晏峻峰

(喀什地区水利水电勘测设计院，新疆喀什844000)

1 概述

新疆疏附县吾库沙克水电站始建于1976年，至今已运行了26 a。是利用下游灌溉用水进行发电的径流式水电站，原设计电站引用流量为26 m3/s，设计水头14.5 m，安装容量3×800 kW，目前实际安装2×800 kW，安装在2#、3#机坑内，1#机坑目前空缺。厂房内安装 2台 ZD661—LH—120、TS215/21—14型水轮发电机组。建站26 a来，由于ZD661型水轮机国家已淘汰，生产厂家不再生产，过流部件经多次大修已无法恢复到原有的流线形和安装尺寸，造成机组出力下降，检修周期缩短，单机出力由原设计出力800 kW下降到600 kW，最大单机出力为675 kW，过机流量则远远大于原设计流量，使电站的水能得不到充分利用，给电站带来不应有的经济损失。为使吾库沙克水电站走出困境，重新焕发青春活力，必须对机组进行增容改造，利用目前国内新研制的新技术和新机型机组替代原有机组，才能有效得达到增容增效的目的。

2 水轮机组改造方案

根据目前电站的实际情况，机组改造必须在原有得基础上进行改造，水轮机混凝土蜗壳、尾水管尺寸、引用流量、同步转速、转轮直径一定的条件下，增容改造分二步进行:

第一步将空缺着的1#机坑内装设新的水轮机，同时对原拆除的容量为800 kW的1#水轮发电机进行改造。发电机进行更换定子、转子线圈，使发电机提高效率和功率，保证在增容后发电机长期运转的安全、可靠。为便于机组改造后，电站实现微机自动化系统管理，调速器选用可编程脉冲调速器，调速机构由内调节改为外调节。

第二步当安装的1#水轮发电机组出力达到设计要求时，改造2#、3#水轮机，原水轮机整个拆除，更换高效率，低汽蚀转轮的新选择的水轮机，只保留混凝土蜗壳、尾水管等，同时改造2#、3#水轮发电机，发电机进行更换定子线圈磁极，使发电机提高效率和功率，保证在增容后发电机长期运转的安全、可靠。为便于机组改造后，电站实现微机自动化系统管理，调速器选用可编程脉冲调速器，调速机构由内调节改为外调节。

但改造时应保证3台机增容后总引用流量在26 m3/s之内，此时单机最大引用流量Q=8.67 m3/s，按此流量计算实际装机容量，提高机组出力。

3 推荐水轮机模型试验参数分析比较

机组增容改造是在原有机组的基础上进行改造，水轮机混凝土蜗壳、尾水管尺寸、同步转速、转轮直径一定的条件下进行增容改造。新选择转轮机型的模型转轮试验流道参数与原机型的实验流道参数必须相似或接近，才能达到改造的目的。根据厂家推荐的机型，模型转轮试验流道参数见表1。

表1 模型转轮试验流道参数

从表1可以看出，转轮及导叶基本参数基本相等，满足改造机组的基本条件，由于没有同类型机组改造先例，将分别计算各机型的基本参数，从中选出适应本电站改造的机型。

4 1#、2#、3#水轮机选择

由于2#、3#水轮机改造时全部拆除，原ZD661机型水轮机只保留混凝土蜗壳及尾水管等，故2#、3#水轮机与1#处于同等条件下。通过我院对吾库沙克水电站原机组及电站引水尺寸等多项分析，详细计算，并对国内7个厂家进行考察和咨询，7个厂家向我们推荐了自己认为适应该电站的水轮机，从7个厂家推荐的机型汇总结果共有四种机型即:ZD660、JP502、ZD30，ZDTF03。

7个厂家由于考虑的问题的角度不同，故出现同种机型，在相同工况下出力有大有小的情况，故我们在相同工况下对基本参数重新核定，使各厂推荐的各机型机组在同一起跑线上，再进行分析，从中选出更适合本电站的机型。

4.1 水轮机效率值分析确定

采用新转轮后，与原ZD661型水轮机水流流道及结构型式的不同，对装入的新转轮的效率、流量、汽蚀影响的进行分析如下:

根据理论分析及我们(包括国内外有名的厂家、研究所及高等院校)的多年实践经验证实，采用水轮机转轮使用在与原水轮机流道中，尺寸的不同(包括结构型式不同)将带来很大的影响(尤其是比转速高的定浆轴流式机组)。依据多年的经验、教训实践及有关文献、设计手册和规范进行分析及计算，可使我们通过论证的参数与实际相符合，使机组出力、效率、流量达到预期值。而不能采用为保出力而盲目的不进行认真分析地加大转轮叶片角度而造成流量、效率及汽蚀的损失及变坏，不能充分利用水能资源，从而损害电站的效益。

