探讨水轮机增加容量的改造方法

1水轮机改造

上游水库正常高为384.3m，确定机组设计毛水头为11m，根据电站输水系统水力损失计算，相应的输水系统损失为1.5m，综合确定电站设计水头为9.4m，相应的流量Q=2.10m3/s；按上游设计洪水位减去下游最低尾水位及输水系统的水力损失确定电站最大水头为13m；按上游最低库水位减去下游最高尾水位及输水系统水力损失确定电站最小水头为6m。

方案一：ZD987型转轮模型设计工况效率为89.2%，应用于龙凤水库电站流道，因流道变化，效率约下降0.2%，用ηTmax=1-0.3(1-ηMmax)-0.7(1-ηMmax)·(D1M/D1)1/5·(HM/H)1/10这个公式进行计算，原来的模型效率修正值是-1%，所以真机的效率比模型的效率小1.2个百分点，因此对模型的效率进行-1.2%修正，设计点真机效率为88%。

方案二：K408-01/4型转轮模型设计工况效率为91%，应用于龙凤水库电站，由于流道发生了改变，其效率也随之降低了3.8%，通过计算原来模型效率的修正数值是-0.4%，所以真机的效率比模型的效率小4.2个百分点，因此要把模型效率进行-4.2%修正，设计点真机效率为86.8%。

方案三：ZD660型转轮模型设计工况效率为90%，应用于龙凤水库电站，由于流道改变，其效率也随之降低了2.6%，通过计算原来模型的效率修正值是-0.7%，所以真机的效率比模型的效率低3.3个百分点，因此要把模型效率修正-3.3%，设计点真机效率是86.7%。

方案四：JP502型转轮模型设计工况效率为90.8%，应用于龙凤水库电站，由于流道发生了变化，其效率约也随之降低了3.8%，通过计算原来模型效率修正值是-0.8%，所以真机效率比模型效率小4.6个百分点，因此要把模型效率进行-4.6%修正，设计点真机的效率为86.2%。

方案五：JK508型转轮模型设计工况效率为89%，应用于龙凤水库电站，由于流道发生了改变，效率也随之降低3.8%，通过计算模型效率修正值是-1%，所以真机效率比模型效率小4.8个百分点，因此要把模型效率进行-4.8%修正，设计点真机效率为84.2%。4.3.2空化性能分析对出力有关联的临界空化系数来讲，轮毂体直径和尾水管高度的作用大一些，尾水管高度低，临界空化系数将变小；轮毂体直径大，临界空化系数将变大。在空化系数修正时，把原空化系数乘上1.1为龙凤水库电站转轮的临界空化系数值。

2技术比较

经过五种方案的性能分析我们得出结论，方案五JK508型转轮与方案四JP502型转轮效率偏低，综合指标不符合，流道和ZD661型转轮相差很大，轮毂比，ZD661型转轮轮毂直径为0.24m，JK508与JP502型转轮轮毂直径为0.27m，并过流能力不好，因此不用。方案一ZD987型转轮、方案二K408-01/4型转轮和方案三ZD660型转轮比较，属于目前国内最为先进的转轮。从模型曲线图查到，K408-01/4型转轮最高效率能达到91%，ZD660型转轮最高效率只能到90%，ZD987型转轮最高效率能到89.2%，可K408-01/4型转轮和ZD660型转轮由于流道的偏差导致真机效率均低于ZD987转轮，工况偏差较大，经过综合比较分析，最终选择方案一ZD987作为龙凤水库电站增容改造转轮。

3水轮机安装高程的复核

根据额定水头计算Hs值，并用最大、最小水头校核。Hs值按下式计算：Hs'=Hs+XD1(X取0.41)▽安=Zd+Hs'根据电站水轮机采用不锈钢转轮的要求，经计算最小水头下Hs=+2.98m,设计水头下Hs=+2.86m，最大水头下Hs=+3.86m考虑一定余量，电站最低尾水位373.3m，计算水轮机的安装高程（导叶中心）为376.41m，高于原有水轮机安装高程（导叶中心）的375.56m，说明本转轮的汽蚀性好，综合确定水轮机的安装高程（导叶中心）取与原机组相同，即为375.56m。

3.1改造后的主要参数

水轮机参数：型号ZD987-LH-60，转轮直径0.6m，额定水头9.4m，额定流量1.99m3/s，额定转速750r/min，飞逸转速1560r/min，额定效率88%，最高效率88.2%，吸出高度2.014m。发电机参数：型号SF150-8/740，额定容量150kW，额定功率161.8kW，额定电压0.4KV，额定功率因数0.8，额定转速750r/min。

3.2水力过渡过程计算

本电站三台机组合用一根引水管，按三台机组同时甩负荷考虑。当额定水头Hr=9.4m、P=150kW时，Q=2.1m3/s，∑LV=494.53m2/s，导叶分段关闭时间Ts1=5s,Ts2=10s，分段点为导叶全开度的50%，甩三台机组全负荷，机组最大速率上升βmax=24%，蜗壳进口压力相对于额定水头上升43.2%，蜗壳承压13.1m，尾管进口真空度为3.6m水柱。当最大水头Hmax=13m、P=150kW时，Q=1.62m3/s，∑LV=381.49m2/s，导叶分段关闭时间Ts1=5s,Ts2=10s，分段点为导叶全开度的50%，甩二台机组全负荷，机组最大速率上升βmax=18.5%，蜗壳进口压力相对于额定水头上升38.5%，蜗壳进口承压15m，尾管进口真空度为3.1m水柱。根据《小型水力发电站设计规范》（GB50071-2002）规范要求，水轮机蜗壳最大允许压力上升率不得大于70%，机组额定出力甩全负荷时，最大转速上升率不宜大于50%，本计算结果均满足规范要求。

4结论

水库电站水轮机增容改造是在保持原有流道及部分参数不变的情况下，通过采用先进的结构设计，提高了水轮机效率及过流量，增加了水轮机出力。经过计算分析后确定的增容改造方案，不仅是可行的，而且是稳妥可靠的。该电站通过改造，使机组消除了安全运行隐患，到达增容增效安全稳定运行的目的。

作者：鞠万昌 杨雷 单位：吉林省水利水电勘测设计研究院