农村水电站的现状及对水轮机的技术改造

　　摘要：笔者通过近年来对农村小水电机组的接触了解到，不论是已经运行了多年还是近两年新投运的电站机组存在的一些问题进行分析，对农村小电站的发展现状及如何提高机组运行综合性能质量，争取最大发电效益等进行论述，并应积极开展以提高机组运行综合性能质量为主的技术改造工作。

　　关键词：农村水电站,水轮机,技术改造

　　一、前言

　　在农村小型水电站中，水轮发电机组是完成电能生产的关键设备，其运行综合性能质量的优劣直接关系到电站经济效益的好坏和电站能否安全可靠地生产。面对多年来农村水电机组运行中普遍存在的效率低、缺陷多及安全可靠性差等各种问题，小水电站业主须对农村小电站的发展现状及如何提高机组运行综合性能质量，争取最大发电效益等问题有一个明确认识，并应积极开展以提高机组运行综合性能质量为主的技术改造工作。

　　二、农村小水电站的发展现状

　　笔者通过近几年来对农村小水电机组的接触了解到，不论是已经运行了多年还是近两年新投运的电站机组通常都存在以下一些问题:

　　1.电站实际装机容量比根据水文、水能参数确实的装机容量偏小或偏大10%~20%。装机容量偏小情况多发生在20世纪80年代及以前建成的电站，而装机容量偏大多发生在近十年新建的小电站，许多电站机组在多数运行时间里达不到额定出力，电站经济效益和建设投资的回报都不能达到预期目标。

　　2.在农村小电站中，约有近50%的机组为20世纪70~80年代前制造的设备。受当时条件制约，这些机组多数使用前苏联与美国等20世纪40~50年代研制的机型，效率偏低，制造技术落后，总体能量指标较差，致使原来水力效率不高的转轮又偏离高效率区。

　　3.部分老电站由于管理不善，机组在性能和结构方面都已陈旧或带病运行，机组漏水、漏油严重，振动加剧、噪音增大，发电机绝缘老化，事故增多、检修频繁。

　　4.少数电站由于水质条件偏差，长期运行使过流部件磨损，特别是转轮、导叶等关键部件由于空蚀和磨损，叶型遭到破坏，间隙增加而使效率大幅下降。

　　5.目前公开使用的小水电机组产品型号、规格仍然较少且性能落后。自20世纪90年代以来，国家及行业没有及时编制出版新的水轮机选型型谱。多数基层设计者选型设计通常还是采用参照小型厂家产品目录的方法来套用现成机型，很难满足电站实际需要。

　　6.农村小水电机组制造工艺落后、质量差。如水轮机转轮叶片大多仍采用传统的样板法工艺，有些小厂家制造的叶片线型误差大，加工粗糙，光洁度差，造成水流脱流，引起机组振动、空蚀、效率降低，有的转轮效率仅在70%~80%之间。叶片材质还是以碳钢为主，工作寿命不长，遇到运行条件稍差的电站，1~2年就要更换，使用寿命较短。

　　7.水轮机技术改造是一项十分细致、艰辛的工作。就它的核心部件——转轮而言，不仅要求从业者熟知其结构设计、制造过程、材料工艺和被改造电站的运行条件及相关情况，还要求熟知水电站机组的水力选型设计过程、熟知水轮机各种水头段不同转轮的运行综合性能质量，熟知当代水轮机的最新科技进步。目前在农村小水电机组技术改造这个广大的市场中，参与者有中小机组制造厂家、有相关的科研院所及高校、还有以机械制造、维修业为主的私营公司及水轮机厂家的退休人员。

　　三、水轮机转轮优化设计的必要性和可行性

　　1.水轮机转轮针对具体使用条件进行优化设计的必要性。从我国农村小水电的发展现状来看，多数小水电站存在的核心问题主要是长期以来水轮机转轮的设计没有与电站具体使用条件相接轨，通常表现在以下几个方面:

