蚌埠閘水電站水輪機轉(zhuǎn)輪改造應(yīng)用分析

張文斌

（安徽省蚌埠閘工程管理處，安徽 蚌埠 233000）

蚌埠閘水電站建成于20 世紀80 年代末，作為當前農(nóng)村小水電站一個典型代表，近幾十年的運行不僅增加了地方財政收入，又造福了當?shù)鼐用?。但由于建成年代早，運行時間長，在多輪大修過程中均發(fā)現(xiàn)水輪機轉(zhuǎn)輪存在空蝕、裂紋問題，雖經(jīng)一定程度處理，效果仍不理想，嚴重制約了機組效率發(fā)揮并且存在一定的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計，截至2021 年底我國已建成小水電機組45 000 臺，總裝機容量達6 500 萬kW，年發(fā)電量2 000 億kW·h，很好地補充了我國電能供應(yīng)，然而相當一部分電站同樣屬于早期建成，或多或少存在類似現(xiàn)象，因此通過加強新技術(shù)、新材料應(yīng)用，改善技術(shù)裝備水平，為同行業(yè)提供相關(guān)經(jīng)驗參考。

1 項目概述

1.1 水電站概況

蚌埠閘水電站是蚌埠閘水利樞紐工程組成部分，其基礎(chǔ)部分于1958 年與節(jié)制閘同步施工，廠房及機電設(shè)備安裝續(xù)建于1984 年，1987 年6 臺機組全部投產(chǎn)，為河床式低水頭水電站。裝機容量6×800 kW，多年平均年發(fā)電量2 800 萬kW·h，截至2022 年底累計發(fā)電10 億kW·h，是皖北地區(qū)唯一一座水力發(fā)電站，為地方經(jīng)濟發(fā)展作出了重要貢獻（表1）。

表1 電站機組現(xiàn)狀參數(shù)

1.2 存在的問題

1）在2014 年實施的增效擴容改造中，通過對發(fā)電機定、轉(zhuǎn)子線圈等進行改造，發(fā)電機容量增至1 250 kW，但水輪機主要部件尤其是轉(zhuǎn)輪未進行改造，在額定水頭和高水頭工況下，雖然發(fā)電機具備了1 250 kW 的能力，但水輪機出力達不到與之匹配的出力，效益發(fā)揮不明顯。

2）由于水輪機已運行多年，存在葉片及轉(zhuǎn)輪體空蝕、磨損嚴重及葉片裂紋現(xiàn)象，歷年來在機組A 級輪修中對其補焊后，轉(zhuǎn)輪靜平衡和動平衡性能都變差，既降低了水輪機的運行可靠性和出力，也加劇了水輪機導(dǎo)軸承的磨損。同時，現(xiàn)狀的水輪機設(shè)備為二十世紀七八十年代產(chǎn)品，與當今的技術(shù)水平及生產(chǎn)工藝相比，水輪機的水力性能有一定的提升空間。

2 轉(zhuǎn)輪改造基礎(chǔ)參數(shù)

現(xiàn)水輪機型號為ZD760-LH-250，額定水頭4.1 m，額定出力890 kW；增容擴效時水輪機額定水頭定為4.7 m，額定出力為1 090 kW。由于本次改造僅對水輪機轉(zhuǎn)輪進行更新改造，發(fā)電機等相關(guān)設(shè)備及水輪機其他部件均保留，因此機組主要結(jié)構(gòu)尺寸也均維持不變，故轉(zhuǎn)輪改造的基礎(chǔ)參數(shù)為：額定水頭為4.7 m，轉(zhuǎn)輪直徑為Ф2 500 mm，額定出力為1 090 kW（表2、表3）。

表2 電站水位特性指標

表3 轉(zhuǎn)輪改造基礎(chǔ)參數(shù)對比表

3 轉(zhuǎn)輪改造說明

3.1 轉(zhuǎn)輪選擇

經(jīng)初步分析比選并結(jié)合現(xiàn)有水電設(shè)備制造商反饋信息，本次改造擬采用ZD987-35（ψ=12°）、ZD410（ψ=10°）、ZDT03-43（ψ=25°）3 個性能相對較優(yōu)且適合本站的轉(zhuǎn)輪模型，并據(jù)此在同一標準上對3 個方案進行比較，真機效率均按1%進行修正（表4）。

表4 水輪機真機參數(shù)比較表

由表4 可知，3 個方案的性能及參數(shù)均能滿足本次改造要求，從能量指標比較，方案1 在最小水頭工況、額定水頭工況下效率均較高。

3.2 型號確定

經(jīng)對照3 個方案的運行范圍圖，方案1 中水頭達到4.55 m 以上時，水輪機即可達到額定出力1 090 kW，滿足本次改造要求的4.7 m 額定水頭。當水頭達到5.6 m以上時，發(fā)電機1 250 kW 容量可得到充分利用。方案2、方案3 的實際額定水頭為4.6 m，雖也能滿足本次改造對額定水頭的要求，但方案1 整個運行范圍內(nèi)的加權(quán)效率相對更高些。綜合比較，方案1 各工況點的水輪機出力性能指標相對更優(yōu)，因此最終確定選擇轉(zhuǎn)輪型號ZD987-35（ψ=12°）進行改造（表5）。