4.1.1 转浆式转轮改为定浆式转轮的影响

由于转浆式水轮机轮毂为球形，转轮室为半球形，当改为定浆式后，轮毂改为锥形状，转轮室改为柱形状，轮叶外园也为柱形状，因其容量损失减小，效率将提高，过流面积加大，汽蚀系数减小，但单位转速降低，单位流量增加。

故取:Δη1=+0.5% σ=－0.02 Δn1=－3.0r/min

4.1.2 蜗壳进口流道不同，进口流速增加及导叶型线不同

原机组采用“厂”形向下延伸的形式，新型号JP502、ZD30、ZD580A，ZDTF03为“┣”向下延伸的形式，因“厂”形向下延伸的断面形式对断面下端的水流进入转轮不利，机组改造后，流量增加，蜗壳的流速也相应增大，势必造成较大的水力损失，原机组的蜗壳进口断面平均流速为3.7Q1，则蜗壳的流速系数为0.97Q1，型号转轮蜗壳流速系数为0.645Q1左右，虽然，新型号转轮蜗壳的流速系数比原机组小，其减小百分比为33.5%左右。故改造后，新转轮与原机组蜗壳相配，势必引起蜗壳的流速增加，增大蜗壳的水力损失，同时由于Vu增加，使导水机构中水力损失也增加，水轮机的效率下降，新机组导叶叶型为正曲率型，原机型导叶为对称型取:

4.1.3 尾水管高度降低

原机组ZD661弯肘形尾水管的相对深度h/D1=2.175，而新机型弯肘形尾水管相对深度h/D1=2.75～2.97，两者相差h/D1=0.575～0.775，无论是能量性能还是汽蚀性能，尾水管的高度高均比低的好。吾库沙克水电站尾水管已形成不能改变，故造成机组效率降低。

4.1.4 尾水管出口面积降低，出口流量加大，回能系数降低

4.1.5 综合分析

效率变化值:

汽蚀系数修正值:σ=－0.02

单位转速修正值:n11=－3.0r/min

4.2 水轮机出力计算

本电站设计水头Hp=14.24 m，最大运行水头Hmax=14.85 m，经综合分析，本电站装机容量由原设计装机容量3×800 kW增至3×1000 kW，为保证电站正常运行和冬季充分利用上游水进行发电，减少备用容量，根据保证出力N保=1 231.56 kW，本电站安装3台单机容量Nf=1 000 kW的水轮发电机组为宜。从而保证机组在冬季充分利用上游水，水轮机在高效率区运行，从而达到多发电发好电的目的。

根据以上参数，厂家推荐机型，结合地处海拔高程(1301.82 m)，上游来水含沙量大(多年平均5.95 kg/m3)。计算 ZD660、JP502、ZD30、ZD580A、ZDTF03 共 5 种机型与ZD661机型的基本参数。

4.3 水轮机出力分析

经计算可知，除JP502(φ=0°)型达不到本电站机组设计出力，其余4种机型6种水轮机均能满足本电站水轮机的设计出力。从校核出力点可以看出，在最优工况点(即叶片安放角度线处)，水轮机出力最大的为JP502(φ=10°)型，其次为 JP502(φ=5°)型、ZD660 型(φ=28°)、ZDTF03(φ=7.5°)型、ZD660型(φ=26°)，最小为 ZD30 型(φ=0°)，但在原设计流量Q=7.76 m3/s时，效率最低为 JP502(φ=10°)型，仅为73.9%，最高的为ZD660型(φ=26°)为88.9%，ZD660型(φ=28°)为88.7%，JP502(φ=5°)型为 79.7%。从以上参数可以看出，JP502(φ=5°、φ=10°)型水轮机运行区域中高效率区较窄，按设定流量运行不能在高效率区内运行，即水轮机不能在最优工况下运行。

ZD30型(φ=0°)水轮机在出力限制线以外很远才满足设计出力，即不在最优工况下运行，另外ZDTF03型(φ=7.5°)水轮机效率也较低。

从以上分析比较来看，ZD660—LH—120(φ=26°)及(φ=28°)型水轮机更适合本电站。水轮机在高效率区运行。故本电站可选用 ZD660—LH—120(φ=28°)及(φ=26°)型水轮机做为吾库沙克水电站增容改造水轮机的首选机型。

4.4 汽蚀性能分析

在分析完出力后，需进行汽蚀性能分析，以最终确定适合本电站的最佳机型。由转浆式水轮机模型实验出的汽蚀曲线，对定浆式水轮机，仅在单角角度线上其汽蚀系数不会改变，偏高此单角角度线之外，导叶开度的变化使固定浆叶的流态(水流对叶片进口部的充角)变坏，除效率下降很快外，其汽蚀情况也将会恶化。因此，对定浆式水轮机计算汽蚀时应加一个系数，取K=1.05。