　　(1)水轮机转轮效率低。运行效率是水轮机综合性能质量的重要指标，据统计自20世纪90年代后期，我国大型水电机组的水轮机模型效率普遍达到93%以上，目前则已突破94%，最高的三峡转轮模型效率接近95%。而多数农村小水电机组仍然在重复地使用20世纪50~60年代的老机型，与同期的国内外先进转轮相比，差距很大，模型效率约低5%~10%。造成水力资源的巨大浪费。

　　(2)机组选型不合理。二三十年以前投产的农电机组，受设计条件限制，有些电站选择水轮机与发电机偏于保守，造成水能利用不充分有些电站选择水轮机与发电机容量匹配不当，从而限制了机组出力有些近年新建小电站的业主片面追求低价位，经常选择发电机转速偏高或是水轮机转轮直径偏小，因此造成机组运行性能降低，发电经济效益受到严重损失。

　　(3)机组运行可靠性差。受电站选型设计和不同厂家结构设计制造水平限制，水轮机抗空化、抗磨损、抗振动性能差，经多年运行，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，严重影响机组的可靠运行。

　　(4)水力资源使用条件的变化。一些小型水电站建成后，由于当地水力资源条件或工程施工失误所带来的变化，造成其实际的流量、水头等水文数据与原设计参数有所变化，结果选用的水轮机性能参数与电站实际运行参数不适应，原有转轮运行已大大偏离设计工况，甚至无法正常运行，造成电站经济效益不能充分发挥。

　　众所周知，水轮机转轮是水电站的核心设备。水轮机的水力性能、振动与空化主要取决于转轮哇能，转轮性能对合理开发利用水能、确保电站经济效益等方面有着巨大影响。因此，对运行时间长久和老型号的水轮机转轮的更新改造势在必行。通过对水轮机转轮的“量体裁衣”优化设计，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，最终提高电站的经济效益。

　　2.水轮机转轮针对具体使用条件进行优化设计的可行性。从经济角度分析，开发新电站周期长、投资大，而进行水轮机技术改造由于不需要再建水工大坝等，故投资少，见效快，经济效益很高。一般来说，目前农村小电站的增容或提效改造其单位千瓦投资只占新建电站的25%左右。

　　因此，水轮机转轮针对具体电站的使用条件进行“量体裁衣”式优化设计的改造方式是一种投入少、产出多、效益显著的项目，是提高电站运行可靠性和经济性的最关键措施，已成为许多地方解决能源短缺问题的手段之一。

　　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和机械加工技术等都已取得了很大的发展。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:

　　(1)数值模拟技术。20世纪50年代，混流式转轮的设计基础是假定转轮中的叶片数无穷多，无限薄，这样可将三维流动简化成轴对称流动。自20世纪80年代以后，随着计算机技术和计算流体动力学的迅速发展，水力机械过流部件的三维流动分析及设计和优化算法都有了长足的发展，已成为过流部件水力设计与流动分析的重要工具。

　　在老电站改造中，利用新的软件系统，可以根据电站水轮机的单位转速与单位流量运行范围(由转轮直径、转速、水头及过流量决定)，确定设计最优工况点n110和Q110，在给定的边界条件下，进行转轮(或其他通流部件)的水力设计以设计方案为计算域进行流场计算及水力损失计算，分析转轮区域的流动状态，预估转轮的汽蚀性能及效率水平根据流场和水力损失计算结果及设计者的经验修正水力设计方案逐次逼近直至满足要求，达到了根据电站具体情况“量体裁衣”优化设计的目的。从而取得最佳运行效果和最大经济效益。具有投入低、产出高、见效快的特点。

　　(2)转轮叶片设计新技术。混流式X叶片类型的转轮集高效率、高水力稳定性和抗空蚀、杭泥沙磨损等性能于一体。X叶片转轮设计已在长期实践中得以证明并且近年来通过计算机流体动力学CFD和大量的模型试验得以进一步改进。与常规混流式转轮相比，X叶片转轮均匀的流态和压力分布大大减少了涡流和磨损问题。转轮能在极宽的水头和流量范围内运行而不会产生进口涡流和空蚀。其出口处的特殊几何形状能有效地涤低尾水管压力脉动。目前国内已经有许多大中小电站的混流机组采用了X叶片转轮。

