济效益很高。一般认为，对老电站的增容改造其单位千瓦投资要比新建电站低2/3以上[3].　　因此，水电站水轮机转轮的改型是一项投入少产出多效益显著的项目，是提高水电站运行可靠性和经济性的最主要方向，已成为许多国家解决能源短缺问题的手段之一。　　其次，从技术上来说，近年来计算机与计算技术、流体机械三维流动分析与设计理论、通讯与传感器技术、现代控制理论和机械加工技术等都已取得了很大的进步。使得现代转轮的设计、测试和制造方面都取得了长足的进步。这些新的技术主要表现在：　　数值模拟技术。五六十年代，混流式转轮的设计基础是本世纪初罗