汽蚀曲线为初生汽蚀曲线，在清水河流中可直接选用，但吾库沙克水电站引用水中含沙量大，且硬度较高，在采用不锈钢叶片的同时，取K=1.43，此时汽蚀安全系数K=K1×K2=1.50，吸出高度计算公式为:

原机组安装高程为 －2.09 m，而 JP502HS=－3.42 m，ZD660HS=－1.03 m，ZD30HS=－0.595 m。从中可看出，除JP502型不能满足原安装高程要求外，其余ZD660、ZDTF03、ZD30型水轮机均可满足要求。

4.5 水推力计算

ZD660型与原ZD661型转轮叶片均为4叶片，其水推力系数K均为0.85，但新转轮叶片角度较大，实际水推力将较小，新转轮的重量与原转轮重量相当，因此水轮机轴向水推力可视为不变，原发电机推力轴承负荷不变。而JP502为5叶片，其水推力系数K值远大于原水轮发电机组的推力轴承的轴向水推力计算值，故本电站从轴向水推力计算值上讲，不宜选用JP502机型。

4.6 1#、2#、3#水轮机机型确定

从水轮机出力分析、汽蚀性能和轴向水推力分析中可以看出，既满足运行工况好，又满足汽蚀性能好，不改变原水轮发电机组的轴向水推力计算值的机型为ZD660—LH—120型(φ=26°)及(φ=28°)，而且从水轮发电机组技术汇总表中可以看出该机型年发电量最大，年利用小时最高。再考虑该电站为径流式水电站，为适应丰水期大河来水量大，故2#、3#机转轮叶片安放角度确定为φ=28°，另外为适应冬季大河来水流量小，机组仍在高效率区运行，故电站1#水轮机选用ZD660—LH—120型(φ=26°)。

5 水轮发电机改造

在2#、3#水轮机增容改造成功的基础上，为保证水轮发电机组安全正常运行，并能适应增容改造后的水轮机设计出力，必须对发电机的增容改造。

发电机的增容改造，是通过改造发电机的电磁载体，核算发电机的刚度和强度，并在必要时采取相应的改造措施。使已运行了26 a的发电机在新的增大容量下安全可靠运行。同时使发电机的运行温度、电气参数、效率等主要参数处于合理的新水平上。

根据水轮机改造选定的方案，结合电站提供的发电机资料，进行设计分析，对应提出发电机的改造方案。

在发电机出口电压6.3 kV不变的基础上，重新设计并制造定子线圈、槽契、槽内垫条等，在电站进行新的定子线圈的嵌线工作，考虑到定子线圈可能存在的锈蚀和松动，必须由电站同生产厂家及设计单位共同进行定子铁芯的检查和铁损试验，如试验合格则进行重新压紧，若试验不合格，则必须进行必要的处理(如更换不合格的定子扇形片等)。

用重新设计制作的磁极更换原有的磁极线圈，以满足在额定功率因数COSφ=0.80条件下，励磁容量增加的要求。

线圈绝缘结构:

1)定子线圈与磁极线圈均采用F级绝缘。

2)定子线圈绝缘材料选用涤纶玻璃丝包扁铜线。采用模压制造工艺，线圈直线部分和端部采用一次模压固化成型。定子下线采用不吊把下线方式，以减少吊把而引起的绝缘损伤。定子线圈表面必须根据原电机的特点进行防电晕处理。从而保证线圈质量达到规定标准。

3)磁极线圈采用新型的F级材料，适应增强角部绝缘处理，并将磁极线圈托板与磁极线圈整体热压成型。

6 结束语

吾库沙克水电站通过本次增容改造，可将现有装机容量2×800 kW增至3×1000 kW，充分利用了现有的水利资源。机组增容改造后，年发电量可达到1 275.55 kW·h，年利用小时数为4 252 h，保证出力1 231.56 kW，每年比原设计装机容量2×800 kW可多发795.55万kW·h电，按现有疏附县上网电价0.344元/kW·h计算，每年多收入273.67万元，如与现实际装机容量比较，则年发电量增加量就更可观了。

本次吾库沙克水电站增容改造比现装机容量多增1 400 kW，总投资481.07万元，平均新增容量单位千瓦投资为0.3436万元，比修建一个相同容量的水电站便宜的多，而对现有电站进行改造，可达到投资少，增效大，起到立杆见影的效果。

[1]赵凤滨，李炤.葛州坝电站水轮机增容改造空化性能及稳定性研究[J]. 黑龙江水利科技，2005，33(4):14 －15.