鞠万昌，杨 雷

吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春 130021

1 电站概况

龙凤水库电站位于吉林省蛟河市，拉法河支流龙凤河中游龙凤乡境内。电站于1982 年末竣工并验收，1983 年5 月并网发电，原来的电站装机容量是125kW 机组3 台，总装机容量为375kW，原水轮发电机组由吉林省汪清县电机厂生产，水轮机型号ZD661-LH-60，发电机型号TS N59/41-8-125。

2 水轮机增容改造的必要性

水轮发电机组至今发电运行30 年，效率较低，过流能力差，与目前国内同类转轮相比，效率低；水轮机与水轮发电机选型不合理，性能指标较低，偏离了高效率区，振动区范围大，空化性能差，影响机组的安全稳定运行；水轮机抗汽蚀、抗磨损、抗振动性能差，事故隐患增加。综上所述水轮机改造势在必行。

3 水轮机改造的基本原则

通过对水轮机转轮改型，提高机组效率，改善机组运行的安全稳定性；水轮机转轮直径保持不变；水轮机的蜗壳、尾水管埋设部件不变；有先进可靠的性能参数；满足现有安装高程；满足现有规范的要求；增加机组容量。

4 水轮机改造

4.1 水头的确定

电站加权平均水头为9.9m，尾水管出口高程为372.8m，根据《小型水力发电站设计规范》（GB50071-2002）第6.1.4中“立轴式水轮机尾水管出口顶缘应低于尾水位0.5m”的规定，确定最低尾水位为373.30m，电站水轮机层地面高程为376.22m，结合实际确定最高尾水位比水轮机层地面低0.22m，则最高尾水位确定为376.00m。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。

4.2 转轮选择

机组转轮的选择是水电站增效扩容改造的关键，电站改造后，水轮机转轮直径不能增大，同时水轮机的流道不能改变，因此必须选择与电站流道近似的国内已研究成功的效率高、过流量大、单位转速高、空化和稳定性好且流道与原电站相近的新型转轮，才能满足上述要求。适合本电站增容改造的转轮有ZD987、K408-01/4、ZD660、JP502、K508 五种水轮机转轮。但就水力模型流道而然这几种机型还有许多不同之处，主要应从尾水管高度h ，导叶高度B0 以及轮毂体直径dB 这三个因素对水轮机性能起至关重要作用的方面来加以分析 。以选择出更适合龙凤水库电站流道条件的转轮。

4.3 性能分析

4.3.1 设计工况参数

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。

4.3.3 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。

4.4 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。

4.5 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。

4.6 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=9.4 m、P=150kW 时，Q=2.1m3/s，∑LV=494.53m2/s，导叶分段关闭时间Ts1=5 s,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,T s2=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。

5 结论

龙凤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。

[1]GB50071-2002小型水力发电站设计规范.北京.中国计划出版社，2003.

[2]SL179-2011小型水电站初步设计报告编制规程.北京.中国水利水电出版社，2011.

[3]SL179-2011小型水电站初步设计报告编制规程.北京.中国水利水电出版社，2011.