摘要：列舉了小型水電站機組運行中存在的問(wèn)題，根據技改工作實(shí)踐，提出了做好水電站的技術(shù)改造工作必須注意的幾個(gè)問(wèn)題，強調要做好技術(shù)改造設計，機組增容改造時(shí)一定要重視輸水系統的核算，并抓住水輪機的改造。

　　關(guān)鍵詞：小型水電站水輪機技術(shù)改造設計調研報告綜述

　　1、前言

　　我國農村小水電資源豐富，可開(kāi)發(fā)量達71870MW，分布在全國1500多個(gè)縣（市）。到2001年底，已建成農村水電站4萬(wàn)余座，裝機容量達28790MW，占全國農村水電資源可開(kāi)發(fā)量的40％，其中運行30年以上的小水電站的裝機容量1530MW，運行20年以上的小水電站裝機容量7570MW，分別占已建成的小水電站總裝機容量的5.3％和26.3％。這些小水電站的特點(diǎn)是：裝機容量�。ù蠖嘣�500kW～3000kW以下），臺數多，技術(shù)落后，效率低，制造質(zhì)量差，安全生產(chǎn)隱患多。有的已經(jīng)改造或停運，有的正在改造，更多的則急需進(jìn)行技術(shù)改造。

　　為了宏觀(guān)指導小型水電站的技術(shù)改造工作，包括立項，改造設計（咨詢(xún)），施工，驗收和管理，使之更加科學(xué)化、規范化，水利部于1997年發(fā)布了行業(yè)標準SL193－97《小型水電站技術(shù)改造規程》。近幾年來(lái)，各地在小型水電站技術(shù)改造工作中取得了一定成績(jì)，但還存在一些問(wèn)題�，F就筆者在規程編寫(xiě)調研和實(shí)際工作中遇到的一些問(wèn)題談一些體會(huì )。

　　2、認真總結，摸清問(wèn)題

　　許多小型水電站經(jīng)過(guò)10年、20年甚至30年的運行，積累了許多運行檢修方面的寶貴資料，但是由于人員的變動(dòng)等多方面的原因，許多圖紙（設計及設備）殘缺不齊，甚至機組上的標牌都已丟失，因此，技術(shù)改造前原始資料（包括水文、工程設計、設備及機組運行檢修記錄等）的收集、分析總結十分重要，這是做好技術(shù)改造工作的前提。

　　早期建成的小型水電站，機組運行中常常遇到以下問(wèn)題：

　　2.1水輪機主要性能參數（N、H、Q）與電站實(shí)際運行參數不匹配

　　1）70年代以前建成的一些小型水電站，由于當時(shí)、當地的客觀(guān)條件，存在“有窩找機”或“有機找窩”現象，致使機組參數與電站實(shí)際參數不符。

　　2）我國早期編制的水輪機模型轉輪型譜中可供各水頭段選用的轉輪型號少，不少小型水電站只能“套用”相近轉輪，因而機組偏離電站實(shí)際運行參數。

　　3）對小型水電站水輪機選型設計，有的地方管理部門(mén)不太重視，有的設計單位也不夠認真或水平不夠，因而使一些水電站的水輪機轉輪直徑或額定水頭或額定轉速選擇不當，造成機組性能參數與電站實(shí)際運行參數不匹配。

　　4）有些小型水電站建成后，其實(shí)際的來(lái)水量或水頭等水文數據與設計資料不符或者缺少必要的水文資料，以致選用的水輪機性能參數與電站實(shí)際運行參數不適應。

　　以上4種情況中的任何一種都會(huì )導致水輪機處于非最優(yōu)工況區運行，造成機組運行效率低，耗水量多，振動(dòng)及噪聲大，發(fā)電損失多，甚至水輪機使用壽命大大縮短。

　　2.2水輪機性能落后，技術(shù)陳舊，制造質(zhì)量差

　　我國1964年頒布的水輪機模型轉輪系列型譜中的ZZ600、ZZ460、ZZ587、HL365、HL123、HL702、HL638等型號的水輪機轉輪有的至今仍在服役。這些轉輪相當于國外上世紀30年代～40年代的技術(shù)水平，其主要性能指標（單位流量Q11，單位轉速n11及模型效率ηm都比較低。

　　有些小型水電站的水輪機加工質(zhì)量差，缺陷多，久修不愈，長(cháng)期帶病運行，出力不足，安全可靠性差。水輪機處在低效率、常發(fā)病條件下運行是不安全、不