表5 轉(zhuǎn)輪改造主要確定參數(shù)

3.3 改造技術(shù)要求

本次改造是對轉(zhuǎn)輪進行整體更換（主軸繼續(xù)利用），在機組A 級檢修期間同步完成，因此拆機后轉(zhuǎn)輪制造廠商在生產(chǎn)前須到現(xiàn)場測量復(fù)核輪轂與主軸聯(lián)接面相關(guān)尺寸、葉輪外殼各主要斷面尺寸，以便新轉(zhuǎn)輪與現(xiàn)有設(shè)備之間良好匹配。

3.3.1 轉(zhuǎn)輪

1）材質(zhì)：轉(zhuǎn)輪葉片采用ZG06Cr13Ni4Mo，輪轂采用ZG310-570 碳鋼鑄造，聯(lián)軸螺栓采用45#鍛鋼制作，成型后發(fā)藍處理。

2）強度和剛度：能夠承受任何作用在轉(zhuǎn)輪上的最大水壓力、離心力和壓力脈動，退役前在周期性變動負荷作用下不發(fā)生任何裂紋和斷裂或有害變形。在飛逸轉(zhuǎn)速工況下，槳葉、輪轂的材料應(yīng)力不得超過材料屈服強度的2/3。

3）槳葉：葉片內(nèi)端側(cè)加工成與輪轂良好配合的球形，并把輪轂與葉片的間隙減至最小。最重葉片與最輕葉片的重量差不超過最輕單個葉片的4%，葉片設(shè)置防空蝕裙邊。

3.3.2 質(zhì)量要求

1）葉片和輪轂鑄造質(zhì)量按CCH 70－3：1996《水力機械鑄鋼件檢查規(guī)范》規(guī)定進行無損探傷質(zhì)量檢查。槳葉葉片加工前后均應(yīng)酸洗，探測氣孔，所有氣孔均應(yīng)鏟除和修復(fù)，成型葉片無空穴、凹陷、裂縫或凸出物。

2）嚴格控制加工精度、尺寸公差和熱處理工藝，轉(zhuǎn)輪應(yīng)在車間內(nèi)作靜平衡試驗，不允許在輪轂的外側(cè)過流表面作偏心切割，為平衡用的配重塞孔不得靠近過流表面。出廠前必須對水輪機主要部件進行試驗和檢查。

3）轉(zhuǎn)輪裝配的所有螺栓和銷子，要有防止由于運行時振動及其他原因引起松動的措施。

3.3.3 質(zhì)量保證

1）保證新轉(zhuǎn)輪在一個大修周期8 年內(nèi)不產(chǎn)生裂紋。

2）在表1 規(guī)定的運行水頭條件下，負荷在75%～100%額定出力范圍內(nèi)水輪機均可穩(wěn)定運行。

3）頂蓋垂直振動和水導(dǎo)擺度應(yīng)符合GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》及有關(guān)安裝技術(shù)標準。

4 改造后的效果

4.1 質(zhì)量檢測

2022 年6 月，蚌埠閘水電站對1#機組水輪機轉(zhuǎn)輪進行了改造。通過對轉(zhuǎn)輪體、葉片進行焊縫探傷檢測，對葉片進行液體滲透探傷檢測，均符合規(guī)范要求。對各葉片進行稱量，最重葉片與最輕葉片重量差為3 kg，小于最輕單個葉片的4%要求。對轉(zhuǎn)輪進行靜平衡試驗，在Ф875 mm 處不平衡量27 g，小于規(guī)范170 g 要求。制造用不銹鋼ZG06Cr13Ni4Mo 材質(zhì)、Q235 材質(zhì)、ZG310-570 碳鋼材質(zhì)均為合格產(chǎn)品。

4.2 試運行情況

2022 年9 月，新轉(zhuǎn)輪安裝、調(diào)試完成后，結(jié)合1#機組A 級檢修進行了充水、建壓、并網(wǎng)、甩負荷等工作，開始72 小時試運行。試運行期間，1#機組導(dǎo)葉開度在63.5%～65.3%時出力達到1 100 kW（與其他未改造機組對比，下同），同等出力導(dǎo)葉開度少開約3.6%，同等開度出力增加約100 kW。水輪機額定工況效率由原來的83.5%提高至90.1%，其他各工況點的效率也均有不同程度提高。在水頭達到4.55 m 時，即可發(fā)出1 000 kW（本站運行時間較長時出力），水頭達到5.6 m 時，機組可發(fā)出1 250 kW。機組振動、擺度、噪聲等均符合相關(guān)要求和規(guī)范。

5 結(jié)束語

蚌埠閘水電站1#機組水輪機轉(zhuǎn)輪改造是非常成功的，不僅提高了機組出力，而且消除了老舊轉(zhuǎn)輪存在的安全隱患，大修周期也能得到適當延長，后期結(jié)合機組輪修將繼續(xù)采取該方案對其他機組水輪機轉(zhuǎn)輪進行改造。鑒于全國早期建設(shè)的小水電站數(shù)量比較多，或多或少也存在此類問題，希望本成功經(jīng)驗?zāi)転橥刑峁┮恍┧悸泛屯緩?，共同推動小水電事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。