　　(3)叶片模压成形技术。转轮是水轮机的核心部件，转轮制造技术是水轮机制造技术中最复杂的技术之一，因此它的制造质量至关重要，直接影响着转轮的效率、抗空化性能和运行稳定性。过去大多采用铸造方法制造叶片，打磨光滑后与上冠、下环拼焊。该工艺方法缺点很多型线偏差大、表面粗糙、打磨废工、空化性能差，并且叶片经常带有铸造缺陷，容易造成叶片性能变坏。近年来，模压成型技术广泛用于大中水轮机转轮叶片制造，它是一项可以获得叶型准确、铲磨量小、价格适中、生产周期较短的转轮叶片制造技术。制造方法是将叶片母材进行初步加工，然后放在用数控机床铣好的压模内用压力机压型，最后局部修磨和整体抛光。这种方式制成的叶片型线好，材质好，抗空化磨损性能强，效率更易得到保证。

　　(4)叶片数控加工技术。叶片加工过去通常采用“立体样板一铲磨”工艺，这是一种通过投入大量手工劳动力，依据立体样板作为测量工具，把铸件毛坯变成叶片成品的工艺。该工艺存在测量精度差、操作困难和费用高三大缺点。近年来，国内外各大型水轮机制造厂家已取消了传统的立体样板，而采用数控加工技术，该技术是一种通过计算机系统的软件控制机床自动操作完成的一种理想的加工工艺。由于它能把叶片的理论曲面通过数据准确无误地传送到执行指令的操作机构，解决了叶片测量与理论位置的自动找正问题和测点加工余量的自动计算问题，使大型水轮机的叶片制造精度较传统立体样板工艺有了较大提高。如三峡水轮机转轮叶片全部都是采用数控机床加工。

　　(5)三坐标侧控法工艺。这是针对农村小水电机组设计的一种既经济、简单实用，又有较高精度的转轮叶片制造工艺。首先设计专门的工装，将工装置于具有三坐标的撞铣床或摇臂钻床的工作平台上，再将叶片毛坯安放并定位在工装上，利用工装和机床的移动配合，可以检测到叶片正、背面任意位置的空间坐标值。将检测结果直接与叶片型线坐标值进行比较，如偏差值超出标准要求，则在相应位置，用钻头打出相应偏差值深度的孔。再对叶片一进行铲磨至孔深位置，然后再利用机床和工装进行型线检测。每个叶片重复一遍，直至叶片型线满足设计要求。

　　四、结语

　　改造实践表明，由于农村水电站技术改造工作能做到“短、平、快”，因此已成为许多地方提高发电经济效益和解决能源短缺的重要手段之一，而水轮机转轮是水电站的核心设备之一，水轮机转轮综合运行性能质量对合理开发利用水能、提高水电站运行可靠性和经济性方面有着巨大影响。所以，水轮机转轮根据电站具体情况进行“量体裁衣”式的优化设计已成为水电站更新改造的主要任务与关键途径之一。随着现代计算机数值模拟技术、模型测试技术和制造技术的不断进步，为水轮机转轮的优化设计创造便利了条件。因此，应充分利用现代科学技术成果，结合我国目前农村小型水电站的实际情况进行机组特别是水轮机的技术改造。确保农村水电站机组的高性能、高质量和安全可靠运行，以此促进我国小水电事业的健康繁荣发展。

　　参考文献：

　　[1]　水利部. 农村水电技术现代化指导意见[ J ]1中国水利. 总第485期

　　[2] 陈跃飞.水轮机组电气制动停机对扩大单元继电保护的影响.福建电力与电工，2001，21(4)：56，70

《农村水电站的现状及对水轮机的技术改造》

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