　　經(jīng)濟的。

　　2.3多泥沙河流上的水輪機磨蝕破壞嚴重

　　據不完全統計，我國小型水電站中，約有1／3的水輪機存在空蝕和泥沙磨損問(wèn)題，有些水輪機的大修間隔不到一年，導水葉和水輪機進(jìn)水閥嚴重漏水，有的甚至難以正常開(kāi)、停機。有的水輪機轉輪葉片發(fā)生嚴重裂紋或斷裂，不能保證安全運行。

　　2.4水輪發(fā)電機絕緣老化，推力軸承燒瓦

　　有些小型水電站的水輪發(fā)電機因運行年代長(cháng)，定子、轉子的絕緣已嚴重老化，容易引發(fā)接地故障，威脅機組安全運行。由于制造或安裝質(zhì)量較差，水輪發(fā)電機的推力軸承可靠性低，常導致燒瓦事故。

　　2.5水輪機與電氣設備不配套

　　有些小型水電站水輪機的輸出功率大于發(fā)電機或主變壓器的額定容量，形成“大馬拉小車(chē)”，使水電站的設計出力受到限制，發(fā)電時(shí)出現不正常的棄水現象。也有的水電站發(fā)電機容量大于水輪機出力，形成“小馬拉大車(chē)”，既浪費了設備容量，也增大了運行損耗。因此，小型水電站在進(jìn)行技術(shù)改造前，必須查清存在哪些問(wèn)題，包括實(shí)際運行時(shí)的水頭、來(lái)水量、棄水量、機電設備狀況、水工建筑物及金屬結構運行狀況等，只有徹底摸清問(wèn)題，才能有針對性地進(jìn)行技術(shù)改造，取得實(shí)實(shí)在在的改造成果。 3優(yōu)化設計，獲取最大的經(jīng)濟效益

　　為了做好小型水電站的技術(shù)改造，一定要委托有資質(zhì)的單位進(jìn)行技術(shù)咨詢(xún)并做到優(yōu)化設計，還要請專(zhuān)家對改造設計方案進(jìn)行審查，因為一個(gè)好的設計方案，可以出水平出效益，反之，不重視設計，容易出庇漏而造成不必要的返工和經(jīng)濟損失。例如，浙江橫錦水庫一級水電站，裝機容量2×3000kW，擬增容至2×4000kW，委托中國水利水電建設工程咨詢(xún)渤海公司承擔技術(shù)咨詢(xún)，優(yōu)選了主機設備和制造廠(chǎng)家，不僅采用了國內最新技術(shù)產(chǎn)品，而且為業(yè)主節省了機組設備投資108.2萬(wàn)元，占合同總價(jià)的15.7％。

　　小型水電站的技術(shù)改造，必須貫徹“四性”原則，即先進(jìn)性、合理性、經(jīng)濟性和特殊性。應該針對各個(gè)水電站的具體情況，因地制宜，進(jìn)行優(yōu)化設計。所謂先進(jìn)性就是要擇優(yōu)選用一個(gè)性能先進(jìn)、技術(shù)成熟的好轉輪和配套性能先進(jìn)、運行可靠的水輪發(fā)電機及其輔助設備；合理性就是要緊密結合和妥善處理本電站的不可變更或不宜變更的制約條件；經(jīng)濟性就是要在有限的投資情況下，盡量增加年發(fā)電量，提高水電站的經(jīng)濟效益；特殊性就是特殊問(wèn)題用特殊辦法處理。例如，針對多泥沙河流上運行的水輪機，既要改善其運行特性，又要采取抗泥沙磨損的綜合治理措施，延長(cháng)水輪機的使用壽命，只有全面考慮才能較好地達到先進(jìn)性、合理性和經(jīng)濟性。多數小型水電站的技術(shù)改造以水輪發(fā)電機組的改造為主。在技術(shù)改造設計中，一般采取以下幾種方式：

　　1）對于水頭、流量與原設計變化不大，而水輪機設備陳舊、性能落后的水電站，可采用更新改造或增容改造方式。選用該水頭段導水葉相對高度bO相同或相近的新型轉輪，如無(wú)合適的新型轉輪，則應重新（或改型）設計轉輪，或者改進(jìn)過(guò)流部件型線(xiàn)與結構。其目的在于提高水輪機的運行效率，增容，增加年發(fā)電量。例如，北京西郊門(mén)頭溝軍莊水電站，裝有6臺ZD760－LM－100型機組，單機額定出力125kW，實(shí)發(fā)100kW，采用優(yōu)化設計的三葉片轉輪后，單機出力提高到180kW，比原設計提高44％，比改造前提高80％。

　　2）對于水頭、流量比原設計減少了的水電站，宜采取減容改造方式。即根據水電站的實(shí)際運行水頭和流量，降低水輪機的額定水頭，減小額定輸出功率，選用合適的新型轉輪或重新設計轉輪，其目的是將水輪機調整到最優(yōu)或較優(yōu)工況區運行，以提高其運行效率，增加年發(fā)電量。例如，山西省靈邱縣北泉水電站，裝機2×1250kW，水輪機型號為HL702－WJ－71（H＝42m，Q＝3.62m³/s），枯水期實(shí)際電站平均流量?jì)H2.3m³/s，一臺機也只能帶400kW～600kW，因此，專(zhuān)門(mén)為枯水期配制了一個(gè)轉輪，額定出力800kW，投運后出力反而比改造前增加200kW，多發(fā)電效益十分明顯；又如江西省新余市江口水電站，原設計水輪機型號為ZD587－LH－330（H＝19.5m，Q＝54.7m³/s，N＝8800kW），電站實(shí)際運行水頭僅17m，機組只能發(fā)7800kW，水輪機型號改用ZD105－LH－330后，單機出力提高到9000kW，增容15％。

　　3）對于水頭、流量比原設計增大了的水電站，應采取增容改造方式。應根據電站實(shí)際運行水頭和流量增大的具體條件，提高水輪機的額定水頭，加大額定輸出功率，選用合適的新型轉輪或者重新設計轉輪，其額定轉速應結合水輪發(fā)電機的改造方式確定，最終應使水輪機在較高效率區運行。這樣既加大了

　　單機容量又提高了水輪機的運行效率，電站年發(fā)電量也有較大增加。例如，廣西靖西縣坡卅一級水電站，裝機2×500kW，原設計水輪機型號為HL300－WJ－50（H＝35m，Q＝4m³/s），而電站實(shí)際運行水頭達40m，故將水輪機型號更換成HL240－WJ－50，每臺機的出力提高90kW，增容18％；又如浙江省諸暨市石壁水庫電站，裝機容量1460kW（2×630＋1×200），電站結合保壩工程，將土壩加高7.5m，增設溢洪道，提高了運行水頭，故將原HL123－WJ－71型水輪機改為HL123－WJ－74型（轉輪直徑增加3cm），單機容量由630kW增加到800kW，增容27％，對水輪機尾水管和后蓋板也進(jìn)行了技術(shù)處理，還更換了發(fā)電機定子和轉子繞組并提高了絕緣等。

　　以上1）、3）兩種情況，當水輪機功率確定之后，都需要為其配套相應功率的水輪發(fā)電機。對輔助設備也要進(jìn)行核算，以決定是否更換。

　　4）對于多泥沙水電站，應考慮泥沙磨損問(wèn)題，應采用與抗磨措施相結合的改造方式。改造設計中應根據水輪機的過(guò)機含沙量，泥沙中值粒徑d50及泥沙礦物成份等條件，選用單位轉速n11相近或略低，單位流量Q11適當減小，模型空化系數σm適當降低，模型效率ηm較高的新型轉輪；并合理加大導水葉分布圖相對直徑DO，改進(jìn)導水葉型線(xiàn)，降低和勻化導葉區流速；同時(shí)從結構設計工藝、材料和保護涂層等方面采取抗磨措施，以保證水輪機的安全運行，延長(cháng)其使用壽命，最終達到更新改造或增容改造的目的。例如云南元江縣中河底一級水電站，裝機容量4×1000kW，水輪機型號HL220－WJ－50，Hr＝60m，Qr＝2.23m³/s，實(shí)測最大過(guò)機含沙量174kg/m³，泥沙中值粒徑d50＝0.45mm，石英含量高，水輪機過(guò)流部件磨損十分嚴重，且發(fā)不到額定出力，大修周期不到一年。技術(shù)改造措施：（1）按枯水期和渾水期不同泥沙條件分別設計制造2個(gè)HL220改進(jìn)型轉輪；（2）改進(jìn)水輪機結構并采取多種抗磨措施（包括采用優(yōu)質(zhì)材料）；（3）開(kāi)發(fā)了尾水能量回收裝置，回收利用2m尾水跌水落差。經(jīng)改造后的1號機，出力由原不到1000kW增加到1150kW以上，大修周期延長(cháng)到3年，經(jīng)濟效益十分顯著(zhù)。

　　除以上4種情況外，對“大馬拉小車(chē)”的水電站，可以單獨改造水輪發(fā)電機，為提高絕緣等級或改進(jìn)通風(fēng)系統等實(shí)現增容，必要時(shí)可重新設計制造新的水輪發(fā)電機。主變容量不足可換用新變壓器，舊變壓器仍可用于其他水電站。至于“小馬拉大車(chē)”的水電站，若水輪機采取改型亦無(wú)增容的可能，則暫按現狀運行，待日后再更新。

　　4、要重視輸水系統的核算

　　在小型水電站增容改造中，有一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節需要慎重對待，即水輪機輸水系統。尤其是一管多機的引水式壓力輸水系統，應當從水力和調節保證參數兩個(gè)方面進(jìn)行核算。水力核算即是對水輪機輸水系統的過(guò)流量和水頭損失的數值關(guān)系進(jìn)行核算，并繪制水頭損失與流量關(guān)系曲線(xiàn)Δh＝f（Q），以分析選定最大允許的水輪機額定水頭和設計引用流量。

　　調節保證核算就是從機組運行特性和輸水系統水力特性?xún)煞矫鎭?lái)核算機組運行的過(guò)渡過(guò)程中可能發(fā)生的最大水壓力和最大轉速升高值，并檢查前者是否在水輪機輸水系統設計水壓力的范圍內，以研究和確定采取加固補強措施的合理性和可能性。

　　總之，水輪機輸水系統的最大過(guò)流量和水頭損失及其所能承受的最大水壓力，是制約水輪機增容的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節，不可忽視。否則，會(huì )影響技術(shù)改造的經(jīng)濟效益和安全運行。例如，廣東大隆洞水電站，水頭8m～25m，原裝有1臺軸流轉漿式水輪發(fā)電機（德國進(jìn)口）。水輪機型號MK141/L，額定水頭20m，額定流量12m³/s。發(fā)電機型號為SM14/220－32，額定功率2000kW.電站為利用洪水期的棄水增加年發(fā)電量，于1980年在原壓力引水總管上接分岔管，并在原廠(chǎng)房左岸擴建2臺800kW軸流定漿式水輪發(fā)電機組（水輪機型號ZD661－LH－120，Hr＝12.9m，Qr＝8m³/s）。技術(shù)改造后曾多次在洪水期做試驗，在額定水頭下，單機運行時(shí)均可達到額定功率。但在3臺機同時(shí)運行時(shí)，導水葉開(kāi)度100％時(shí)，原2000kW機只能發(fā)1150kW，新裝的1號機只能發(fā)600kW，而2號機只能發(fā)550kW，3臺機總共才能發(fā)2300kW，比原1臺機時(shí)只多發(fā)300kW，比增擴的2臺機（1600kW）少1300kW很明顯，由于該電站原輸水系統最大過(guò)流能力Qmax和水頭損失Δhmax的限制，因而造成洪水期3臺機出力受阻，這個(gè)教訓值得其他水電站參考吸取。

　　5、增容改造必須分清主次

　　由于水輪機和發(fā)電機是兩個(gè)不同范疇的對象，其技術(shù)發(fā)展階段不同；也由于水輪機在水輪發(fā)電機組中處于原動(dòng)機的地位，故水輪機運行效率高低影響顯著(zhù)；水輪機的選型技術(shù)難度較大，影響參數也多，在水電站實(shí)際運行中出現的問(wèn)題也比較多，這是符合客觀(guān)規律的。因此，要求在小型水電站的增容改造中，必須分清主次，首先要抓住水輪機的改造，從而帶動(dòng)水輪發(fā)電機和整個(gè)水電站機電設備及水工金屬結構的技術(shù)改造，這是應當遵循的原則。

　　6、一定要重視竣工驗收

　　為了檢驗小水電機組增容改造成果，對單機容量5MW及以上的水輪機，應作技改前后性能對比測試；為保證技改工程質(zhì)量，一定要做機組起動(dòng)驗收，起動(dòng)驗收合格后才能進(jìn)行試生產(chǎn)運行；只有經(jīng)過(guò)試生產(chǎn)運行合格并且遺留問(wèn)題都已處理完畢，才能最終進(jìn)行改造工程的竣工驗收，確保長(cháng)期高效安全運行。